AGGETTI ED OSTRUZIONI ESTERNE:
QUANTO INCIDONO SUL CALCOLO ENERGETICO?
17/04/2023 – Approfondimento a cura degli Ingg. Marco BROCARDO ed Enrico MASTROMAURO
Sommario
Introduzione
L’analisi energetica di un fabbricato è strettamente correlata alla località di progetto e sue peculiarità climatiche (latitudine, longitudine, zona climatica, ecc.), all’orientamento dell’edificio rispetto i punti cardinali, ai suoi elementi costitutivi (strutture, serramenti, ecc.).
Vedremo nel presente articolo come anche forma e volumetria del fabbricato stesso nonché presenza di ostacoli esterni, possono assumere grande importanza.
Finora abbiamo sempre attinto informazioni dettagliate dagli archivi Mc4Suite, a partire da quello delle località che contiene tutti i dati geografici e di legge dei Comuni italiani (come da UNI 10349 o standard ASHRAE):
Archivio Mc4Suite dei Comuni italiani
Oggi è invece importante sottolineare come l’utente, sulla base dell’input compiuto nel software, ottiene risultati realistici quanto più dettagliato è l’input realizzato.
In particolare, il contributo derivante dagli ostacoli interni ed esterni all’edificio viene considerato in Mc4Suite su più fronti:
- Verifiche di Legge (Legge 10, APE, Diagnosi, ecc.);
- Calcolo secondo CENED +2.0 Motore, nel caso di Certificazione Energetica in Regione Lombardia;
- Calcolo delle dispersioni invernali secondo UNI EN 12831 o dei carichi termici estivi di punta, secondo metodo delle funzioni di trasferimento TFM illustrato in ASHRAE Handbook.
Un’errata o sommaria valutazione di ostacoli ed ostruzioni esterne influisce quindi sia durante la redazione delle relazioni tecniche di Legge, che in fase di dimensionamento degli impianti di riscaldamento e condizionamento dell’edificio.
La varietà di geometrie e architetture, anche complesse, rende difficoltoso identificare quali elementi siano in ombra e quali siano le caratteristiche geometriche degli ostacoli stessi.
Sino alla versione 2022 dei prodotti Mc4Suite, tali dati geometrici venivano indicati nell’archivio delle esposizioni e serramenti di progetto: questo comportava alcune limitazioni, come il dover creare una voce di archivio per ogni elemento che avesse caratteristiche univoche come ostacoli di ombreggiamento.
In Mc4Suite 2023, l’utente può ancora introdurre manualmente dati fissati (ad esempio, qualora non voglia disegnare parti di edificio come i balconi o edifici prospicienti), ma affidarsi al rilevamento automatico degli ostacoli comporta un semplice click.
Vediamo quindi nel dettaglio come funziona la logica del rilevamento automatico, su quali riferimenti normativi si basa e quali accorgimenti adottare.
La norma UNI TS 11300-1:2014: presupposto teorico del calcolo automatico dei fattori di riduzione per ombreggiatura Fsh,ob,k
Il presupposto teorico del calcolo automatico dei fattori di riduzione per ombreggiatura è rappresentato da quanto disciplinato dal par. 14.4 “Ombreggiatura” della UNI/TS 11300-1:2014.
Nell’ambito del calcolo del fabbisogno di energia utile per riscaldamento e raffrescamento, gli apporti termici di origine solare incidenti su superfici opache e trasparenti si valutano attraverso il flusso termico mediato sul tempo secondo la formula
in cui:
F sh,ob,k rappresenta il fattore di riduzione per ombreggiatura relativo ad elementi esterni per l’area di captazione solare effettiva della superficie k–esima
A sol,w,k rappresenta l’area di captazione solare effettiva della superficie vetrata k–esima con dato orientamento e angolo d’inclinazione sul piano orizzontale, nella zona o ambiente considerato, espressa in [m2]
A sol,op, k rappresenta l’area di captazione solare effettiva della superficie opaca k–esima con dato orientamento e angolo d’inclinazione sul piano orizzontale, nella zona o ambiente considerato, espressa in [m2]
I sol,k è l’irradianza solare media del mese considerato o della frazione di mese, sulla superficie k–esima, con dato orientamento e angolo d’inclinazione sul piano orizzontale, espressa in [W/m2]
F sh,ob costituisce il fattore moltiplicativo della radiazione solare incidente che tiene conto dell’effetto di ombreggiatura permanente sull’elemento considerato e risultante da:
- altri edifici
- topografia
- aggetti
- altri elementi dello stesso edificio
Come tale è espresso dall’equazione
in cui
Fhor è il fattore di riduzione per ombreggiatura relativo ad ostruzioni esterne
Fov è il fattore di riduzione per ombreggiatura relativo ad aggetti orizzontali
Ffin è il fattore di riduzione per ombreggiatura relativo ad aggetti verticali
I valori dei fattori di riduzione per ombreggiatura dipendono dalla latitudine, dall’orientamento dell’elemento ombreggiato, dal clima, dal periodo considerato e dalle caratteristiche geometriche degli elementi ombreggianti; quest’ultime sono descritte da un parametro angolare, come evidenziato nelle figure sottostanti (fonte UNI/TS 11300-1:2014):
Angolo dell’orizzonte ombreggiato da un’ostruzione esterna
Aggetto orizzontale e verticale: sezione verticale
Aggetto orizzontale e verticale: sezione orizzontale
Impostazioni propedeutiche al rilevamento automatico dei fattori di ombreggiatura
Il primo passo necessario per l’attivazione del rilevamento automatico avviene nella maschera dei Dati generali, scheda Carichi termici: è necessario spuntare il checkbox Rilevamento automatico ostacoli ombreggianti.
Dati generali e climatici, scheda Carichi termici
La procedura automatica verrà inoltre eseguita ad ogni rilettura delle frontiere (nette e lorde) del fabbricato.
Ribbon-bar Edificio, comando Aggiorna frontiere
Input grafico: balconi, forme e volumetrie sporgenti, tetti a falda
Prendiamo come esempio un edificio, raffigurato nell’immagine successiva, che presenta un tetto a falda sporgente (punto 1), l’input grafico di balconi (punto 2) e rientranze o sporgenze volumetriche rispetto al filo di facciata (punto 3):
Modello di edificio con tetto a falde, balconi e rientranze rispetto alla facciata
La procedura di rilevamento automatico dei fattori di ombreggiamento permette di considerare tutte le casistiche sopra citate.
Il disegno del tetto a falde si realizza con la consueta procedura e, disegnando le falde con il loro ingombro reale, in modo che esse siano più larghe dell’edificio sottostante
Vista in pianta piano secondo e tetto
Il programma ne determinerà il fattore di ombreggiamento, valutandone la posizione geometrica rispetto all’elemento di edificio sottostante ombreggiato.
L’input dei balconi si esegue disegnando una parete, che costituirà il parapetto del balcone stesso, indicandone l’altezza in fase di disegno:
Comando disegno parete
Successivamente s’inserirà il balcone con il comando apposito:
Ribbon-bar Edificio, comando Balcone
Occorre cliccare all’interno del perimetro che individuerà il balcone stesso: l’inserimento è simile al comando per inserire un ambiente.
Le rientranze o sporgenze volumetriche rispetto al filo di facciata si determinano in base al disegno degli unifilari, realizzato a partire, ad esempio, dalle piante costituenti il riferimento esterno.
Disegno di ostacoli esterni tramite comandi 2D/3D AutoCAD
Gli ostacoli esterni che ombreggiano uno o più edifici di cui s’intende realizzare il modello possono essere, ad esempio, edifici prospicenti (estranei al modello di calcolo da realizzarsi), alberi, ostacoli naturali, ecc.
Gli ostacoli si possono modellare nel programma utilizzando i comandi CAD che permettono la generazione di solidi tridimensionali. Si può partire con l’individuazione in pianta della sagoma esterna dell’ostacolo costituito da un edificio prospicente di forma ad “L”:
Vista in pianta edificio, tetto ed ostacolo
Tale sagoma costituisce la vista in pianta del solido che dovrà essere creato a partire da tale pianta.
Con il comando “Estrudi” si potrà creare un solido la cui pianta è appunto la sagoma disegnata.
Ribbon-bar Modellazione solida, comando Estrudi
Il comando prevede che si selezioni l’oggetto da estrudere, poi occorre indicare l’altezza di estrusione. Il risultato dell’estrusione genera un solido.
Vista assonometrica edificio ed ostacolo
Selezione e gestione degli ostacoli esterni
Il solido non è un ostacolo: affinché esso diventi un ostacolo occorre utilizzare il comando Seleziona solidi, che richiede la selezione dei solidi che diverranno ostacoli.
Ribbon-bar Edificio, comando Seleziona solidi
Una volta creato l’ostacolo, questo può essere spostato, modificato e cancellato, anche agendo sulla sua etichetta in disegno.
I solidi selezionati come ostacoli verranno assegnati al layer “3D” del nuovo progetto “Ostacoli”, che verrà creato al primo utilizzo del comando “Seleziona solidi”.
Il progetto “Ostacoli” è stato inserito nel nuovo tab “Ostacoli” della Barra di Navigazione.
Barra di navigazione, scheda Ostacoli
Tramite la Barra di Navigazione sarà possibile nascondere completamente gli ostacoli.
La posizione degli ostacoli rispetto all’edificio (o agli edifici) modellato determinerà l’ombreggiamento che essi forniranno, previo calcolo delle ombre.
Come comportarsi nel caso di file provenienti da versioni precedenti di Mc4Suite
Il programma Mc4Suite 2023 permette la conversione di files, provenienti da precedenti versioni di programma, i quali contengano le impostazioni degli ostacoli e degli aggetti così come previsti a suo tempo.
Nelle precedenti versioni di programma, gli ostacoli si definivano in archivio esposizioni e gli aggetti che insistevano sui serramenti in archivio finestre.
In Mc4Suite 2023 questi archivi non contengono più queste informazioni, in quanto questi dati sono trasferiti in automatico dal programma nei dati estesi delle strutture, finestre e porte che posseggono gli ostacoli ed aggetti precedentemente definiti.
La conversione dei files di vecchie versioni di programma prevede di non attivare il calcolo automatico degli ombreggiamenti e quindi il campo: Rilevamento automatico ostacoli ombreggianti (presente nei: Dati generali e climatici, scheda Carichi termici) non prevederà l’attivazione del segno di spunta: ciò al fine di preservare il calcolo così com’era stato eseguito in precedenza.
Si può, però, decidere di non considerare le impostazioni degli ostacoli e degli aggetti prima definite e adottare la nuova modalità di definizione degli ostacoli, mediante la creazione degli stessi, anche per files provenienti da versioni precedenti, purché si attivi l’opzione: Rilevamento automatico ostacoli ombreggianti ed eliminando con apposito comando Cancella dati fissati le pregresse definizioni di ostacoli ed aggetti.
Ribbon-bar Edificio, comando Cancella dati fissati
Quest’ultimo comando ha lo scopo di cancellare i dati degli ostacoli inseriti tramite versioni di Mc4Suite precedenti a quella in cui è stato introdotto il calcolo automatico degli ombreggiamenti, in caso si voglia usufruire della nuova procedura automatizzata.
Mantenimento di impostazioni fissate
Il software in automatico imposta i files, convertiti da precedenti versioni, in modo tale da non attivare il calcolo automatico degli ombreggiamenti.
In questa maniera si conservano le impostazioni di valutazione di ostacoli ed aggetti definite in precedenza nei programmi precedenti ad Mc4Suite 2023.
Il mantenimento delle impostazioni di un file, realizzato con versioni precedenti, che abbia, ad esempio, definite esposizioni con ostacolo e/o aggetti sui serramenti, è funzionale non solo al mantenimento della compatibilità, ma anche alla conservazione della coerenza di calcolo.
La valutazione eseguita in passato prevedeva la compilazione dell’archivio esposizioni e/o dell’archivio finestre.
Si prenda, ad esempio, in esame il caso studio: “Edificio 4D.dwg”: in tale progetto è stata prevista un’esposizione, denominata “Balcone”, la quale presenta un’ostruzione orizzontale.
Archivio Esposizioni Mc4Suite 2022
Tale esposizione è stata forzata su due piani (Piano primo e secondo), lato sud dell’edificio.
Esposizione forzata Mc4Suite 2022
Inoltre, sono presenti delle finestre che posseggono l’aggetto di balcone compilato:
Archivio Finestre Mc4Suite 2022
La conversione del progetto prevede il trasferimento dell’ostruzione e dell’aggetto dagli archivi esposizioni e finestre ai dati estesi degli elementi che posseggono tali caratteristiche: quindi i dati estesi delle pareti
Dati estesi Pareti
Ed i dati estesi delle finestre
Dati estesi Finestre
Si ricorda nuovamente che, per mantenere le impostazioni degli ostacoli e degli aggetti definite nelle precedenti versioni di programma, occorre non attivare il calcolo automatico degli ombreggiamenti e quindi non porre il segno di spunta accanto al campo: Rilevamento automatico ostacoli ombreggianti (presente nei: Dati generali e climatici, scheda Carichi termici), né si dovrà procedere lanciando il comando Cancella dati fissati, il quale eliminerebbe la compilazione delle sezioni Ostacoli presenti nei dati estesi di pareti, finestre e porte.
In queste condizioni il calcolo considererà le ostruzioni precedentemente definite nel modello utilizzando i programmi antecedenti a Mc4Suite 2023. Si consiglia di salvare una copia di backup del file prima di procedere nell’apertura del file con Mc4Suite 2023.
Valutazione di aggetti ed ostruzioni tramite automatismi
In un file che proviene da precedenti versioni, dove si sono inseriti ostacoli e/o aggetti, per effetto della conversione tali informazioni sono state trasferite nella sezione Ostacoli, presente nei dati estesi delle strutture, finestre e porte.
Il programma Mc4Suite 2023, in automatico, mantiene queste informazioni ed esegue i calcoli tenendone conto, in quanto il calcolo automatico dei fattori di riduzione per ombreggiatura non è abilitato in caso di conversione di files realizzati con versioni precedenti.
Tale valutazione deve, pertanto, essere attivata dall’utente apponendo il segno di spunta in corrispondenza del campo: Rilevamento automatico ostacoli ombreggianti, presente nella scheda Carichi termici, maschera Dati generali e climatici.
La procedura automatica per rilevare gli ombreggiamenti verrà eseguita ad ogni rilettura delle frontiere (nette e lorde).
Per non considerare nel calcolo l’input degli ostacoli eventualmente inseriti nelle versioni precedenti di programma, convertiti e riportati nei dati estesi occorre, prima di procedere nella valutazione automatica degli ombreggiamenti, lanciare il comando: Cancella dati fissati.
Ribbon-bar Edificio, comando Cancella dati fissati
In questo modo si potrà procedere mediante la valutazione totalmente automatica dei fattori di riduzione per ombreggiatura.
Rilevamento automatico e calcolo ombreggiamenti
Creati gli ostacoli, essi entreranno nel calcolo dei fattori di ombreggiatura che saranno automaticamente rilevati e calcolati.
Per effettuare la valutazione delle ombre occorre preliminarmente compilare la scheda: Gestione edifici, cui si accede tramite il comando denominato Configurazione edifici, contenuto nella barra laterale: MC4BROWSER.
Barra MC4BROWSER, comando Configurazione edifici
Compilato almeno un edificio si potrà lanciare il comando Ombre.
Ribbon-bar Edificio, comando Ombre
Il comando permetterà di eseguire il calcolo automatico dei fattori di riduzione per ombreggiatura ed aprirà una maschera entro la quale saranno visibili i risultati.
Maschera riepilogo risultati tabellari e visualizzatore 3D
La maschera di riepilogo dei risultati Fattori di riduzione ombreggiamento secondo UNI TS 11300-1:2014 si aprirà lanciando il comando Ombre.
La maschera è suddivisa in tre parti:
- la parte in alto, costituita dalla ribbon-bar;
- la parte a sinistra contiene i risultati in forma di tabella;
- la parte di destra mostra la visualizzazione grafica dei risultati mostrando l’edificio.
Maschera risultati Fattori di riduzione ombreggiamento secondo UNI TS 11300-1:2014
Nella ribbon-bar in alto
Ribbon-bar maschera risultati Fattori di riduzione ombreggiamento secondo UNI TS 11300-1:2014
i pulsanti, da sinistra a destra, assumono questo significato:
- Annulla filtri, rimuove eventuali filtri applicati alla griglia di visualizzazione dei risultati (raggruppamento per struttura, per ambiente ecc.);
- Visualizza frontiere, attiva la visualizzazione delle frontiere nella parte destra della maschera al posto della visualizzazione degli elementi strutturali in 3d (se pulsante non selezionato);
- Direttrici verticali / Direttrici orizzontali / Direttrici frontali, attiva o disattiva la visualizzazione delle rispettive direttrici di ostacolo;
- Animazione mesi, attiva lo scorrimento automatico del cursore dei mesi posto al di sotto del visualizzatore 3d
- Lettura disegno, permette una rilettura delle frontiere;
- Legge 10, ricalcola i valori di legge 10 per caricare i risultati degli ombreggiamenti in maschera;
- Esporta, permette l’esportazione dei risultati in formato Excel;
- Ripristina, ripristina il layout di default della maschera, nella formattazione standard in vista tabellare sulla sinistra e grafica/3D sulla destra;
- Esci, chiude la maschera.
I risultati tabellari per ogni elemento di frontiera generata dal programma comprendono, partendo da sinistra:
- Ambiente di appartenenza
- Struttura
- Esposizione
- Fattori di riduzione per ombreggiatura (Fsh,ob) mensili
- Angoli degli aggetti / ostacoli
I risultati visuali grafici comprendono
- Visualizzazione degli elementi di frontiera del progetto: ogni elemento di frontiera è colorato secondo una scala che indica il fattore di riduzione di ombreggiatura (Fsh,ob) mese per mese. I colori freddi (dal blu) corrispondono a un fattore più elevato, ovvero ombreggiatura più alta, mentre i colori caldi (fino al rosso) un fattore di riduzione più basso o assente, ovvero ombreggiatura più bassa.
Maschera risultati Fattori di riduzione ombreggiamento, visualizzazione grafica dei risultati
Per attivare questa visualizzazione, ricordo, occorre lanciare il comando da ribbon bar Visualizza frontiere (pulsante selezionato).
Ribbon-bar maschera risultati Fattori di riduzione ombreggiamento secondo UNI TS 11300-1:2014
- Visualizzazione degli elementi tridimensionali: ogni elemento di frontiera è colorato riprendendo il colore originale del progetto in 3d, secondo una scala di luminosità che indica il fattore di riduzione di ombreggiatura (Fsh,ob) mese per mese. Una luminosità bassa (colore scuro) corrisponde a un fattore più elevato, ovvero ombreggiatura più alta, mentre una luminosità alta (colore brillante) corrisponde a un fattore di riduzione più basso o assente, ovvero ombreggiatura più bassa.
Maschera risultati Fattori di riduzione ombreggiamento, visualizzazione grafica dei risultati
- Le direttrici d’ombra (solo per gli elementi di frontiera calcolati in modo automatico): segmenti che congiungono il baricentro di ogni elemento di frontiera con il punto di aggetto / ostacolo trovato che forma l’angolo di ombreggiatura maggiore. Tale opzione è attivabile su entrambe le modalità di visualizzazione prima descritte.
Maschera risultati Fattori di riduzione ombreggiamento, visualizzazione grafica dei risultati
Maschera risultati Fattori di riduzione ombreggiamento, visualizzazione grafica dei risultati
- Cursore dei mesi (parte destra, sotto il visualizzatore 3d): permette di selezionare il mese per il quale si vogliono visualizzare i risultati del fattore di riduzione dell’ombreggiamento Fsh,ob.
Maschera risultati Fattori di riduzione ombreggiamento, visualizzazione grafica dei risultati luglio
La visualizzazione è stata pensata per indicare in modo veloce l’apporto su ogni elemento di frontiera dell’ombreggiatura.
Gli apporti sono visualizzati mese per mese, anche tramite animazione.
