Il fabbisogno termico estivo degli nZEB: modellazione dinamica e semi-stazionaria a confronto

Normativa e modelli di calcolo della prestazione energetica degli edifici 

La Direttiva europea 2010/31/UE (EPBD recast) sulla prestazione energetica degli edifici ha introdotto il target dell’edificio ad energia quasi-zero (nZEB) per tutti i nuovi edifici e le ristrutturazioni importanti degli edifici esistenti, a partire dalla fine del 2018 per gli edifici pubblici e dalla fine del 2020 per tutti gli altri edifici. La Direttiva definisce un edificio ad energia quasi-zero come un edificio ad altissima prestazione energetica, il cui fabbisogno energetico molto basso o quasi nullo dovrebbe essere coperto in misura molto significativa da energia da fonti rinnovabili, compresa l’energia da fonti rinnovabili prodotta in loco o nelle vicinanze [1]. 

Per verificare efficacemente la rispondenza a tali requisiti, è necessario che il fabbisogno energetico dell’edificio sia valutato mediante metodologie di calcolo affidabili e robuste. A tal proposito, il mandato M/480 della Commissione Europea [2] per l’elaborazione della normativa tecnica sui metodi di calcolo della prestazione energetica degli edifici è fortemente rivolto verso un approccio integrato della valutazione del sistema fabbricato-impianto, incentivando procedure accessibili, trasparenti ed obiettive, con l’inclusione delle best practice, e supportando il mercato all’introduzione di nuove tecnologie. 

L’attuale normativa tecnica per il calcolo della prestazione energetica degli edifici, rappresentata dalla UNI/TS 11300 – la cui applicazione è obbligatoria in Italia per la verifica dei requisiti legislativi – presenta un metodo di calcolo del fabbisogno energetico su base mensile in condizioni semi-stazionarie. Numerosi studi effettuati su edifici esistenti caratterizzati da uno scarso livello di isolamento termico hanno evidenziato le deviazioni che sussistono tra l’applicazione di questo metodo e un modello di simulazione dinamica dettagliata su base sub-oraria. Nello specifico, i risultati di alcune ricerche scientifiche hanno dimostrato la poca affidabilità del metodo stazionario nel predire il fabbisogno energetico, soprattutto in regime di raffrescamento [3,4].

In vista dell’imminente progettazione di edifici ad energia quasi-zero, alcuni interrogativi restano aperti: i modelli semplificati sono in grado di valutare la prestazione energetica degli edifici a basso consumo in maniera corretta? Le norme riescono a simulare il comportamento delle nuove tecnologie e dei nuovi impianti sempre più caratterizzati da componenti dinamici e integrati? Una rassegna della letteratura scientifica mostra come la maggioranza degli studi sugli nZEB sia sempre più rivolta verso l’applicazione della simulazione numerica in regime dinamico, mediante l’uso di noti software di calcolo dettagliati, come EnergyPlus, TRNSYS, IES [5,6].

Il presente articolo mira ad analizzare l’accuratezza del modello di calcolo della prestazione energetica degli edifici in regime semi-stazionario per la previsione del fabbisogno energetico degli nZEB. Il focus dello studio è la prestazione energetica estiva; a causa dell’iper-isolamento dell’involucro edilizio che caratterizza l’edificio ad energia quasi-zero, il fabbisogno di raffrescamento avrà un peso preponderante nella prestazione energetica complessiva degli edifici di prossima edificazione, soprattutto di quelli localizzati nell’area mediterranea. 

L’articolo presenta due casi studio ad uso residenziale localizzati in zona climatica B (GG ≤ 900 °C·d), rappresentativi della tipologia costruttiva nazionale e rispondenti ai requisiti di edificio ad energia quasi-zero, in ottemperanza alla legislazione nazionale in vigore. I risultati della prestazione termica estiva dei casi studio derivanti dall’applicazione del metodo semi-stazionario sono confrontati con quelli derivanti da un modello di simulazione dinamica e vengono discusse le cause degli scostamenti. 

Requisiti degli edifici ad energia quasi-zero 

Secondo la norma UNI EN ISO 52000-1 [7], per una valutazione coerente degli nZEB occorre che i diversi requisiti prestazionali siano correttamente combinati. I requisiti includono le condizioni ambientali interne, le proprietà termiche del fabbricato e degli impianti di climatizzazione, la fornitura di acqua calda per usi igienico-sanitari, l’installazione di impianti di illuminazione, l’utilizzo di impianti solari attivi e altri sistemi che sfruttano le fonti energetiche rinnovabili, il teleriscaldamento e il teleraffrescamento.

Per la verifica dei requisiti degli edifici ad elevata prestazione energetica, i regolamenti legislativi italiani adottano questo approccio metodologico e combinano un requisito prestazionale globale (EP_gl) con requisiti specifici relativi al fabbricato (fabbisogno di energia termica ideale per il riscaldamento, EP_H,nd, e per il raffrescamento, EP_C,nd) e agli impianti (efficienze medie stagionali dell’impianto di riscaldamento, η_H, di raffrescamento, η_C, e di acqua calda sanitaria, η_W), inclusa la verifica della copertura del fabbisogno energetico con fonti energetiche rinnovabili. 

Nello specifico, il Decreto Ministeriale 26 giugno 2015, noto anche come decreto “Requisiti Minimi” [8], prevede i seguenti requisiti prestazionali in riferimento all’involucro edilizio:

• il coefficiente medio globale di scambio termico (H’_T), il cui valore massimo ammissibile è definito in funzione dei gradi giorno e del fattore di forma dell’edificio (ossia del rapporto tra la superficie disperdente e il volume lordo climatizzato);
• l’area solare equivalente estiva per unità di superficie utile di pavimento, definita come la somma dell’area di captazione solare effettiva dei componenti vetrati – calcolata per il mese di luglio – moltiplicata per l’irradianza solare media mensile su ciascun orientamento e divisa per l’irradianza solare media annua di Roma sul piano orizzontale. 

I requisiti relativi ai fabbisogni energetici per il riscaldamento e il raffrescamento, alle efficienze degli impianti termici e alla prestazione energetica globale si determinano mediante l’edificio di riferimento. Secondo questo approccio, il requisito è rappresentato dal valore del parametro prestazionale calcolato per un edificio avente medesima localizzazione, categoria d’uso, geometria e condizioni al contorno dell’edificio reale, ma con parametri, quali il livello di isolamento termico, l’efficienza dei sistemi impiantistici ecc., sostituiti da valori di riferimento. Nello specifico, per i componenti d’involucro dell’edificio di riferimento, i valori di trasmittanza termica dipendono dai gradi giorno della località e sono mostrati in Tabella 1. Per l’edificio di riferimento si ipotizza l’utilizzo di schermature solari a sud, est ed ovest, caratterizzate da un fattore di trasmissione solare totale del sistema vetro-schermatura pari a 0,35. 

Tabella 1 – Valori di trasmittanza termica, U (W•m-2K-1) dei componenti d’involucro dell’edificio di riferimento validi per la verifica della prestazione energetica degli nZEB [8].  

Casi studio e modelli di calcolo

Descrizione degli edifici

I due edifici presi in esame sono una casa monofamiliare ed un blocco di appartamenti; entrambi sono stati selezionati all’interno del progetto di ricerca europeo TABULA (Typology Approach for Building Stock Energy Assessment) [9,10] come rappresentativi, dal punto di vista geometrico, del patrimonio edilizio residenziale nazionale di nuova costruzione (Tabella 2).       

Tabella 2 – Principali caratteristiche geometriche dei casi studio [9]. 

Per il presente studio, si suppone che entrambi gli edifici siano localizzati a Catania, in zona climatica B. Le caratteristiche costruttive ed impiantistiche dei casi studio sono state individuate in modo da soddisfare i requisiti di edificio ad energia quasi-zero in conformità al D.M. 26 giugno 2015. I valori di trasmittanza termica dei componenti dell’involucro edilizio coincidono con quelle dell’edificio di riferimento (Tabella 1).

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