Simulazione dinamica e BACS applicati ad un edificio scolastico

Applicazione per l’efficientamento energetico di una scuola secondaria

INTRODUZIONE

Per raggiungere gli obiettivi di efficienza energetica di un edificio, solitamente i soli sistemi passivi non sono sufficienti; inoltre, fattori quali un’impropria programmazione oraria o impostazione della temperatura possono portare a un aumento delle perdite di energia e dell’insoddisfazione degli occupanti.

Considerando i costi di installazione e la maggiore richiesta di manutenzione dovuta all’elevata complessità dei sistemi HVAC, è richiesta una precisa calibrazione del sistema di controllo elettronico basata sul reale utilizzo dell’edificio per garantirne l’efficienza. I BACS (Building Automation and Control Systems) interagendo con l’edificio e con i sistemi tecnici, forniscono l’esatto fabbisogno di energia attraverso un’accurata misura della richiesta, in modo da evitare perdite di energia e sprechi.

La Commissione Europea ha richiesto al settore pubblico di attuare misure e piani di efficientamento energetico del patrimonio edilizio pubblico: in Italia gli edifici scolastici sono più di 60 mila e generalmente sono affetti da elevate perdite energetiche, soprattutto gli immobili costruiti prima del 1980. Questo fenomeno è relazionato alla legislazione italiana che, seppur datata 1996, si rifà al Decreto Ministeriale del 18/12/1975 e per questo motivo richiede urgenti interventi nel settore. 

Una panoramica sugli edifici scolastici italiani è descritta nella relazione redatta dal Politecnico di Torino, riguardante un campione di 103 scuole della provincia del capoluogo piemontese. Da questo documento emerge che il fabbisogno medio di energia primaria delle scuole analizzate è di circa 129 kWh/m2 annuo, di cui l’88% è dovuto al riscaldamento e il 12% all’illuminazione e al fabbisogno elettrico. Dal punto di vista impiantistico, per soddisfare il fabbisogno di riscaldamento la maggior parte delle scuole utilizza un impianto a radiatori, alimentati da una caldaia a gas naturale, senza alcun sistema di regolazione negli ambienti.

Per dimostrare l’importanza dei sistemi di controllo e gestione dell’edificio per l’efficientamento energetico degli edifici scolastici, è stata effettuata una simulazione dinamica di un edificio scolastico di riferimento, tenendo così conto della sensibilità alla variazione delle condizioni ambientali e al fine di ottenere risultati dettagliati.

ANALISI DEGLI EFFETTI SULL’EDIFICIO DI RIFERIMENTO

Per poter analizzare gli effetti legati alla simulazione dinamica e all’utilizzo di BACS, è stato necessario definire un modello di riferimento, le cui dimensioni, destinazioni d’uso, impianti, anno di costruzione e tecnologie utilizzate rappresentassero un campione a livello nazionale. Queste caratteristiche sono quindi state scelte tenendo conto di un campione statistico di scuole esistenti, ipotizzando che fosse un liceo scientifico in cui fossero presenti 20 aule, ciascuna dimensionata per 25 studenti, per un totale di 500 alunni. L’edificio è stato quindi strutturato in modo che avesse caratteristiche e dimensioni tali da soddisfare i requisiti normativi e legislativi, ed è stato suddiviso in sette aree funzionali, ciascuna legata al principale utilizzo (aule, laboratori, biblioteca, palestra, amministrazione, auditorium, ingresso).

Figura 1 - Esploso del modello della scuola

Per quanto riguarda gli impianti, nella maggior parte delle scuole italiane non è presente un sistema di ventilazione meccanica e il ricambio d’aria viene garantito dalla ventilazione naturale. Per questo motivo nel modello sono state ipotizzate due alternative: nella prima sono presenti dei radiatori installati sul lato interno dei muri perimetrali, mentre nella seconda sono stati considerati ventilconvettori a quattro tubi, in modo da soddisfare anche la richiesta per il raffrescamento. La produzione di acqua calda sanitaria non è stata considerata, poiché la rispettiva richiesta energetica non risulta rilevante.

La simulazione dinamica è stata effettuata utilizzando il software EnergyPlus 7.0 (U.S Deparment of Energy – DOE, EnergyPlus Energy Simulation Software, 2012), in cui è stata modellata ogni stanza come zona termica con specifiche proprietà termiche, in modo da valutare il controllo automatico personalizzato. La simulazione dinamica è stata effettuata considerando l’occupazione giornaliera all’interno di una scuola, tenendo conto delle festività italiane e eventuale utilizzo di alcuni ambienti da enti esterni.

Come sistemi per il controllo e la gestione dell’edifico, sono stati considerati sia alcuni sistemi riguardanti l’impianto di riscaldamento e raffrescamento, sia delle soluzioni legate all’impianto di illuminazione:

• Pompe e ventilatori ad intermittenza, in base al carico termico di riscaldamento/raffrescamento;

• Pompe a flusso variabile e ventilatori a velocità variabile;

• Compensazione climatica della temperatura dell’acqua di mandata, in base alla temperatura esterna;

• Raffrescamento notturno con apertura meccanizzata delle finestre;

• Sensori di presenza;

• Regolazione dell’intensità della luce e delle schermature attraverso un sensore di luce diurna.

CONCLUSIONI

A partire dalle simulazioni dei due casi base, ovvero quella con soli radiatori e quella con soli ventilconvettori, è stato applicato ciascun intervento ed è stato calcolato il fabbisogno di energia primaria annuale corrispondente. L’applicazione delle differenti soluzioni combinate tra loro ha dimostrato che l’utilizzo di radiatori o di ventilconvettori porta a un consumo energetico annuo pressoché simile, con la differenza che il secondo caso comporta una situazione di comfort migliore. Il controllo termico è generalmente più efficace del controllo dell’illuminazione nella diminuzione del fabbisogno di energia primaria. Ciò può essere spiegato da una diffusa imprecisione nella gestione del sistema di HVAC e da elevate perdite termiche legate all’involucro edilizio.

In Italia i BACS non sono molto diffusi nella cultura locale e nel mercato nazionale perché altre misure sono più urgenti e richieste dalla legge, come l’isolamento termico e l’installazione di sistemi HVAC. Tuttavia un risparmio del 30% - 40% di energia primaria dimostra l’importanza di queste soluzioni. Per specifici aspetti quali l’efficienza della ventilazione, la sola simulazione dinamica dell’edificio non è sufficiente ad analizzare il problema, mentre sono necessari alcuni approcci numerici che uniscono la simulazione della prestazione energetica dell’edificio con la dinamica dei fluidi.

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