Programmi di calcolo delle prestazioni energetiche dell`edifici il

Programme of actions towards a factor 4
in existing social housings in Europe
Deliverable 8
Programmi di calcolo delle prestazioni
energetiche dell’edifici
il modello BREA
December 2008
www.suden.org/Factor4
Autori:
Sergio Bottiglioni
Angelo Mingozzi
[email protected]
Ricerca & Progetto, I
Progetto parzialmente finanziato da:
EUROPEAN COMMISSION – Intelligent Energy Executive Agency
Grant agreement EIE/05/076/S12.419636
1
Introduzione
La verifica delle prestazioni energetiche dell’edificio è una fase molto importante del
processo di progettazione, sia che si tratti di nuove costruzioni, sia di recupero.
All’interno del metodo progettuale che consente di governare il processo di progettazione
ecosostenibile (analisi del sito, definizione degli obiettivi progettuali, individuazione e
verifica delle soluzioni), la fase di verifica rappresenta il momento cruciale di controllo del
perseguimento degli obiettivi di ecosostenibilità dell’intervento, con ricadute positive a
livello ambientale ed economico.
La fase progettuale vera e propria si configura infatti come la messa a sistema di tutti gli
aspetti ambientali, sociali, ed economici, compresi nell’intervento edilizio, coinvolgendo in
modo coordinato specialisti di diversi ambiti disciplinari.
Questa deve essere caratterizzata da una continua attività di verifica delle scelte
progettuali, alle diverse scale, lungo tutto il processo edilizio e considerando l’intero ciclo
di vita del complesso insediativo ed edilizio, in relazione agli obiettivi generali e a quelli
specifici del progetto ecosostenibile.
Attraverso la definizione di diverse ipotesi progettuali, e la loro verifica, si giunge al
progetto, che rappresenta la sintesi di tutti i fattori coinvolti.
In questa ottica, il controllo delle prestazioni energetiche è un momento fondamentale in
quanto consente di ottimizzare le scelte progettuali per evitare difetti o vizi che
peserebbero sui consumi per tutta la vita dell’edificio o nel caso di un recupero guidare gli
interventi prevedendo i benefici.
1. Le simulazioni energetiche
Concetti base sulle simulazioni
Le simulazioni energetiche sono effettuate per analizzare dinamicamente le prestazioni
energetiche di un edificio e per prendere coscienza delle relazioni che intercorrono fra i
parametri progettuali inerenti il sistema edificio impianto ed il fabbisogno energetico.
L’effetto di una modifica progettuale può essere simulato ed osservato in una frazione di
tempo breve, ad un costo molto ridotto se confrontato al costo che uno studio di queste
alternative nella realtà richiederebbe.
Le informazioni dettagliate che si ottengono sul consumo di energia, sulle condizioni
ambientali interne e sulle prestazioni degli impianti, consentono di ottimizzare ed orientare
le scelte progettuali.
Le simulazioni energetiche degli edifici sono tradizionalmente finalizzate al calcolo delle
potenze e dell’energia in relazione al riscaldamento invernale, all’impianto di
raffrescamento estivo, alla ventilazione.
Il calcolo delle potenze è impiegato per il dimensionamento dell’impianto ovvero per la
definizione della sua tipologia e della massima potenza necessaria, stabilita in relazione ai
picchi di carico.
Il calcolo dell’energia è impiegato invece per valutare il fabbisogno energetico dell’edificio
in relazione ai carichi richiesti durante l'anno e a partire dall’impianto utilizzato, stimare i
costi energetici di esercizio.
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L’uso delle simulazioni energetiche deve essere strettamente connesso alla fase
progettuale vera e propria (fig. 1); esse permettono di:
- Valutare diverse opzioni progettuali, Ottimizzare una scelta progettuale valutando
l’impatto specifico di un parametro, componente o sistema, sulla prestazione
complessiva (analisi di sensibilità)
- Comparare il progetto definitivo con gli obiettivi iniziali e controllare il rispetto di limiti
normativi,
- Attribuire all’edificio una classe energetica secondo un determinato sistema di
classificazione;
- Effettuare analisi economiche per valutare il tempo di ritorno degli investimenti.
Verifica preliminare
Idea generale
di progetto ed
obiettivi
Progettazione
definitiva
intervento
Analisi delle
prestazioni
energetiche
OK?
Verifica di dettaglio
Progettazione
esecutiva
intervento
SI
Analisi delle
prestazioni
energetiche
OK?
SI
Consegna
progetto
NO
NO
Introduzione di modifiche
al progetto esecutivo
Introduzione di modifiche
al progetto definitivo
Fig. 1: Schematizzazione del processo di controllo progettuale delle prestazioni energetiche attraverso l’uso
di programmi di simulazione.
I risultati ottenuti non sono sempre immediatamente utilizzabili e necessitano di una
rielaborazione che tenga conto delle ipotesi iniziali, delle situazioni al contorno e delle
ipotesi imposte dagli algoritmi di calcolo.
Le maggiori limitazioni all’uso di questi programmi sono principalmente:
- Il volume di dati in ingresso e la loro accuratezza. Speso tali dati non sono ancora
presenti nelle prime fasi del processo di progettazione ed è pertanto necessario
operare delle ipotesi per proseguire con le analisi;
- Gli output sono spesso scarsamente leggibili nell’immediato e richiedono una certa
esperienza per essere interpretati e tradotti in input operativi per la progettazione.
- Molti dei programmi di simulazione energetica più avanzati sono orientati ad ambiti
di ricerca; per utilizzarli con una certa competenza e sicurezza è necessario uno
studio approfondito e a volte lungo.
- I programmi hanno spesso una scarsa interfacciabilità con l’utente. I progettisti
architettonici abituati ad esprimersi graficamente potrebbero essere in difficoltà a
causa della struttura poco versatile del sistema degli input ed output.
- I programmi non sono flessibili e l’utilizzatore potrebbe essere in difficoltà per
simulare casi particolari
- Non tutti i programmi sono validati e accreditati da un riconosciuto ambito
scientifico.
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Nel caso più generale e completo il funzionamento di un programma di simulazione si
riassume nei blocchi della figura seguente (fig. 2).
DATI
CLIMATICI
EDIFICIO
MODELLO
D’USO
CONDIZIONI
AMBIENTALI
INTERNE
IMPIANTO
SISTEMA DI
CONTROLLO
PRESTAZIONI
ENERGETICHE
INPUT
PROGETTUALE
Programma di simulazione
L’input progettuale riguarda la descrizione dell’edificio come sistema ambientale e
tecnologico; i dati climatici rappresentano invece una condizione al contorno. Gli output
riguardano le prestazioni energetiche evidenziando i periodi di picco di domanda
energetica e le condizioni ambientali interne. Il programma di simulazione mette a sistema
la modellazione dell’edificio e dell’impianto rispettivamente con il modello d’uso ed i
sistemi di controllo in dotazione all’impianto.
2. Strumenti di simulazione
Sono attualmente disponibili numerosi strumenti di simulazione e controllo delle
prestazioni energetiche nella fase progettuale.
Generalmente i diversi strumenti permettono di quantificare in maniera più o meno
approfondita ed esatta quelle che sono le prestazioni energetiche dell’edificio.
La differenza fra i vari sistemi è fondamentalmente basata sugli algoritmi di calcolo
utilizzati che, di conseguenza, richiedono dati di ingresso con diversi livelli di
approfondimento. In particolare le simulazioni effettuate in regime stazionario
consentono solo parzialmente di indagare le reali performance dell’edificio, mentre i
sistemi più complessi che implementano il regime dinamico consentono analisi più
approfondite.
Le simulazioni effettuate in regime dinamico permettono ad esempio di valutare in
dettaglio anche il contributo dovuto all’inerzia termica dell’involucro e della ventilazione
naturale, che ha ripercussioni sia sulle prestazioni termiche in regime invernale, sia in
quello estivo. Con questo livello di approfondimento attraverso analisi “multi-zona” è
possibile valutare in dettaglio, ad esempio, la prestazione di una singola unità ambientale
sulla prestazione globale dell’edificio. Pertanto, partendo da un consumo complessivo
dell’edificio noto e rilevato dalle bollette, è possibile ad esempio valutare con efficacia
l’incidenza di interventi singoli o che riguardano solo alcuni ambienti.
A seconda degli obiettivi progettuali è necessario orientarsi verso uno strumento di verifica
e simulazione piuttosto che un altro.
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3. Analisi comparativa
Di seguito si propone l’analisi comparativa di metodi di calcolo di fabbisogno energetico
degli edifici.
Per ognuno dei metodi indagati è riportata una scheda riassuntiva delle principali
caratteristiche.
Al fine di fornire sinteticamente uno strumento di confronto rapido fra le prestazioni dei vari
strumenti le caratteristiche salienti sono riassunte in una matrice comparativa di sintesi.
Gli strumenti analizzati sono i seguenti:
1
Edilclima
2. PHPP 1.0 it “Passive House”
3. Casaclima
4. Summer
5. Ecotect
6. ESP-r
7. Trnsys
8. Energy plus
Basato sulle norme attuattive della L.10/91 permette di
calcolare in regime stazionario il fabbisogno di potenza, il
fabbisogno annuo di energia utile, i rendimenti dell'impianto, il
consumo convenzionale di riferimento, sia per l’edificio, sia per
i singoli locali.
Foglio di calcolo per la verifica del raggiungimento dei requisiti
minimi dello standard energetico che consente di ottenere la
certificazione di “casa passiva”.
I calcoli sono eseguiti in regime stazionario.
Foglio di calcolo che permette, mediante l’immissione di dati
rappresentativi, di stimare gli indici termici di un edificio, e di
conseguenza classificarlo di una scala di efficienza energetica.
I calcoli sono eseguiti in regime stazionario.
Principalmente indirizzato a valutare il fabbisogno per
raffrescamento estivo mediante varie strategie. Valuta le ore di
discomfort e l’energia richiesta per il raffrescamento. Le stesse
verifiche possono essere effettuate in periodo invernale in cui
però non è possibile introdurre strategie passive. Opera in
regime dinamico.
Calcola i carichi energetici necessari al raffrescamento e al
riscaldamento, per modelli costituiti da più zone di qualunque
geometria (multi-zona). Utilizza il metodo delle Ammittanze, in
regime dinamico.
Strumento di simulazione termica dinamica in cui le
caratteristiche significative di un problema sono trasformate in
una serie di equazioni di continuità, risolte con metodo iterativo.
E’ un programma completo che effettua una vasta quantità di
analisi
Programma di simulazione dinamica che include un apposito
modulo per l’analisi termica degli edifici. È elencato nei recenti
Standard europei “Thermal solar systems and components”
(ENV-12977-2).
E’ un programma completo che effettua una vasta quantità di
analisi
EnergyPlus is a new-generation building energy
simulation program based on DOE-2 and BLAST, with
numerous added capabilities. Released in April 2001, the
program was developed jointly by Lawrence Berkeley
National Laboratory and others. It performs multi-zone
dynamic simulations.
(http://gundog.lbl.gov/EP/ep_main.html)
Numerosi strumenti di simulazione informatica e strumenti di certificazione energetica
sono attualmente usati in Italia per determinare la prestazione energetica degli edifici.
Il livello di approssimazione dei risultati raggiunto varia sensibilmente a seconda del
metodo di calcolo utilizzato.
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4. Strumenti di simulazione energetica e normativa
La Direttiva Europea EPBD Directive 2002/91/CE è stata l’occasione per una completa
rivisitazione dell’apparato normative che regola il contenimento dei consumi energetici
negli edifici attraverso una serie di norme ancora in fase di definizione completa.
Gli strumenti commerciali più diffusi che di volta in volta si sono adattati alle nuove norme
sono:
- Edilclima
- MC4 Software
La tabella che segue da una misura dell’evoluzione normativa e delle prescrizioni di
calcolo e verifica
Periodo di
applicazione
Prescrizioni su
trasmittanza
involucro
Prescrizioni su
efficienza minima
di impianto
Requisiti minimi per
l’intero edificio
compreso l’impianto di
riscaldamnto
No
Solo alcune limitazioni
generiche
L 373/76
dal 1976 al
1991
L.10/91 e
DPR 412/93
Dal 1991 al
08/10/05
No
(Calcolo del
“coefficiente
globale
isolamento”Cg=
Cd+Cv”)
No
(Calcolo del “Cd”)
D.Lgs. 192/05
Dal 09/10/05
a 01/02/07
Si dipende dalla
zona climatica
si
dal 02/02/07
Si dipende dalla
zona climatica
si
D.Lgs. 311/06
si
Calcolo
del
FEN
(J/m3GG)
Calcolo energia primaria
per
riscaldamento
secondo UNI EN 832
and UNI EN 13790
(kWh/m2anno)
Calcolo energia primaria
per
riscaldamento
secondo UNI EN 832
and UNI EN 13790
(kWh/m2anno)
Ad oggi (Dicembre 2007), successivamente al D.Lgs. 311/06, non è stato emesso il
Decreto attuativo che chiarisce le modalità per la Certificazione energetica: soggetti
abilitati, metodo di calcolo e attribuzione delle classi.
Alcuni Comuni, Provincie e Regioni hanno nel frattempo emanate proprie regole creando
una grande confusione e incertezza fra I progettisti.
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Certificazione energetica
Regime Stazionario
Metodo di
calcolo
Input
edificio
Modello
d’uso
edificio
Simulazion
e dinamica
•
•
•
•
Modello completo
•
•
Dati
climatici
Difficoltà
ed livello di
competenz
a per un
corretto
uso
•
•
•
•
•
•
•
Modello
semplificato
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
Non incluso
•
•
•
•
•
Modello completo
si
Modalità di
semplificata
Modalità di
funzionamento
complessa
Fabbisogno complessivo per
trasmissione e ventilazione
Energia primaria
Discomfort hours (free running
model)
riscaldame
nto/raffresc
amento
•
•
•
multizona
Potenza massima sistemi attivi
outputs
•
•
•
•
no
Impianti
•
•
•
•
•
•
•
Zona singola
Modello semplificato
incluso
Energy Plus
ricerca
Trnsys
didattico
Utilizzo
Esp-r
•
Ecotect
•
Summer
PHPP-Passive
House
•
Casaclima
MC4 software
commerciale
Edilclima
La tavobella che segue mostra una analisi comparative dei diversi modelli citati
riscaldamento
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
raffrescamento
Input orario
Valori medi stagionali
basso
medio
•
alto
7
•
IL MODELLO BREA
BREA (Building Retrofitting Efficiency Assessment) è uno strumento concepito per essere
di supporto ai progettisti a valutare correttamente i potenziali benefici energetici derivanti
da opere di ristrutturazione.
Il foglio di calcolo BREA non è stato realizzato per calcolare con precisione i fabbisogni
energetici degli edifici. Al contrario, dovrebbe essere utilizzato per esaminare l’efficacia di
alcune tipici interventi orientati al risparmio energetico. L’attenzione non è rivolta
puramente al lato economico (cioè al calcolo di quanto tempo occorrerà perché
investimento si ripaghi grazie ai risparmi che produce), ma anche alla quantificazione dei
risparmi in termini energetici e di emissioni inquinanti evitate.
Nonostante il foglio di calcolo sia in grado di fornire una stima dei fabbisogni energetici,
date le caratteristiche generali dell’edificio, le trasmittanze dell’involucro e il clima della
località, la sua funzione principale è di comparare la situazione di un dato edificio prima e
dopo un intervento di ristrutturazione energetica: l’utente è libero di decidere quali azioni
simulare scegliendole da un elenco di tecnologie, come pannelli solari per acqua calda
sanitaria, isolamento del tetto, ecc. le quali sono più ampiamente descritte in apposite
schede tecniche, e il foglio di calcolo valuta l’effetto della loro applicazione con riferimento
alla situazione edilizia indicata.
Nel panorama italiano esistono già numerosi strumenti, spesso gratuiti, in grado di
calcolare il fabbisogno energetico degli edifici, inteso sia come energia utile (l’energia
dispersa dall’involucro al netto dei guadagni gratuiti) sia come energia primaria (che già
include in sé l’efficienza del sistema edificio – impianto). Essi nascono per vari scopi,
come dimostrare il rispetto dei limiti di legge o supportare la certificazione energetica degli
edifici, ma in ogni caso è consigliato calcolare una o entrambe le grandezze sopra indicate
attraverso questi strumenti, e poi usare questi dati come punto di partenza in BREA. Nel
caso l’utente non sia in grado di ottenere i fabbisogni energetici in altro modo, può usare
BREA, tenendo comunque conto che otterrà una stima meno precisa, seppure accettabile.
Figura 1: Consumo di riferimento
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1. Scheda: DATI DI BASE
Nella prima scheda occorre specificare quali sono le caratteristiche generali dell’edificio
che si esamina. Alcuni dati sono essenziali per poter condurre l’analisi, altri sono opzionali,
in quanto in assenza di queste informazioni il foglio di calcolo utilizzerà dati tipici nazionali
(questo riguarda, ad esempio, il consumo specifico di acqua e di elettricità). Dopo aver
inserito dati relativi all’edificio, alla fine della scheda sono raggruppati alcuni indici
economici, che l’utente può modificare per ottenere un’attendibile analisi costi – benefici.
A lato, un istogramma rappresenta i consumi energetici allo stato di fatto, disaggregati in:
perdite nella produzione, altre perdite di impianto, energia utile per riscaldamento e per
acqua calda sanitaria; ognuno di questi temi è influenzato da differenti strategie di
ristrutturazione energetica.
Figure 2: sheet “basic data”
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2. Scheda: TECNOLOGIE
La scheda tecnologie contiene la lista di strategie i cui effetti il foglio di calcolo può
valutare. Esse sono divise in tre temi, a seconda dell’ambito di influenza: riscaldamento,
acqua calda sanitaria, elettricità; ogni voce è affiancata dalla stima dell’investimento
richiesto, da una valutazione dei risparmi annuali, in termini economici e di energia, ed
infine da altri parametri economici, il valore attuale dei costi e dei guadagni. Questa
scheda non è modificabile: si possono solamente attivare o disattivare le singole voci, per
osservare quali effetti esse producono singolarmente ed interagendo l’una con l’altra.
L’utente può intervenire sui dati di base, con cui sono calcolati i costi, andando a
modificare un’altra scheda, chiamata “Costi”.
Figura 3: sheet “technologies”
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1
3. Scheda: RISULTATI
L’ultima delle tre schede principali presenta i risultati dell’ipotetico intervento: isogrammi
affiancati forniscono un colpo d’occhio sulla situazione attuale e quella prospettata, e
accanto si possono leggere i valori calcolati per ogni tema separatamente, come acqua,
elettricità, ecc.
Al di sotto di riporta una stima delle emissioni inquinanti evitate, valutate in funzione delle
caratteristiche delle fonti energetiche scelte.
In fondo si presentano i dati economici complessivi: l’utente può qui specificare quali dei
costi richiesti dall’intervento energetico sarebbero eventualmente già compresi in un più
generico intervento di ristrutturazione edilizia, così che essi possano essere scorporati dal
calcolo. Gli indicatori economici utilizzati sono il tempo di ritorno e il valore attuale netto
dell’investimento.
Naturalmente si ribadisce che non soltanto il lato economico debba essere studiato, ma
anche i benefici in termini di inquinamento evitato e risorse risparmiate, che comunque si
traducono in benefici economici per l’intera società.
Investimenti di
sostenibilità
Spese già incluse
nell’intervento ordinario
Costi per
intervento
ordinario
Figura 4: sheet “Results”
11
1
Il seguente diagramma di flusso mostra le relazioni fra le varie parti del programma, I dati
di input e di output.
Energy performance already
known just enter the
overall consumptions for
heat, electricity and water
Select typical representative sustainable
improvement, to verify their feasibility
(not only economical)
In result sheet, the user
can fill-up some fields with
cost reduction due to public
incentives and to parallel
maintenance works
OR
Energy performance of building estimated starting from
principal features, such as typology, U-values, climate
Costs are calculated starting from a precompiled sheet, depending on building
typology and many other factors
For each technology, a sheet
explains the specific case study
used to set up the main parameters
and calculations
Technology sheets contains non
technical descriptions and therefore
can be used also for dissemination.
Figura 5: Diagramma di flusso di BREA
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1