Comportamento estivo degli edifici: capacità termica interna e raffrescamento

ANIT ha realizzato in collaborazione con il “Gruppo di Lavoro Estivo” (composto dalle aziende associate Ediltec, Fivra, Isotex, Knauf e Ytong) un approfondimento dedicato al comportamento estivo degli edifici (Fonte [3]). L’obiettivo è verificare attraverso una serie di simulazioni energetiche se il controllo della capacità termica interna periodica C_ip (considerata come parametro strategico all’interno dei CAM) è connessa al controllo dei fabbisogni di raffrescamento e al comfort estivo.

Descrizione dello studio

Gli edifici studiati appartengono alle 4 tipologie edilizie descritte nella figura A.1.

Per ogni edificio sono stati descritti i seguenti parametri:

• le caratteristiche delle strutture opache e trasparenti (pareti e serramenti) ai fini della trasmissione di calore (U);
• le caratteristiche rispetto all’irraggiamento solare (Y_ie, α, g_gl) delle strutture trasparenti e opache;
• le caratteristiche rispetto all’inerzia interna (C_ip) delle strutture opache;
• la produzione di energia interna (carichi interni – profilo orario, giorno/notte);
• la gestione delle schermature mobili dei sistemi trasparenti (g_gl+sh);
• le schermature fisse esterne (F_sh,ob);
• la gestione della ventilazione (profilo orario – giorno/notte).

Per ogni configurazione sono state condotte simulazioni in accordo con le UNI/TS 11300 in regime quasi stazionario medio mensile, con l’ausilio del software LETO distribuito da ANIT, per verificare che le configurazioni di partenza fossero conformi ai requisiti minimi del DM 26/06/15.

Sono state poi condotte simulazioni in regime dinamico orario, con il software TRNSYS, per valutare il fabbisogno di energia sensibile di un impianto di raffrescamento con temperatura di set point di 26 °C (Q_C,nd ed EP_C,nd) e la valutazione della temperatura media operante interna T_op in assenza di impianto.

Per i carichi interni e la ventilazione sono stati impiegati profili orari in accordo con la UNI/TS 11300-1 in relazione alle destinazioni d’uso dei vari edifici (residenziale, uffici, scuola).

Lo studio è costituito da tre parti, denominate Studio A, B e C. Riportiamo di seguito una sintesi dello Studio A condotto su 80 edifici di nuova costruzione con analisi degli effetti della variazione della stratigrafia esterna in termini energetici e di comfort; e una sintesi dello Studio B condotto su 48 edifici di nuova costruzione con analisi di differenti profili di utenza rispetto al controllo degli apporti solari e della ventilazione degli ambienti.

Lo studio C simula quindi interventi di isolamento su edifici esistenti con struttura in c.a. e tamponamenti di due tipologie, ma entrambe con capacità termica maggiore di 40 kJ/m²K. Su tali pareti vengono previsti  differenti interventi di riqualificazione energetica e viene valutato come questi incidano sui parametri estivi. Tale studio verrà approfondito in un articolo successivo.

Variazione delle stratigrafie di parete esterna (Studio A)

Casi analizzati

Sono state studiate 80 differenti configurazioni considerando 4 tipologie edilizie, 2 zone climatiche e 5 stratigrafie di pareti esterne. Le stratigrafie sono tutte rispettose dei limiti di legge sulla trasmittanza termica stazionaria e periodica, ma hanno differenti valori di capacità termica interna periodica C_ip.

Lo studio mostra che sia in termini energetici (variazione rispetto al fabbisogno d’involucro Q_c,nd) che di comfort (variazione della temperatura operante interna T_op) non si verificano sostanziali differenze tra i casi nonostante il variare della capacità termica interna periodica.

Tipologie di pareti esterne e risultati

È stata definita una configurazione BASE che prevede una struttura portante in c.a. e tamponamenti in laterizio con isolamento termico dall’esterno avente una capacità termica interna periodica C_ip  superiore a 40 kJ/m²K in accordo con le indicazioni dei CAM. Questa parete ha una stratigrafia denominata M1.1.

Le altre stratigrafie invece hanno tutte un valore di C_ip inferiore a 40 kJ/m²K come mostrato in Tabella A.2 e riguardano:

• 1.2 Struttura a secco
• 1.3 Blocchi in cemento cellulare
• 1.13 Blocchi cassero in legno cemento

I risultati riportati in Tabella A.1 mostrano il calcolo del fabbisogno energetico ideale di riscaldamento Q_H,nd, del fabbisogno energetico ideale di raffrescamento Q_C,nd e la verifica % del soddisfacimento delle condizioni di comfort adattivo. I risultati delle diverse configurazioni sono poi messi a confronto con il caso BASE.

Tabella A.1. Risultati ottenuti con diverse tipologie di pareti esterne. La tabella è uno stralcio della “Scheda “Edificio A – C – M.1.1” del rapporto tecnico ANIT [Fonte 3].

Codice	Stratigrafia	U	Cip	Yie	Att.	Sfas.	Amm.	α
		W/m²K	kJ/m²K	W/m²K	–	h	W/m²K	–
M.1.1.C		0,30	47	0,05	0,15	11	3,4	0,3
M.1.2.C		0,18	23	0,09	0,53	7	1,64	0,3
M.1.3.C		0,23	28	0,04	0,12	14	2,0	0,3
M.1.13.C		0,28	38	0,02	0,06	12	2,7	0,3

Tabella A.2. Tipologie di pareti considerate. Il caso M1.1 è definito come caso BASE ed è messo a confronto con le altre soluzioni. Tutte le stratigrafie rispondo ai requisiti minimi di legge per trasmittanza termica U e trasmittanza periodica Y_ie, ma differiscono per il valore di capacità termica interna periodica C_ip [Fonte 3].

Risparmio energetico

Per quanto riguarda la variazione del fabbisogno energetico di raffrescamento Q_C,nd rispetto al caso BASE, la tabella mostra che nel peggiore dei casi si riscontra un incremento di 183 kWh. In termini economici questo corrisponde a un incremento di spesa di circa 12 euro l’anno. Per la stessa configurazione, però si ottiene un risparmio invernale di 773 kWh pari a circa 65 euro.

Comfort estivo

Dalla Tabella A.1 non risultano differenze tra i casi analizzati: il comfort è garantito per il 100% delle ore simulate per ogni configurazione. Questo aspetto è approfondito nel rapporto tecnico attraverso un’analisi del comfort adattivo con grafici come quelli riportati di seguito.

Diffusione della temperatura operante

Edificio A-C con pareti M1.1 e M1.2

Figura A.2 – Grafico della temperatura operante interna media e della temperatura media giornaliera di esercizio per la configurazione BASE M1.1.C e per la variante M1.2.C dell’edificio A. In entrambi i casi i risultati della simulazione (indicati rispettivamente con i cerchi e le croci) si distribuiscono all’interno delle fasce di comfort del modello adattivo [Fonte 3].

Analisi di comfort adattivo

Edificio A-C nel periodo 15-18 giugno

Figura A.3 – Andamento della temperatura operante interna oraria al variare delle configurazioni di parete. Le linee nere più spesse definiscono i confini della fascia di comfort adattivo. Il grafico riporta i risultati di 3 giorni (dal 15 al 18 giugno) e mostra come tutte le configurazioni abbiano oscillazioni di temperatura operante molto simili garantite da trasmittanze termiche periodiche Y_ie e coefficienti di assorbimento solari α comparabili; il variare della capacità termica interna periodica C_ip delle strutture non influenza l’oscillazione [Fonte 3].

Variazione dei profili di controllo solare e di ventilazione (Studio B)

Casi analizzati

Sono state studiate 48 differenti configurazioni considerando 4 tipologie edilizie, 2 zone climatiche e 6 profili d’utenza rispetto al controllo degli apporti solari e alla gestione della ventilazione.

Per i casi analizzati si è tenuto costante il valore di trasmittanza termica stazionaria, trasmittanza periodica e capacità termica interna areica C_ip delle pareti esterne in accordo con l’indicazione dei CAM (C_ip superiore a 40 kJ/m²K).

Lo studio dimostra che il controllo della capacità termica interna areica C_ip delle strutture opache non è condizione necessaria e sufficiente per il comfort estivo. Si verificano infatti casi in cui è possibile non soddisfare le condizioni di comfort estivo sebbene le strutture opache esterne siano rispettose di un valore di C_ip maggiore di 40 kJ/m²K.

Variazione dei profili di controllo e risultati

La configurazione di BASE in questo caso, riguarda un edificio progettato per avere un comportamento estivo corretto. Si tratta di un caso con adeguati livelli di isolamento termico (legati ai valori di trasmittanza termica periodica, sfasamento e attenuazione) abbinati a una corretta progettazione delle schermature solari e alla possibilità di controllo della ventilazione naturale.

Di seguito descriviamo i risultati relativi all’edificio residenziale monofamiliare.

La distribuzione della temperatura operante per la configurazione di BASE è riportata in Figura A.4, da cui si vede come per l’intero periodo si ricade all’interno della fascia di comfort adattivo.

I casi di confronto sono pensati a partire dalla configurazione di BASE e considerando variabili sul controllo solare e la gestione di ventilazione. L’ultimo caso invece mostra la variabile in cui si cambia la capacità termica complessiva dell’edificio di BASE.

I casi analizzati sono:

• scarsa ventilazione: si simula il comportamento di un’utenza poco attenta alla necessità di utilizzare il raffrescamento notturno come strategia di comfort estivo (risultati in Figura A.5);
• elevata ventilazione notturna: la variante simula il caso in cui l’utenza riesce ad attivare forti ricambi d’aria notturni (risultati in Figura A.6);
• schermatura solare totale: la variante simula il caso estremo in cui le schermature fisse esterne davanti ai serramenti sono sempre chiuse, ovvero F_sh,ob = 0 (Figura A.7);
• assenza di schermatura solare: al contrario della variante precedente, si simula il caso estremo in cui le schermature fisse esterne dei serramenti sono sempre aperte, ovvero F_sh,ob = 1 (Figura A.8).
• edificio realizzato in legno: tutta la struttura dell’edificio è progettata in legno. La capacità termica complessiva dell’edificio passa da 25.746 kJ/K a 17.248 kJ/K (risultati in Figura A.9);

A parità di edificio, zona climatica e stratigrafia i seguenti grafici evidenziano come il controllo e la gestione dei guadagni solari e della ventilazione siano centrali per la gestione di un edificio di nuova costruzione ben isolato termicamente, in accordo con DM 26/06/2015 ovvero con adeguati valori di trasmittanza U e trasmittanza termica periodica Yie. Le varianti con gestione delle ventilazione inadeguata (M.1.E.VC) e con uso delle schermature inadeguate (M.1.E.SN) mostrano come gli ambienti analizzati tendano sempre a surriscaldarsi.

Caso di BASE

Edificio A-E-M1.1

Figura A.4 – Distribuzione della temperatura operante per il caso di BASE. I risultati sono relativi a un edificio residenziale monofamiliare in zona climatica E progettato per garantire buone prestazioni estive [Fonte 3].

Scarsa ventilazione

Edificio A-E-M1.1, ventilazione 0.3 ric/h

Figura A.5 – Distribuzione della temperatura operante nel caso di scarsa ventilazione. Considerando un ricambio orario costante di 0.3 ric/h la temperatura operante esce dalla fascia di comfort. La gestione della ventilazione è strategica.

Elevata ventilazione notturna

Edificio A-E-M.1.1 ventilazione 0.3-7.5 ric/h

Figura A.6 – Distribuzione della temperatura operante per il caso con elevata ventilazione notturna. Rispetto al caso di BASE si registra un forte abbassamento delle temperature operanti.  Il valore dei ricambi orari considerati varia tra il giorno e notte da 0.5 a 7.5 ric/h [Fonte 3].

Schermatura solare totale

Edificio A-E-M1.1 con F_sh,ob = 0

Figura A.7 – Distribuzione della temperatura operante nel caso di schermature fisse esterne sempre chiuse. Si ipotizza quindi una gestione estrema delle schermature solari in estate, con chiusura permanente dei sistemi oscuranti. Con questa configurazione la temperatura operante si mantiene nella fascia di comfort [Fonte 3].

Assenza di schermatura solare

Edificio A-E-M1.1 con F_sh,ob = 1

Figura A.8 – Distribuzione della temperatura operante nel caso di schermature fisse esterne sempre aperte. Si ipotizza quindi una pessima gestione delle schermature solari in estate con conseguente uscita della temperatura operante dalla fascia di comfort [Fonte 3].

Edificio in legno

Edificio A-E-M1.5

Figura A.9 – Distribuzione della temperatura operante per un edificio in legno progettato dal punto di vista estivo. Il caso parte da un’ipotesi sull’involucro in cui si abbandonano le strutture del caso BASE (edificio in c.a e tamponamento M.1.1) a favore di una struttura in legno con stratigrafie leggera. Nonostante la perdita di capacità termica complessiva dell’edificio (che passa da 25.746 a 17.248 kJ/K) si vede dal grafico il mantenimento delle condizioni di comfort [Fonte 3].

La variante con caso di schermatura totale (fig A.7) rientra nelle condizioni di comfort termico estivo, ma porterebbe a non rispettare il benessere ottico luminoso. Quest’ultima considerazione ricorda che la progettazione energetica non esaurisce le tematiche progettuali presenti.

L’effetto della schermatura è ben evidenziato dal fatto che la simulazione base (fig A.4) è compresa tra un comportamento di schermatura completa più “fresco” (fig  A.7) o da uno più “caldo” in caso di assenza di schermatura (fig  A.8).

L’effetto della ventilazione si può leggere alla stessa maniera: poca ventilazione o nulla (fig A.5) comporta surriscaldamento, elevati ricambi orari (fig A.6) comportano riduzione delle temperatura operante. L’edificio è stato progettato con numeri di ricambi orari che si posizionano tra i due estremi descritti, e quindi il risultato è in una posizione intermedia tra le due.

Conclusioni

L’analisi del comportamento estivo degli immobili è molto complesso e una buona prestazione non può dipendere da un singolo parametro che possa vincolare le scelte progettuali.

La progettazione di un edificio con un buon comportamento energetico estivo passa dal governo dei diversi contributi:

• adeguato livello di isolamento termico delle strutture opache (trasmittanza termica periodica) ai fini della riduzione dell’energia solare entrante;
• adeguata capacità delle parti trasparenti di evitare l’ingresso di energia solare per mezzo della parte vetrata, delle schermature mobili e di quelle fisse;
• adeguata progettazione della possibilità di impiegare la ventilazione/aerazione ai fini della dissipazione dell’energia termica prodotta o accumulata;
• corretta gestione dei carichi interni;
• corretta valutazione della capacità termica complessiva dell’ambiente interno in relazioni ai contributi descritti.

Le analisi condotte in diverse zone climatiche su quattro distinte tipologie di edificio con destinazioni d’uso residenziali, d’ufficio e scolastiche mostrano in termini di fabbisogno e di comfort che non vi sono differenze sostanziali di risultati dipendenti dalla capacità termica interna periodica delle singole strutture opache esterne.

Le analisi mostrano che è possibile progettare un edificio che ha un buon comportamento estivo dal punto di vista energetico e dal punto di vista di comfort, con diverse tipologie di pareti esterne purché si rispettino gli attuali requisiti minimi di involucro del DM 26/06/15.

articolo di Valeria Erba, Presidente ANIT e Alessandro Panzeri, Esperto ANIT
si ringraziano Alessandra Mesa e Margherita Mor per la realizzazione dello Studio.