Analisi e confronto di codici di calcolo esistenti per la valutazione energetica degli edifici

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1 Analisi e confronto di codici di calcolo esistenti per la valutazione energetica degli edifici FABIO SCIURPI 1 CRISTINA CARLETTI 1 FRANCESCO ASDRUBALI 2 GIORGIO BALDINELLI CIRIAF, Centro Interuniversitario di Ricerca sull Inquinamento da Agenti Fisici -Unità operativa di Firenze, Dipartimento TAeD, Università degli Studi di Firenze 2 CIRIAF, Centro Interuniversitario di Ricerca sull Inquinamento da Agenti Fisici - Unità operativa di Perugia, Dipartimento di Ingegneria Industriale, Università degli Studi di Perugia RIASSUNTO I recenti sviluppi della legislazione e normativa tecnica di riferimento in materia di contenimento dei consumi energetici richiedono di utilizzare codici di calcolo per l analisi delle prestazioni energetiche degli edifici, i cui risultati devono essere attentamente valutati e confrontati. La conoscenza di punti di forza e punti deboli dei differenti codici di calcolo presenti sul mercato risulta fondamentale per il loro utilizzo finalizzato ad una progettazione energeticamente consapevole, volto all ottimizzazione delle prestazioni dell edificio e non a una mera verifica delle stesse a progetto concluso. Scopo della memoria è quello di presentare i risultati preliminari di una ricerca condotta dalle Università di Firenze e Perugia finalizzata alla valutazione e al confronto dei codici di calcolo più comunemente impiegati, che operano secondo differenti interfacce (input grafico/manuale dati), regimi di calcolo (stazionario/ dinamico) e che permettono la valutazione energetica dell edificio in regime invernale e/o estivo. Si è innanzitutto effettuata una ricognizione e classificazione dei più diffusi codici di calcolo; tra questi se ne sono scelti dieci e si è effettuata una simulazione del comportamento energetico nel periodo invernale di un edificio campione, ubicato in differenti località climatiche (Milano, Firenze, Roma, Bari e Palermo). I risultati presentati nella memoria evidenziano scostamenti piuttosto significativi tra i diversi codici esaminati. 1. INTRODUZIONE Sin dal 1997 il dibattito sui cambiamenti globali del clima si è focalizzato principalmente intorno al Protocollo di Kyoto che richiede ai paesi industrializzati di ridurre le loro emissioni di gas serra. L individuazione di strategie efficaci per il controllo dei cambiamenti climatici rappresenta, dunque, una delle sfide prioritarie per il mondo della ricerca impegnato sui temi della sostenibilità.

2 Analisi e confronto di codici di calcolo esistenti per la valutazione energetica degli edifici Particolarmente significativi sono i consumi energetici delle città: secondo recenti stime, metà della popolazione mondiale vive in insediamenti urbani, mentre per quanto riguarda l Italia, in un diciassettesimo del territorio nazionale si concentrano un terzo della popolazione e gran parte delle attività. In particolare, i consumi energetici del settore civile nel nostro Paese pesano per una percentuale compresa tra il 30 e il 40% a seconda delle condizioni climatiche dell anno di riferimento (ENEA, Rapporto Energia e Ambiente). A tal proposito nel 2002 il Parlamento Europeo ha adottato la Direttiva 2002/91/CE sul rendimento energetico in edilizia con l obiettivo di migliorare la prestazione energetica degli edifici nella Comunità. Questa Direttiva prevede, infatti, che ogni Stato Membro predisponga un attestato di certificazione energetica al momento della costruzione, della compravendita e della locazione di un edificio nuovo o esistente. Tale attestato deve essere sviluppato a partire dall adozione di una metodologia di calcolo del rendimento energetico degli edifici che permetta, attraverso l utilizzo di standard minimi, di valutare la prestazione energetica per diverse tipologie edilizie. Nel 2005 il Governo italiano ha recepito la suddetta Direttiva attraverso l emanazione del D.lgs. 192/2005, successivamente modificato dal D.lgs. 311/06. L Art. 6 comma 9 del citato decreto prevede, per la certificazione energetica degli edifici, anche il ricorso a procedure di calcolo semplificate che riducano gli oneri per gli utenti. In questo contesto appare oltremodo strategico poter valutare le prestazioni di differenti codici di calcolo utilizzati per l analisi delle prestazioni e del comportamento energetico degli edifici; la valutazione comparativa è operazione tutt altro che banale, considerata la grande varietà di codici di calcolo disponibili a livello commerciale, che si differenziano per regimi di calcolo considerati, per algoritmi di calcolo impiegati, per tipologia di interfaccia grafica. Al fine di valutare operativamente differenti codici di calcolo, si è definita una metodologia di analisi che consta delle seguenti fasi: classificazione dei più diffusi codici di calcolo esistenti per la valutazione energetica degli edifici; caratterizzazione dei principali codici di calcolo individuati e confronto tra le rispettive caratteristiche peculiari a mezzo di una scheda di prodotto; redazione di schede sintetiche per il confronto dei diversi codici di calcolo individuati; utilizzo dei codici di calcolo individuati per simulare il comportamento energetico di un edificio campione; confronto ed analisi dei risultati delle simulazioni condotte. La ricerca è strutturata in due parti; la prima, i cui risultati preliminari sono illustrati nella presente memoria, ha per oggetto la valutazione dei fabbisogni energetici in regime invernale; la seconda ha per oggetto la valutazione dei fabbisogni energetici in regime estivo e sarà condotta in un secondo momento. 2. CLASSIFICAZIONE DEI CODICI DI CALCOLO I codici di calcolo sono stati classificati in due livelli, sulla base del regime temporale di calcolo:

3 I livello: codici che lavorano in regime stazionario; II livello: codici che lavorano in regime dinamico. All interno di ogni livello i codici di calcolo sono stati poi a loro volta suddivisi in altre macro-categorie: in base all interfaccia, suddividendo i codici in strumenti assistiti da una interfaccia di computer grafica (input grafico) e strumenti invece senza interfaccia grafica (input di inserimento dati manuale); in base al regime di funzionamento dell impianto valutato, suddividendo i codici in strumenti che permettono la valutazione delle prestazioni energetiche dell edificio in regime invernale e quelli che analizzano il regime estivo. I codici di calcolo analizzati sono quelli più utilizzati a livello internazionale e nazionale, al fine di evidenziare sia gli elementi ricorrenti sia quelli correlati agli specifici contesti. Nelle tabelle 1 e 2 sono riportate, rispettivamente per il I e il II livello, le classificazioni degli strumenti per la valutazione energetica degli edifici più diffusi ed utilizzati nel comparto edilizio, corredate da notizie riguardanti la provenienza, il team di implementazione e possibili approfondimenti su internet, suddivisi tra codici con interfaccia CAD e non. Tabella 1 Codici di calcolo di I livello per la valutazione energetica degli edifici disponibili sul mercato nazionale ed internazionale Nome Nazione Autore Approfondimenti Codici con interfaccia CAD EC501 ITA Edilclima TerMus ITA Acca CPI win Clima ITA BM sistemi srl Termo ITA Micro Software Easy clima ITA Secos engineering srl TermoLog EpiX ITA Logical MC4 Software ITA MC4 Software Codici senza interfaccia CAD MC Impianto ITA Aermec BEES LITE ITA Cellai, Bazzini, Gai (allegato al libro - Maggioli Editore) PHPPit 2007 GER-ITA PHI-TBZ CasaClima ITA Provincia Autonoma di Bolzano BESTCLASS ITA Politecnico di Milano Docet ITA CNR/ Tecnologie della - Costruzione ENEA Stima10 ITA Idronicaline

4 Analisi e confronto di codici di calcolo esistenti per la valutazione energetica degli edifici 10 2K ITA 888 software productors Thermo_CE8 ITA Tecnobit Software calcolo ITA Cappello-De Perna legge 10 (allegato al libro - EPC libri) Klima europa ITA Evolvente NHER Software UK NHER Software for DEA UK ECMK Tabella 2 Codici di calcolo di II livello per la valutazione energetica degli edifici disponibili sul mercato nazionale ed internazionale Nome Nazione Autore Approfondimenti Codici con interfaccia CAD Ecotect UK Centre for Research in the Built Environment Design Builder ITA DesignBuilder Software Ltd. Visual DOE USA Lawrence Berkeleywww.archenergy.com National Laboratory TRNSYS USA University of Wisconsin sys/ Codici senza interfaccia CAD ENERGY PLUS USA Lawrence Berkeleyhttp://apps1.eere.energy.g National Laboratory -ov/buildings/energyplus United States Department of Energy 3. SIMULAZIONI: IPOTESI DI CALCOLO Per le simulazioni preliminari, relative ai consumi nella stagione invernale, si sono esaminati i seguenti codici di calcolo (in prevalenza si tratta di codici che lavorano in regime stazionario): MC IMPIANTO, EC501, MC4 Software, BEES LITE (il cui metodo di calcolo è basato sulle norme UNI da D. Lgs. 311/2006); PHPPit 2007 (UNI EN 13790); CasaClima e BESTCLASS (UNI EN 832); Docet (UNI EN semplificato); DESIGN BUILDER (funzioni di trasferimento); Ecotect (metodo dell ammettenza). Il confronto è stato condotto su di un semplice edificio campione scelto in modo da ridurre al minimo la complessità geometrica e fisica dell involucro e stabilendo precise condizioni al contorno, in modo da limitare al massimo la personale interpretazione dei dati mancanti da parte di chi conduce la simulazione. Alla luce di queste considerazioni, tali condizioni al contorno sono state implementate ed uniformate nel corso della ricerca stessa sulla base delle singole informazioni richieste come input dai differenti codici di calcolo utilizzati, richiedendo pertanto diverse azioni di feed-back riferite alla metodologia di indagine.

5 Le condizioni climatiche prescelte sono state quelle relative alle città di Milano, Firenze, Roma, Bari e Palermo (tab. 3). Tabella 3 Parametri climatici delle località impiegate per le simulazioni Località Zona climatica Gradi Giorno (GG) Durata convenzionale riscaldamento (giorni) Temperatura esterna minima di progetto ( C) Milano E (dal al 15.04) -5 Firenze D (dal al 15.04) 0 Roma D (dal al 15.04) 0 Bari C (dal al 31.03) 0 Palermo B (dal al 31.03) 5 L edificio campione utilizzato nelle simulazioni è un edificio ad un piano fuori terra, con rapporto S/V pari a 0,749 m -1, destinato a residenza di dimensioni e caratteri distributivo funzionali riportati in sintesi nella figura 1. Figura 1 Pianta e sezione dell edificio oggetto della simulazione energetica.

6 Analisi e confronto di codici di calcolo esistenti per la valutazione energetica degli edifici Le principali caratteristiche dell involucro sono riportate in tab. 4. Per quanto riguarda gli impianti, si è scelta una caldaia standard a tiraggio forzato della potenza nominale di 6kW e radiatori a piastra. Tabella 4 Caratteristiche dell involucro Simbolo Definizione grandezza Valore Unità di misura Schema grafico Trasmittanza pareti perimetrali 0,246 W/m 2 K (struttura pesante con isolamento in intercapedine) U 1 U 2 Trasmittanza solaio contro terra (senza vespaio) 0,378 W/m 2 K U 3 Trasmittanza solaio copertura (solaio in laterocemento con isolamento dall esterno) 0,204 W/m 2 K U g Trasmittanza vetro (vetro camera basso emissivo 4 e=0, con interposto Argon) g ort Fattore solare ortogonale delle superfici vetrate U f Trasmittanza telaio (in PVC con taglio termico e tenuta al vento) F c Fattore di ombreggiamento medio per schermature interne 1,60 W/m 2 K 0,622-2,00 W/m 2 K non sono considerati gli schermi interni Si sono effettuate due serie di simulazioni: una prima serie senza considerare i ponti termici ed una seconda serie considerando anche i ponti termici. Poiché non tutti i codici di calcolo consentono di computare in maniera accurata i ponti termici, per ragioni di spazio si ritiene interessante presentare in questa sede solo le prime simulazioni, in modo da operare un confronto complessivo tra tutti e dieci i codici esaminati. 4. RISULTATI Il confronto fra i risultati ottenuti dalle simulazioni condotte con i codici di calcolo utilizzati in termini di efficienza energetica del sistema edificio-impianto è riportato in tabella 5, nella quale sono esplicitati per ciascun software e ciascuna località climatica le dispersioni e gli apporti gratuiti (espressi in kwh/anno) nonché il fabbisogno specifico per riscaldamento relativo all involucro ed il fabbisogno di energia primaria per la climatizzazione invernale (espressi in kwh/m 2 anno).

7 Tabella 5 Risultati delle simulazioni effettuate con i diversi codici di calcolo Codice di calcolo MC IMPIANTO EC501 MC4 SOFTWARE BEES_LITE aggiorn._003 PHPP 2007it CasaClima BestClass Località climatica Dispersioni (Q L -Q Se ) (kwh/a) Apporti gratuiti (Q Si + Q I ) (kwh/a) Fabbisogno specifico involucro (Q h ) 1 (kwh/m 2 a) Fabbisogno energia primaria climatizzazione invernale (EPi) 1 (kwh/m 2 a) Milano ,18 49,61 Firenze ,93 33,87 Roma ,86 21,96 Bari ,04 17,30 Palermo ,87 8,74 Milano ,52 46,21 Firenze ,35 30,60 Roma ,05 18,47 Bari ,62 14,29 Palermo ,28 6,77 Milano ,52 41,88 Firenze ,37 24,90 Roma ,38 14,67 Bari ,71 10,10 Palermo ,40 3,67 Milano ,77 47,26 Firenze ,97 32,60 Roma ,52 20,30 Bari ,14 16,73 Palermo ,30 8,70 Milano ,00 112,40 Firenze ,00 71,50 Roma ,00 50,40 Bari ,00 59,20 Palermo ,00 26,70 Milano ,83 89,10 Firenze ,65 61,51 Roma ,21 40,40 Bari ,35 36,20 Palermo ,00 14,70 Milano ,92 76,97 Firenze ,71 47,60 Roma ,30 38,91 Bari ,97 30,17 Palermo ,37 15,90 Milano ,30 106,70

8 Analisi e confronto di codici di calcolo esistenti per la valutazione energetica degli edifici Firenze ,30 82,20 Roma ,90 59,60 Bari ,30 48,40 Palermo ,50 29,20 DesignBuilder Milano ,62 47,73 Firenze ,02 31,35 Roma ,22 21,95 Bari ,88 17,93 Palermo ,95 4,76 Ecotect Milano ,12 - Firenze ,92 - Roma ,81 - Bari ,42 - Palermo ,41-1 Calcolato sulla base della superficie utile riportata dal codice di calcolo. 2 Ecotect non calcola il fabbisogno di energia primaria per la climatizzazione Dal confronto effettuato (figure 2, 3, 4, 5 e 6), emerge come l utilizzo di differenti codici di calcolo per la stima del fabbisogno energetico degli edifici, nonostante la definizione di precise condizioni al contorno, possa portare ad un analisi e quindi ad una valutazione dell efficienza del sistema edificio-impianto differente. Nel caso per esempio del codice di calcolo PHPP 2007it, il fatto di utilizzare dati climatici di riferimento per le diverse località non in linea con quelli della norma UNI e relative modifiche ed aggiornamenti, ma riferiti al software Meteonorm, comporta notevoli variazioni (generalmente in aumento) del fabbisogno energetico. Per quello che riguarda i codici di calcolo cosiddetti semplificati (Docet, BestClass, ecc.), che cioè, pur basandosi su metodi di calcolo ben definiti e normati, prevedono un interfaccia utente e quindi un sistema di inserimento dati più semplificato ed immediato, la difficoltà di definire precise condizioni al contorno comporta un significativo scostamento dai dati medi degli altri codici di calcolo sia in termini di dispersioni, di guadagni e di rendimento degli impianti che di fabbisogni energetici, che necessariamente andranno indagati nelle fasi successive della ricerca. Anche per quello che riguarda i dati relativi alla geometria dell edificio che vengono calcolati e dedotti direttamente dal codice di calcolo in base ai dati inseriti, quali superficie lorda disperdente, volume lordo o netto riscaldato, rapporto S/V, superficie utile, i valori numerici non sono sempre simili tra i differenti software allontanandosi dal dato calcolabile manualmente, nonostante l edificio campione abbia una geometria semplice. Ciò ovviamente comporta variazioni nei risultati sia in termini di fabbisogni assoluti e specifici, che di valori limite ai fini della certificazione energetica. E corretto quindi chiedersi se sia meglio puntare verso una semplificazione del problema o verso modelli di calcolo sempre più dettagliati, nel tentativo di riuscire a prevedere il reale comportamento energetico dell edificio. Ovviamente, a seconda dell obiettivo che ci si pone, è bene individuare lo strumento più adatto, anche perché

9 maggiore è il livello di dettaglio dello strumento, maggiore sarà la competenza richiesta per il suo uso ed il tempo di analisi e, quindi, il costo della certificazione energetica dell edificio , ,83 61, ,18 38,52 34,52 37,77 39,62 47, MC IMPIANTO EC501 MC4 SOFTWARE BEES_LITE PHPP 2007 CasaClima BestClass DOCET DesignBuilder Ecotect 5.5 Fig. 2 - Confronto fra i valori del fabbisogno energetico specifico dell involucro (Q h espresso in kwh/m 2 anno) per i diversi software analizzati relativo alla località climatica di Milano , ,65 45, ,93 25,35 19,37 24,97 26,02 28, MC IMPIANTO EC501 MC4 SOFTWARE BEES_LITE PHPP 2007 CasaClima BestClass DOCET DesignBuilder Ecotect 5.5 Fig. 3 - Confronto fra i valori del fabbisogno energetico specifico dell involucro (Q h espresso in kwh/m 2 anno) per i diversi software analizzati relativo alla località climatica di Firenze.

10 Analisi e confronto di codici di calcolo esistenti per la valutazione energetica degli edifici ,86 15, ,38 13, MC IMPIANTO EC501 MC4 SOFTWARE BEES_LITE PHPP ,21 22 CasaClima BestClass 45,9 31,3 26,81 18,22 DOCET DesignBuilder Ecotect 5.5 Fig. 4 - Confronto fra i valori del fabbisogno energetico specifico dell involucro (Q h espresso in kwh/m 2 anno) per i diversi software analizzati relativo alla località climatica di Roma , ,35 24,97 21, ,04 11,62 8,71 11,14 14, MC IMPIANTO EC501 MC4 SOFTWARE BEES_LITE PHPP 2007 CasaClima BestClass DOCET DesignBuilder Ecotect 5.5 Fig. 5 - Confronto fra i valori del fabbisogno energetico specifico dell involucro (Q h espresso in kwh/m 2 anno) per i diversi software analizzati relativo alla località climatica di Bari. CONCLUSIONI I DLgs 192/05 e 311/06 di attuazione della direttiva relativa alle prestazioni energetiche degli edifici, prevedono la definizione di metodi per la certificazione energetica che minimizzino gli oneri per gli utenti, al fine di promuovere la cultura della certificazione energetica. In tale contesto, il ricorso a strumenti semplificati sembrerebbe essere la scelta più giusta. Ciò premesso, questa ricerca si è posta l obiettivo di confrontare i risultati ottenibili con alcuni dei principali codici di calcolo reperibili sul mercato che analizzano

11 l edificio sia in regime stazionario che dinamico adottando procedure semplificate oppure complesse. I codici di calcolo utilizzati nella ricerca sono stati: MC IMPIANTO, EC501, MC4 Software, BEES LITE, PHPPit 2007, CasaClima, BESTCLASS, Docet, DESIGN BUILDER ed Ecotect , , ,87 5,28 5,4 4, ,95 9,41 0 MC IMPIANTO EC501 MC4 SOFTWARE BEES_LITE PHPP 2007 CasaClima BestClass DOCET DesignBuilder Ecotect 5.5 Fig. 6 - Confronto fra i valori del fabbisogno energetico specifico dell involucro (Q h espresso in kwh/m 2 anno) per i diversi software analizzati relativo alla località climatica di Palermo. Il confronto è stato condotto riferendosi al medesimo edificio campione, scelto in modo da ridurre al minimo la complessità geometrica e fisica dell involucro. Le condizioni climatiche prescelte sono state quelle relative alle città di Milano, Firenze, Roma, Bari e Palermo. L analisi è stata attuata valutando il fabbisogno termico dell edificio con precise condizioni al contorno assegnate; i risultati mostrano scostamenti apprezzabili tra i diversi codici di calcolo esaminati e inducono ad una riflessione se sia giusto indirizzarsi verso codici di calcolo semplificati, facili da usare ma che possono introdurre errori significativi, o complessi, che riescono a dare una valutazione più accurata del comportamento energetico degli edifici ma che richiedono maggiori competenze da parte di chi li usa e tempi necessariamente più lunghi. NOMENCLATURA GG Gradi Giorno [ C] S Superficie disperdente [m 2 ] V Volume riscaldato [m 3 ] U Trasmittanza superfici opache [W/m 2 K]

12 Analisi e confronto di codici di calcolo esistenti per la valutazione energetica degli edifici U g Trasmittanza vetro [W/m 2 K] U f Trasmittanza telaio infissi [W/m 2 K] g ort Fattore solare ortogonale [-] F c Fattore di ombreggiamento medio per schermi interni [-] Q L energia scambiata per trasmissione e ventilazione [kwh/a] Q Se Contributo radiazione solare su superfici opache [kwh/a] Q Si Contributo radiazione solare su superfici trasparenti [kwh/a] Q I Contributo delle sorgenti interne [kwh/a] Q h Fabbisogno specifico involucro [kwh/m 2 a] EPi Fabbisogno energia primaria stagione invernale [kwh/m 2 a] RICONOSCIMENTI Il presente lavoro è stato sviluppato nell ambito del Progetto di ricerca FISR (Fondo Integrativo Speciale Ricerca) dal titolo GENIUS LOCI - Il ruolo del settore edilizio sul cambiamento climatico, finanziato dal Ministero dell Istruzione dell Università e della Ricerca. BIBLIOGRAFIA ENEA, Rapporto Energia e Ambiente 2007, Roma, luglio 2008; Direttiva 2002/91/CE del Parlamento europeo e del Consiglio del dicembre 2002, sul rendimento energetico nell edilizia; D.Lgs n. 311/06, Attuazione della direttiva 2002/91/CE relativa al rendimento energetico nell'edilizia.