Studio del comportamento estivo al variare delle soluzioni tecniche adottate

Quanto sono efficienti gli edifici NZEB (Near Zero Emission Buildings)?

Nella cornice della convenzione di ricerca stipulata fra Assobeton e il Dipartimento di Scienze dell’Ingegneria Civile e Architettura del Politecnico di Bari, un nuovo studio realizzato sotto la responsabilità dell’ingegnere Pietro Stefanizzi ha analizzato il comportamento estivo di edifici di nuova costruzione secondo lo standard energetico NZEB.

Edifici NZEB e comportamento estivo: le condizioni dello studio

Lo studio ha verificato mediante simulazioni dinamiche il comportamento estivo di edifici NZEB nuovi e riqualificati, e nello specifico l’utilità del requisito minimo sulla capacità areica interna(di seguito CIP) introdotto dal DM 24.12.2015 (denominato CAM).

La verifica è stata condotta su quattro tipologie edilizie, al variare delle stratigrafie sotto descritte:

1. residenziale bifamiliare;
2. singolo appartamento;
3. ufficio;
4. scuola.

Le tipologie di chiusure verticali opache oggetto di simulazione dinamica sono invece state:

1. M1.1 - Muratura in laterizio porizzato con cappotto esterno in EPS
2. M1.22 - Doppia parete in laterizio con isolante fibroso minerale in intercapedine
3. M1.3 - Muratura monostrato in calcestruzzo aerato autoclavato (AAC)

La verifica del benessere estivo ha tenuto in considerazione i seguenti parametri:

1. Inerzia termica: sfasamento-attenuazione, trasmittanza termica periodica;
2. Capacità areica interna (CIP) periodica: è stata verificata l’utilità di raggiungere il limite proposto nei CAM di 40 kJ/m2K o le implicazioni in termini di discomfort (nel caso di assenza dell’impianto di climatizzazione) o di maggiori consumi energetici (nel caso di presenza dell’impianto).

Il confronto delle soluzioni è stato condotto con software di simulazione dinamica del comportamento invernale ed estivo di un edificio/unità immobiliare, nello specifico il software WUFI Plus, scelto per la modellazione accurata dello scambio di umidità attraverso l’involucro e la sua interazione con il flusso termico.

La scelta di indagare l’incidenza della CIP sul comportamento estivo simulando edifici completi e in quanto tali complessi è dovuta alla necessità di indagare anche il peso relativo tra le diverse variabili in gioco, quali carichi esterni e sistemi di ombreggiamento.

Tipologie edilizie

Come anticipato, la verifica è stata condotta su quattro tipologie edilizie: residenziale bifamiliare (A), singolo appartamento in condominio (B), ufficio (C), scuola (D).

Per ciascun edificio è stata realizzata un’analisi della prestazione termo-energetica con il software Termolog EpiX8 al fine di individuarne l’effettiva classificazione dell’involucro a livello NZEB.

Successivamente sono state condotte le simulazioni dinamiche.

Zone climatiche

Gli edifici analizzati sono stati ambientati a Bari, località ricadente nella zona climatica C, e a Milano, zona climatica E.

L’analisi con WUFI-PLUS, considerando anche la distribuzione di umidità - nell’aria e nell’involucro - richiede dei file climatici orari completi dell’informazione sull’intensità di pioggia nelle località analizzate.

Apporti interni

La scelta di diverse tipologie edilizie ha la finalità di verificare il comportamento estivo di edifici con diverse tipologie di apporti interni.

È stato utilizzato un profilo convenzionale degli apporti interni così come definito nella norma UNI TS 11300-1:2014. La norma fornisce valori tipici degli apporti interni medi per diverse destinazioni d’uso, applicabili sia in condizioni invernali che estive.

Per gli edifici A e B (residenziali) si è fatto riferimento al prospetto 14 della UNI TS 11300-1 per quanto riguarda la produzione oraria di calore da occupanti e apparecchiature. L’apporto di vapore d’acqua è stato definito in modo da avere un totale di 250 g/h (come previsto dalla norma per edifici di categoria E.1-1 e E.1-2).

Per l’edificio C (uffici) si è fatto riferimento al prospetto 15 della UNI TS 11300-1 e al prospetto E.3 per la produzione di vapore acqueo.

Per l’edificio D (scuola) si è fatto riferimento al prospetto E.3 della UNI TS 11300-1.

Ventilazione e ricambi d’aria

La ventilazione è stata ipotizzata naturale, con i tassi riportati in tabella 1.

Strutture trasparenti

Per le finestre sono state adottate due tipologie di vetratura.

Un vetro doppio con aria, con una lastra basso-emissiva per la zona climatica C (Ug = 1,68 W/(m2K)) e un vetro triplo con aria, con una lastra basso-emissiva per la zona climatica E (Ug = 1,32 W/(m2K)).

Nell’edificio C (Uffici) e nell’edificio D (Scuola) le vetrate sono: doppio vetro con aria, con lastra interna basso-emissiva e lastra esterna a riflessione solare (Ug = 1,63 W/(m2K)), in zona C (Bari); triplo vetro con argon, con lastra interna basso-emissiva e lastra più esterna a riflessione solare (Ug = 0,81 W/(m2K)), in zona E (Milano).

Chiusure opache (muri esterni): tipologie e caratteristiche a confronto

Le chiusure opache esterne costituenti l’involucro degli edifici NZEB analizzati sono riportate di seguito.

Per la parete monostrato in calcestruzzo aerato autoclavato (AAC) è stato scelto uno spessore commerciale minimo attualmente in uso nel mercato Italiano di riferimento, con spessore sostanzialmente equivalente alle soluzioni in muratura tradizionale. Le proprietà termofisiche stazionarie e dinamiche sono state calcolate con il software PAN (ver. 7.0.2.1) di ANIT sviluppato da TEP SRL.

Caratteristiche chiusure opache per Zona climatica C (Bari)

Nella immagine qui sotto sono indicate le proprietà termofisiche delle pareti di involucro esterno opaco utilizzate nella zona climatica C (Bari):

Caratteristiche chiusure opache per Zona climatica E (Milano)

Nella immagine qui sotto sono indicate le proprietà termofisiche delle pareti di involucro esterno opaco utilizzate nella zona climatica E (Milano):

Fabbisogno energetico invernale ed estivo degli Edifici

Il calcolo del fabbisogno energetico per climatizzazione (riscaldamento invernale e raffrescamento estivo) degli edifici è stato condotto con una simulazione oraria dell’involucro edilizio con il software WUFI Plus, considerando un periodo di 6 anni al fine di raggiungere un regime termo-igrometrico stabilizzato delle pareti.

I dati relativi al sesto anno sono stati utilizzati per determinare i fabbisogni per riscaldamento sensibile, raffrescamento sensibile, umidificazione e deumidificazione.

Nelle stesse ore in cui è attivo l’impianto di raffrescamento, si considera attivo un impianto per il controllo dell’umidità relativa. Esso interviene a umidificare l’aria per garantirne un’umidità relativa minima di 45% e a deumidificarla quando necessario per mantenere un’umidità relativa inferiore o uguale a 55%UR.

In totale sono stati considerati 24 scenari (4 edifici in 2 zone climatiche con 3 tipologie di parete esterna). I risultati per l’edificio A sono riepilogati in tabella 5.

Il massimo scostamento percentuale del fabbisogno totale per raffrescamento, rispetto all’involucro con parete M1.3 (in calcestruzzo aerato autoclavato) è stato registrato per la parete M1.1 (laterizio + cappotto esterno), nell’edificio A collocato a Bari (-2,6%). Da osservare che nella stagione di riscaldamento per lo stesso edificio con parete M1.1 si ha un incremento del fabbisogno per climatizzazione pari a circa 313,01 kWh/anno.

Considerando il bilancio energetico annuale, le pareti tradizionali in laterizio, pur caratterizzate da una Cip maggiore di 40 kJ/m2K, implicano un maggior costo annuo di climatizzazione inferiore a 15 € in entrambe le zone climatiche.

Potenza di picco in riscaldamento e in raffrescamento per l’edificio A

Si è poi valutata la potenza di picco (sensibile) di riscaldamento e di raffrescamento per l’edificio A, parametro importante per la scelta progettuale del climatizzatore e potenzialmente influenzabile dall’inerzia termica della struttura edilizia.

In figura 6 si confrontano le prestazioni delle due pareti in laterizio rispetto alla parete in calcestruzzo aerato autoclavato.

La parete M1.1C- caratterizzata da una CIP di 44,4 kJ/m2 K - fa registrare un incremento significativo della potenza di picco in riscaldamento, pari a ben 7,6% rispetto alla parete M1.3C (calcestruzzo aerato autoclavato) con minore CIP.

Una interessante informazione si può avere dall’analisi della correlazione tra potenza di picco in raffrescamento e capacità termica interna periodica della parete, mostrata qui di seguito:

Si nota un valore di potenza di picco in raffrescamento praticamente costante, a fronte di un aumento del 7,6% della potenza di picco in riscaldamento passando dalla parete M1.3C alla parete M1.1C di capacità termica circa doppia.

Conclusioni dello studio sulle chiusure verticali opache per nuove costruzioni

La conclusione dello studio è che la prescrizione contenuta nel DM 11.10.2017 (CAM) sulla CIP della parete opaca esterna, non è giustificabile per edifici di nuova costruzione di livello energetico “NZEB”, oltre a non incidere minimamente sul benessere estivo di edifici con ampie superfici vetrate.

I limiti prestazionali definiti nel DM Requisiti Minimi per gli edifici NZEB sono sufficienti ad assicurare condizioni in opera di elevata efficienza energetica dell’involucro edilizio e comfort termo-igrometrico del sistema edificio-impianto, sia per edifici di nuova costruzione che per edifici esistenti.

La valutazione delle potenze di picco degli impianti evidenzia come non ci siano differenze significative nella stagione di raffrescamento, a fronte di un incremento delle potenze di picco per le soluzioni di parete a maggiore valore di CIP. L’analisi del comfort in assenza di impianto dimostra come le variazioni della temperatura operante interna tra le diverse tipologie di pareti nel giorno più caldo, si attestano su differenze di meno di mezzo grado.

Alla luce dei risultati ottenuti con l’analisi dinamica (oraria) del comportamento termo-igrometrico si traggono le conclusioni seguenti:

● La capacità termica areica interna periodica non determina l’effettivo comportamento dinamico in opera dell’involucro edilizio. Involucri con bassa capacità termica areica interna presentano prestazioni, in termini di fabbisogno per climatizzazione e di comfort termo-igrometrico, equivalenti se non superiori, a quelle di involucri di più elevata capacità areica interna periodica;

● Un’attenta progettazione dei sistemi schermanti (fissi/mobili) può assicurare condizioni estive di comfort ottimali, stante la loro sensibile influenza sulla temperatura operante interna sopra evidenziata;

● La prescrizione contenuta nel DM 11.10.2017 (CAM) sulla capacità termica periodica interna della parete opaca esterna, non è giustificabile. I limiti prestazionali definiti nel DM 26.06.2015 Requisiti Minimi per gli edifici NZEB, sono sufficienti ad assicurare condizioni in opera di elevata efficienza energetica e comfort termo-igrometrico del sistema edificio-impianto.

Vista la finalità dei CAM di assicurare prestazioni ambientali al di sopra della media del settore, si ritiene che l’unico requisito ancora mancante nel panorama legislativo italiano che potrebbe essere inserito nei CAM è costituito dalla tenuta all’aria.

L’ermeticità dell’involucro è fondamentale per garantire la reale efficienza di edifici a energia quasi zero (gli spifferi implicano un maggiore consumo di circa 5-10 kWh/m2/an).

Tale requisito è obbligo di legge in numerosi paesi della comunità europea (Francia, Svizzera, Germania, Austria, Belgio, Inghilterra ecc.) e alcune province italiane quali Trento e Bolzano ormai già da molti anni, in quanto influenza le dispersioni energetiche (corretto bilanciamento involucro/impianto), la possibile formazione di condense interstiziali che possono compromettere il benessere e la salubrità dell’aria indoor (soprattutto in ambito riqualificazione energetica con isolamento interno di edifici esistenti), nonché incidere in modo sensibile sulla durabilità dei materiali da costruzione.