Misure in campo per la diagnosi energetica in estate

Il tema della diagnosi energetiche è sempre più presente nel panorama professionale nazionale. Di fondo è presente la domanda se i valori dei calcoli predittivi sono coerenti con i consumi reali. La sensibilità del professionista e la sua esperienza sono sicuramente aspetti rilevanti per la coerenza tra il progetto e il consumo. Fortunatamente molto spesso le diagnosi riguardano edifici esistenti molto energivori per il servizio prevalente di riscaldamento H. In questi casi si evidenzia l’importanza di ridurre il più possibile l’incertezza dei dati in ingresso in relazione al modello di calcolo, tenuto conto dei contributi principali del bilancio e della loro incidenza nella valutazione complessiva del fabbisogno.

Il grafico 1 descrive il fabbisogno energetico di un piano tipo di un edificio residenziale esistente con impianto tradizionale e con una superficie vetrata pari a circa il 16% di quella calpestabile.

Figura 1: fabbisogno energetico mensile di un piano tipo di un edifici esistente

Come si evince dal grafico i contributi che hanno maggiore peso nel calcolo sono le perdite per trasmissione e le perdite dell’impianto. Ciò comporta che nella raccolta dati è necessario essere particolarmente attenti alla rappresentatività di questi due contributi affinando i dati ingresso.

Se per esempio si commette un errore di valutazione del 50% rispetto alle perdite per trasmissione, il valore di fabbisogno energetico avrà uno scostamento prossimo al 30% del risultato corretto.

Diversamente, un errore del 50% sui guadagni solari, comporta un scostamento del 3% rispetto al risultato corretto.

L’idea di fondo è che con pochi dati in ingresso iniziali corretti riguardanti: la geometria dell’edificio (volume climatizzato, superfici disperdenti), il rapporto componente vetrata/opaca, la destinazione d’uso e l’epoca di costruzione, sia possibile individuare rapidamente il bilancio energetico computando correttamente il peso dei contributi e l’eventuale necessità di affinamento dei dati, con lo scopo principale di validare il modello di calcolo per mezzo del confronto con dati di consumo reale.

Le perdite per trasmissione sono, negli edifici esistenti, estremamente rilevanti e dipendono da geometria e caratteristiche di trasmittanza termica e ponti termici. Le misure in campo, pur non paragonabili a quelle di laboratorio ovviamente, possono essere un valido ausilio alla riduzione dell’errore. L’approccio generale è “meglio pochi dati di controllo il più possibile governabili che tantissimi input imprecisi”. L’uso delle misura della trasmittanza termica in opera, delle indagini termografiche passive e degli spessimetri durante la stagione invernale è indubbiamente utile. Il problema è che spesso ci si trova ad operare al di fuori della stagione di riscaldamento. Si è quindi ragionato sulla possibilità di usare la strumentazione di misura in questo periodo.

Idea di fondo

L’idea generale è che l’irraggiamento solare è una forzante energetica di elevata potenzialità, che impatta sulle superfici disperdenti in ogni stagione dell’anno con conseguenze misurabili in termini di temperatura e flusso energetico presenti nelle strutture. E’ necessario ricordare, inoltre, che nella maggior parte degli edifici residenziali oggetto di diagnosi energetica la struttura di parete oggetto di studio non è caratterizzata da valori di sfasamento e attenuazioni particolarmente elevati.

Prendiamo ad esempio una parete in laterizio alveolato da 30 cm caratterizzata da una trasmittanza termica U = 1.02 W/m²K, trasmittanza termica periodica Y_ie = 0.39 W/m²K, sfasamento temporale 9 h 1’ e attenuazione al 34%.

Figura 2: parete esempio in laterizio alveolato.

L’energia solare che impatta sulla superficie esterna surriscalda la stessa e genera un flusso di calore che in parte viene assorbito dalla struttura e in parte va a innalzare la temperatura interna superficiale della stessa. Con la strumentazione di misura si può monitorare il flusso energetico entrante e la temperatura superficiale e dell’aria interna ed esterna controllando il tutto con anche la termo camera. Tutto ciò è misurabile con la stessa strumentazione che si impiega per il comportamento invernale.

Modelli predittivi in regime variabile con simulazione agli elementi finiti possono essere messi a confronto  con la misura per capire se le ipotesi fatte sono coerenti con quanto misurato.

Analisi dinamica predittiva della parete

Anit ha sviluppato all’interno del software PAN una parte dedicata alla simulazione agli elementi finiti. Questa parte è nata per due motivi principali: poter valutare il comportamento dei materiali PCM (a cambiamento di fase) e poter studiare l’impatto dell’isolamento termico e dei cool roof in termini di efficacia estiva.

L’analisi simula l’effetto della sollecitazione climatica esterna attraverso la struttura e per procedere al calcolo le operazioni da eseguire sono:

–          impostare le condizioni climatiche esterne ipotizzando un’oscillazione termica tra un valore massimo e minimo a piacere (1);

–          impostare le condizioni climatiche interne ipotizzando un’oscillazione termica tra un valore massimo e minimo a piacere (2);

Sviluppata la simulazione (3) per 24 ore è possibile analizzare i risultati riportati in forma grafica (4) e analizzare i risultati riportati in forma numerica e (5).

Figura 3: simulazione agli elementi finiti di una parete isolata dall’interno con software PAN

L’analisi basata sulla modellazione matematica della trasmissione del calore, influenzata dalla posizione degli strati e dalle caratteristiche di conduttività termica, spessore, calore specifico e densità, restituisce come risultato  il valore dell’energia che attraversa la struttura in 24 ore in relazione alle condizioni al contorno ipotizzate. Questo dato è indicato nel software come “Energia interna” in [kJ/m²giorno]. Sono valori che si possono anche misurare in opera. La strumentazione di misura infatti monitora nel tempo la temperatura superficiale delle strutture e il flusso termico entrante/uscente.

Cosa si misura?

Stabilito che predittivamente è possibile valutare l’energia entrante/uscente di una struttura e le oscillazioni di temperatura superficiale interne ed esterne, cosa è necessario misurare in campo?

Figura 4: misura in opera di temperatura superficiale e di flusso termico

I dati da misura per singola struttura sono (almeno): temperatura superficiale esterna [°C], temperatura superficiale interna [°C] e flusso termico interno [W/m²].

Si posiziona la strumentazione di misura su una parete con elevato irraggiamento solare, possibilmente a sud, sud-est, sud-ovest.

La rielaborazione dati porta a valutare il valore di sfasamento temporale della struttura e la quantità di energia entrante durante l’intera sessione di misura espressa in [kJ/m²giorno]. Le due informazioni possono essere messe a confronto con il calcolo predittivo. Lo sfasamento temporale è indipendente dalle condizioni al contorno del calcolo predittivo, mentre l’energia entrante è da valutarsi ripetendo il calcolo predittivo in accordo con le condizioni al contorno misurate.

Esempio di valutazione

In occasione di un intervento di diagnosi energetica si è proceduto a valutare la trasmittanza termica di una struttura di parete al di fuori della stagione di riscaldamento. Le misure sono state condotte in aprile. La figura 5 mostra il posizionamento interno della strumentazione di misura: piastra termoflussimetrica e sonde di temperatura superficiale interna.

Figura 5: foto di posa della strumentazione dall’interno

La figura 6 mostra l’andamento durante una giornata tipo con oscillazione di temperatura superficiale esterna, interna e del flusso termico. La temperatura esterna arriva a toccare quasi i 40 °C e di notte scende a 13 °C. Sulla superficie interna oscilla intorno ai 20 °C. Il flusso termico in W/m² è negativo quando l’energia entra e positivo quando esce. Il flusso termico ha un comportamento da leggersi in relazione alla sollecitazione esterna. Il picco di flusso interno ha infatti un ritardo temporale rispetto al picco di temperatura esterna che dipende dalla capacità inerziale della struttura oggetto di indagine.

Figura 6: misure istantanee del 23 aprile 2015, flusso e temperatura

Dalla misura si ricavano la temperatura minima esterna (13 °C), la temperatura massima esterna (38 °C), la temperatura minima interna (17 °C), la temperatura massima interna (24 C), lo sfasamento temporale (3h) e la quantità di energia entrante durante le 24 ore considerata in relazione alle condizioni di temperatura misurate (443 kJ/m²).

La tabella 1 riassume i risultati delle simulazioni agli elementi finiti condotte su diverse strutture con i dati al contorno misurati (temperature superficiali). L’energia entrante calcolata è confrontata con quella misurata in campo.

Tabella 1: risultati simulazioni agli elementi finiti di 8 strutture

La struttura calcolata più coerente con i dati misurati è la struttura 1; ha infatti una quantità di energia entrante e uno sfasamento termico comparabile con quelli misurati. La struttura 1 è costituita da un doppio tavolato in mattoni forati, con un’intercapedine d’aria e con un valore di trasmittanza 1,10 [W/m²K]. Come si evince dalla tabella, la struttura non è sicuramente costituita da cemento armato che consente un maggiore ingresso di energia, nè sono presenti pannelli di isolamento termico che ridurrebbero drasticamente l’ingresso di energia. Le informazioni che si ricavano quindi dalla misura sono estremamente preziose poiché, se ben lette, possono confermare o screditare ipotesi prive di basi quantitative.

Criticità

Come in tutte le misure condotte in campo, sono presenti delle criticità. Se ne indicano alcune macroscopiche: l’errore di misura della strumentazione stessa, il diverso valore di assorbimento solare del rivestimento delle sonde di temperatura esterna e di quello della struttura, i moti convettivi e radiativi interni ed esterni che possono influenzare il dato di flusso e di temperatura, la presenza di umidità che altera i risultati misurati rispetto a quelli calcolati.

Un’ulteriore criticità formale è l’assenza di normativa dedicata di riferimento. Scopo dell’articolo è comunque di rivolgersi a professionisti che sono alla ricerca di informazioni più dettagliate e che vogliono potenziare la raccolta dati. 

Conclusioni

La misura in estate consente quindi di individuare sulla base dei valori di energia entrante e dello sfasamento termico la tipologia di struttura caratterizzata da una trasmittanza calcolata su base analitica.

Le misure che restituiscono un dato di partenza più sicuro non sono solo rilevanti al fine di migliorare le informazioni in ingresso in fase di diagnosi, ma sono anche estremamente utili ai fini della correttezza della valutazione di beneficio futuro. Conoscendo con un ridotto margine di errore il valore di partenza delle trasmittanze delle strutture, le proposte di isolamento termico con materiali con conduttività termica dichiarata, posati correttamente, daranno i risultati promessi di riduzione delle dispersioni.

Attenzione quindi alla proposta di isolamento termico, che deve essere realizzata tenendo conto della correttezza sostanziale delle dichiarazioni dei produttori, ovvero seguendo indicazioni che riportino marcatura CE, ETA e prove di laboratorio non solo in accordo con la normativa nazionale ed europea ma anche rappresentative statisticamente di quanto si trova in opera (vedi norma UNI EN 10456 per i materiali isolanti e UNI EN 1745 per malte e intonaci isolanti e UNI 16012 per isolani riflettenti, ecc..). Poter impiegare strumentazione di misura sulle strutture opache anche al di fuori della stagione di riscaldamento comporta ampliare le possibilità di indagini durante tutto l’anno, rendendo più ingegneristici i risultati che si raggiungono e più ammortizzabile l’uso della strumentazione.

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Bibliografia

[1] A. Panzeri, Diagnosi energetica, non carta ma sostanza. Neo Eubios 50. Ed. da TEP srl, Dicembre 2014

[2] R. Esposti, G. Galbusera, A. Panzeri e C. Salani, Muffa, condensa e ponti termici. Volume 4, collana: l’isolamento termico e acustico. 2a Ed. da Tep srl, Gennaio 2014

[3] A.A.V.V. La misura della trasmittanza in opera. Collana Manuali ANIT, Ottobre 2013

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*Nota sull’autore

Esperto di risparmio energetico e termoigrometria, Alessandro Panzeri, Ingegnere, è in ANIT (Associazione per l’isolamento termico e acustico) dal 2004 dove è referente per lo studio sui materiali isolanti e la strumentazione di misura per la ricerca in campo. E’ relatore a convegni e seminari di approfondimento in tutta Italia.

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