TITLE THESIS: Modellazione energetica degli edifici: confronto tra approcci stazionari e dinamici per la valutazione delle prestazioni
AUTHOR: Ing. Giammarco Minotti
TUTOR: Prof.ssa Paola Ronca
MASTER: Master in “Sustainability and Energy Management in construction works”
Il presente elaborato analizza e confronta due differenti approcci alla modellazione energetica degli edifici: il metodo stazionario mensile, adottato ai fini delle verifiche normative secondo UNI/TS 11300 (derivata metodologicamente dalla UNI EN ISO 13790), e il metodo dinamico orario previsto dalla UNI EN ISO 52016-1.
Il caso studio oggetto dell’analisi è un edificio residenziale pluripiano costituito da appartamenti serviti da impianti autonomi a pompa di calore elettrica, con produzione di acqua calda sanitaria e impianto fotovoltaico dedicato a ciascuna unità immobiliare. La modellazione è stata sviluppata mediante il software Edilclima EC700 per l’analisi energetica dell’involucro e degli impianti, mentre i ponti termici sono stati determinati con Edilclima EC709 tramite modellazione agli elementi finiti (FEM).
L’elaborato si articola in tre fasi principali:
- Modellazione geometrica e impiantistica dell’edificio in regime stazionario;
- Attivazione del calcolo dinamico orario secondo UNI EN ISO 52016-1;
- Confronto quantitativo tra i risultati ottenuti con i due approcci.
Nel calcolo stazionario, il fabbisogno energetico viene determinato su base mensile, considerando bilanci medi tra dispersioni e apporti (interni e solari), mediati attraverso fattori di utilizzazione. Tale metodologia rappresenta attualmente lo standard normativo per le verifiche di legge (relazione tecnica ex Legge 10, APE, AQE).
Il modello consente di determinare:
- dispersioni per trasmissione e ventilazione;
- apporti solari e interni;
- energia utile per il riscaldamento;
- energia primaria richiesta dagli impianti;
- emissioni di CO₂.
Figura 1 – Indici di prestazione energetica per i servizi dell’edificio
I risultati (Figura 1) evidenziano un comportamento coerente con la tipologia edilizia analizzata, caratterizzata da impianti autonomi elettrici e da un rilevante contributo del fotovoltaico.
Attivando la modalità per diagnosi energetica in EC700 è stato possibile eseguire il calcolo orario secondo UNI EN ISO 52016-1. Questo approccio considera l’evoluzione temporale dei fenomeni termici con passo orario, tenendo conto di:
- variazioni climatiche istantanee;
- inerzia termica dell’involucro;
- profili di irraggiamento solare;
- risposta dinamica dell’impianto.
Figura 2 – Ore di funzionamento mensili dell’impianto di riscaldamento
Per ogni zona analizzata sono stati estratti i profili orari annuali relativi a:
- irradiazione solare globale;
- temperatura esterna;
- temperatura interna operativa;
- carico richiesto all’impianto;
- ore di funzionamento e grado di parzializzazione (Figura 2).
Il confronto è stato effettuato su tre appartamenti rappresentativi (piano terra, piano intermedio, ultimo piano) al fine di valutare l’influenza della posizione geometrica.
Figura 3 – Potenza richiesta per l’interno 37 nel mese di dicembre
Poiché il software non consente un confronto diretto tra carichi stazionari e dinamici, i dati orari sono stati rielaborati mediante fogli di calcolo, ricavando medie giornaliere e mensili confrontabili con i risultati mensili del calcolo secondo UNI/TS 11300.
Dall’analisi dei 18 grafici ottenuti (di cui un esempio in Figura 3) emerge che:
- il modello dinamico restituisce andamenti più articolati e picchi più contenuti rispetto al modello stazionario;
- il metodo mensile tende a fornire valori più cautelativi nei mesi più rigidi;
- la modellazione dinamica consente una valutazione più realistica del funzionamento impiantistico, in particolare per sistemi a pompa di calore modulanti;
- Le differenze risultano particolarmente significative nei mesi di mezza stagione, dove l’interazione tra apporti solari e inerzia termica è più evidente.
Il lavoro evidenzia come la modellazione stazionaria, pur costituendo lo standard normativo di riferimento, rappresenti una semplificazione del comportamento reale dell’edificio. La modellazione dinamica oraria consente invece una descrizione più accurata dei fenomeni termici e del funzionamento impiantistico, risultando particolarmente utile in fase di progettazione e ottimizzazione energetica.
Tuttavia, l’approccio dinamico richiede maggiore consapevolezza nella definizione dei parametri e nella lettura critica dei risultati pertanto, si sottolinea l’importanza, per il progettista HVAC, di conoscere entrambi gli strumenti, utilizzandoli in modo coerente rispetto agli obiettivi dell’analisi: verifica normativa, diagnosi energetica o dimensionamento impiantistico.
FOR INTERNATIONAL STUDENTS
This thesis analyzes and compares two different approaches to building energy modeling: the monthly steady‑state method, adopted for regulatory compliance according to UNI/TS 11300 (methodologically derived from UNI EN ISO 13790), and the hourly dynamic method defined by UNI EN ISO 52016-1.
The case study examined is a multi‑storey residential building composed of apartments served by independent electric heat pump systems, with domestic hot water production and a photovoltaic system dedicated to each housing unit. The modeling was developed using the Edilclima EC700 software for the energy analysis of the building envelope and systems, while thermal bridges were determined with Edilclima EC709 through finite element modeling (FEM).
The work is structured in three main phases:
- Geometric and system modeling of the building under steady-state conditions;
- Activation of the hourly dynamic calculation according to UNI EN ISO 52016-1;
- Quantitative comparison between the results obtained with the two approaches.
In the steady‑state calculation, the energy demand is determined on a monthly basis, considering average balances between losses and gains (internal and solar), mediated through utilization factors. This methodology currently represents the regulatory standard for legal compliance checks (technical report pursuant to Italian ex Law 10, EPC, AQE).
The model makes it possible to determine:
- heat losses by transmission and ventilation;
- solar and internal gains;
- useful energy for heating;
- primary energy required by the systems;
- CO₂ emissions.
Figure 1 – Energy performance indicators for the building services
The results (Figure 1) show behavior consistent with the analyzed building type, characterized by autonomous electric systems and a significant contribution from photovoltaics.
By activating the energy diagnosis mode in EC700, it was possible to perform the hourly calculation according to UNI EN ISO 52016-1. This approach considers the temporal evolution of thermal phenomena with an hourly time step, taking into account:
- instantaneous climatic variations;
- thermal inertia of the building envelope;
- solar irradiation profiles;
- dynamic response of the system.
Figure 2 – Monthly operating hours of the heating system
For each analyzed zone, annual hourly profiles were extracted relating to:
- global solar irradiation;
- outdoor temperature;
- indoor operative temperature;
- load required by the system;
- operating hours and degree of part‑load operation (Figure 2).
The comparison was carried out on three representative apartments (ground floor, intermediate floor, top floor) to evaluate the influence of the geometric position.
Figure 3 – Required power for Interior 37 in the month of December
Since the software does not allow a direct comparison between steady‑state and dynamic loads, the hourly data were reprocessed using spreadsheets, obtaining daily and monthly averages comparable with the monthly results of the calculation according to UNI/TS 11300.
From the analysis of the 18 graphs obtained (one example shown in Figure 3) it emerges that:
- the dynamic model returns more articulated trends and lower peaks compared to the steady‑state model;
- the monthly method tends to provide more conservative values during the coldest months;
- dynamic modeling allows a more realistic evaluation of system operation, particularly for modulating heat pump systems;
- The differences are particularly significant during the mid‑season months, when the interaction between solar gains and thermal inertia becomes more evident.
The work highlights how steady‑state modeling, although representing the current regulatory standard, constitutes a simplification of the real behavior of the building. Hourly dynamic modeling instead allows a more accurate description of thermal phenomena and system operation, proving particularly useful during the design and energy optimization phases.
However, the dynamic approach requires greater awareness in defining parameters and in the critical interpretation of results. Therefore, the importance for HVAC designers of knowing both tools is emphasized, using them consistently with the objectives of the analysis: regulatory compliance verification, energy diagnosis, or system sizing.