Analisi energetica di una struttura attraverso il confronto di tre programmi di calcolo: TRNSYS, TAS, DOCET

1. Introduzione 
1 
 
1. Introduzione 
 
Il problema della scarsità delle risorse energetiche ha portato nel tempo ad 
adottare una politica di risparmio energetico. 
Il condizionamento degli edifici al fine di mantenere al suo interno le condizioni termo 
igrometriche ottimali è sicuramente uno di quei settori in cui la richiesta energetica risulta 
essere significativa. Per avviare una politica di risparmio energetico nel suddetto settore, 
si è intervenuti nel corso degli anni con la stesura di leggi e norme che regolassero 
l’utilizzo degli impianto di condizionamento, sia in termini di efficienza energetica che in 
termini di giorni l’anno di utilizzo. 
 Ad oggi si è giunti a classificare gli edifici con delle targhe energetiche, le quali 
illustrano la quantità di energia richiesta dall’edificio nel corso dell’anno per mantenere al 
suo interno determinate condizioni ambientali di confort. 
Il fine ultimo della classificazione energetica è quello di favorire la costruzioni di edifici ad 
elevata efficienza energetica, sfruttando le tecnologie disponibili. 
 Utilizzando un tipo di classificazione a classi, la qualità dell’ efficienza energetica di 
un edificio è relativa, ovvero un edificio di classe B è migliore di tutti gli edifici di classe C e 
peggiore di tutti quelli di classe A. 
Di conseguenza i metodi per effettuare la classificazione energetica sono stati 
standardizzati, al fine di garantire un procedimento comune che potesse permettere un 
confronto tra i risultati ottenuti da diversi certificatori. 
Il processo di calcolo dei carichi termici richiesti da un edificio viene effettuato utilizzando 
dei programmi di calcolo, i quali elaborano i dati in maniera differente, in quanto i 
parametri di cui tener conto sono molteplici. Come è stato precedentemente detto, i 
valori ottenuti da un processo di classificazione energetica dovrebbero essere 
confrontabili, di conseguenza il problema del confronto dei risultati diventa un problema 
di confronto dei risultati ottenuti con i diversi software disponibili sul mercato. 
La legislazione vigente suggerisce l’utilizzo del software Docet
Pro
2010 per la classificazione 
energetica degli edifici.
1. Introduzione 
2 
 
Questo software è stato quindi sviluppato in maniera tale da tener conto di tutti gli 
aspetti che regolano il condizionamento degli edifici. 
 
 Lo scopo del lavoro è quello di illustrare le principali differenze di calcolo di tre 
programmi di calcolo utilizzati per la valutazione dei carichi termici degli edifici, tra cui 
Docet
Pro
2010, al fine di valutare eventuali carenze da parte della legislazione vigente ed 
eventuali errori di calcolo del software di riferimento. 
I tre software che sono stati presi in considerazione sono. TRNSYS, TAS e Docet
Pro
2010. 
I primi due, TRNSYS e TAS, sono software che effettuano una simulazione dinamica delle 
condizioni energetiche all’interno dell’edificio attraverso il calcolo del transitorio, 
forniscono quindi dei risultati prossimi alla realtà; il Docet
Pro
2010 è invece un software 
che effettua calcoli stazionari facendo riferimento alla normativa vigente. In particolar 
modo TRNSYS e TAS considerano il valore della trasmittanza termica funzione della 
temperatura, che a sua volta è funzione del tempo, mentre Docet
Pro
2010 la considera una 
costante. 
Parametri da confrontare 
 
La classificazione energetica degli edifici viene effettuata utilizzando un indice di 
riferimento, l’indice EP,
inv
, definito indice di prestazione energetica degli edifici per la 
climatizzazione invernale. 
L’EP,
inv
 è definito come la quantità di calore che l’impianto di riscaldamento deve 
fornire per mantenere le condizioni termo igrometriche ottimali, per compensare le 
perdite dell’edificio verso l’esterno.  
Per edifici non residenziali l’espressione analitica è
[1]
: 
  
    
 
 
 
 
 
 
     
           
 
       
dove: 
 
 
è il rendimento globale dell’impianto di condizionamento 
 
     
 è il volume lordo dell’edificio considerato 
Q
H  
è il fabbisogno di energia termica per il riscaldamento, espresso a sua volta come:
1. Introduzione 
3 
 
 
 
   
    
  
    
   
    
  
   
  
   
  
dove: 
 Q
H,tr  
è lo scambio termico per trasmissione nel caso di riscaldamento 
  Q
H,ve  
è lo scambio termico per ventilazione nel caso di riscaldamento 
  Q
int
  sono gli apporti termici interni  
  Q
sol
  sono gli apporti termici solari  
  η
H,gn
  è il fattore di utilizzazione degli apporti termici 
 
Volendo effettuare un confronto numerico sui valori ottenuti da diversi software, 
si nota come dall’espressione generale dell’indice di prestazione energetica EP,
inv
, l’unico 
termine che varia è il Q
H
. Infatti, definito l’edificio, il rendimento dell’impianto di 
riscaldamento ed il volume lordo sono valori costanti.  
 
 
  
  
 
 
 
 
 
 
     
    
 
 
Quindi il confronto del comportamento dei diversi software è stato effettuato 
solo sul termine Q
H
 e dove necessario sui diversi termini che lo compongono. 
E’ fondamentale dire che tutti e tre i programmi di calcolo fanno riferimento alle norme 
tecniche per il calcolo dei termini appena visti. In particolare, fanno riferimento alle 
norme UNI 11300 parte 1 per il calcolo del Q
H
 ed alle norme UNI 11300 parte 2 per il 
calcolo dei due termini che compongono il denominatore. 
Di conseguenza è corretto effettuare un confronto numerico, proprio per il fatto che 
vengono prese come riferimento le stesse norme tecniche. 
 
 
 
Termine variabile 
Termini costanti
1. Introduzione 
4 
 
Procedimento  
 
Il lavoro è stato svolto secondo il seguente procedimento. 
Inizialmente è stato scelto un edificio, realmente esistente, per il quale calcolare i 
carichi termici invernali in tre diverse località italiane, una al Nord, una al Centro ed una al 
Sud Italia, in maniera tale da avere una visione generale del comportamento termico 
dell’edificio in tre località molto diverse dal punto di vista climatico. 
Il calcolo dei carichi termici è stato quindi effettuato configurando i tre software 
nominati in precedenza. 
In seguito sono stati analizzati i singoli risultati ed effettuati gli opportuni 
confronti, per trarre infine le conclusioni. 
 
Suddivisione del territorio nazionale in zone climatiche 
 
In Italia la suddivisione del territorio in zone climatiche è effettuata in funzione dei 
Gradi Giorno, GG. Il valore numerico dei GG rappresenta la somma, estesa a tutti i giorni 
dell’anno, delle sole differenze positive giornaliere tra la temperatura convenzionale, 
fissata in Italia a 19 °C, e la temperatura media esterna giornaliera
[2]
.  
Analiticamente il calcolo dei Gradi Giorno viene effettuato valutando giorno per 
giorno, per ciascuna località, la differenza (t
ir
 - t
mg
) e procedendo alla somma di queste 
differenze su tutta la stagione 
      
  
  
  
 
 
   
   
dove: 
 N sono i giorno di riscaldamento; 
 t
ir
 è la temperatura interna di riferimento, fissata dalla normativa italiana pari 
a 19°C t
mg
 è la temperatura media giornaliera che in base alla normativa italiana, 
viene calcolata sulla media di quattro valori di temperatura: la massima, 
la minima, quella riferita alle ore 8.00 e quella riferita alle ore 19.00.
1. Introduzione 
5 
 
 
 
 
La sommatoria è estesa per legge a tutta la stagione in cui la temperatura media 
esterna di riferimento, T
er
, è inferiore a 12°C. Questa temperatura definisce anche i limiti 
della stagione di riscaldamento (A  B). 
La temperatura interna di riferimento è inferiore alla temperatura interna 
effettiva, di norma posta a 20°C, poiché in questo modo si tiene conto anche degli apporti 
gratuiti di energia, dovuti a sorgenti interne o alla radiazione solare. Con questo 
accorgimento si identificano correttamente i periodi di accensione e spegnimento degli 
impianti di riscaldamento, rispettando la politica del risparmio energetico. Infatti qualora 
si utilizzasse come temperatura interna di riferimento il valore reale di 20°C, si otterrebbe 
un valore superiore dei gradi giorno che sovrastimerebbe il reale fabbisogno energetico 
degli edifici. 
Un valore di Gradi Giorno basso indica un breve periodo di riscaldamento e 
temperature medie giornaliere prossime alla temperatura fissata per l'ambiente. Al 
contrario, valori di Gradi Giorno elevati, indicano periodi di riscaldamento prolungati e 
temperature medie giornaliere nettamente inferiori rispetto alla temperatura 
convenzionale di riferimento. 
 Attraverso l’utilizzo dei Gradi Giorno, si ottengono sei zone climatiche definite 
come in tabella 1. 
 
Figura 1 - Calcolo dei Gradi Giorno
1. Introduzione 
6 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Zona climatica Numero GG 
A ≤600 
B Da 601 a 900 
C Da 901 a 1400 
D Da 1401 a 2100 
E Da 2101 a 3000 
F >3000 
Tabella 1 - Suddivisione del territorio nazionale in zone climatiche in funzione dei Gradi Giorno
2. L’energetica nell’edilizia 
7 
 
2. L’energetica nell’edilizia 
 
Un edificio, qualunque esso sia, necessita di fonti energetiche per la propria 
gestione, affinché gli occupanti possano vivere al suo interno in condizioni di benessere 
termo igrometrico.  
Queste fonti energetiche vengono utilizzate negli edifici per il riscaldamento invernale e 
per il raffreddamento estivo, oltre che per l’illuminazione, l’uso di elettrodomestici e di 
altre apparecchiature elettriche ed elettroniche 
Questi consumi possono essere ridotti ad un quinto con il miglioramento dell'efficienza 
energetica degli edifici
[3]
. Naturalmente questo miglioramento ha un costo aggiuntivo, 
che però viene ammortizzato in breve tempo grazie al risparmio energetico che ne deriva, 
che in alcuni casi risulta essere significativo . 
Inoltre bisogna considerare che il valore economico degli edifici classificati come “edifici 
ad alta efficienza energetica” è maggiore di un edificio tradizionale. 
 
2.1. Il costo energetico di un edificio 
 
 Da un punto di vista economico, il costo energetico di un edificio può essere inteso 
come la somma dei costi di costruzione, che sono pari a circa il 20% del totale, e quelli di 
gestione, che sono il restante 80% 
[4]
. 
I costi di gestione riguardano la manutenzione e l’esercizio; la progettazione di un edificio 
deve tendere alla riduzione di questi costi gestionali. 
I costi di manutenzione si possono ridurre utilizzando materiali durevoli nel tempo, i costi 
di esercizio possono essere ridotti adottando materiali e soluzioni tecnologiche con 
migliori prestazioni energetiche.  
Prima di definire il concetto di prestazione energetica, è bene analizzare a cosa siano 
dovuti i costi di esercizio. 
 Prendendo in considerazione un’ abitazione italiana, i consumi medi in termini 
percentuali possono essere schematizzati nella seguente maniera 
[3]
:
2. L’energetica nell’edilizia 
8 
 
 
 
 
 Riscaldamento   68,0 % 
 Acqua calda    12,0 % 
 Cucina      6,0 % 
 Illuminazione ed altro   14,0 % 
In termini di energia consumata, per un edificio tradizionale il valore medio annuale è di 
circa 160 kWh/m
2
a. 
 Come si può facilmente notare, la voce che determina il maggior consumo 
energetico è quella del riscaldamento. Questo risultato è dovuto al fatto che tra l’interno 
dell’edificio e l’esterno si verificano inevitabili dispersioni termiche che determinano un 
utilizzo maggiore dell’impianto di riscaldamento, rispetto ai minimi valori necessari per 
scaldare l’ambiente interno. 
 
 
Figura 2 - Suddivisione del costo energetico di un edificio. 
Figura 3 – Esempio delle modalità di dispersione del calore attraverso l’involucro dell’edificio.
2. L’energetica nell’edilizia 
9 
 
 
Queste dispersioni si hanno attraverso tutti i componenti dell’edificio, ed in termini 
percentuali si può fare la seguente classificazione 
[4]
: 
-20% attraverso le coperture; 
-30% attraverso le aperture (porte e finestre)  
-40% attraverso le pareti verticali 
-10% attraverso le chiusure di base
 
Tutte queste dispersioni sono dovute alla trasmissione di calore attraverso pareti  di 
 confine, ovvero attraverso pareti che separano due o più ambienti a temperature 
differenti. 
Quando si presenta una situazione di questo tipo, si verifica sempre una trasmissione di 
calore dall’ambiente più caldo a quello più freddo, fino a raggiungere una temperatura di 
equilibrio. 
 
2.2. La trasmissione del calore 
  
Per trasmissione di calore si intende il passaggio di energia termica in un sistema dove 
sussiste uno squilibrio termico interno, o quando tale squilibrio sussiste tra sistema e 
contorno. 
 Le modalità di trasmissione dell’energia termica sono tre: 
 Conduzione 
 Convezione 
 Irraggiamento 
 
2.2.1. Scambio termico per conduzione 
 
La conduzione è la forma di trasmissione di calore tipica dei solidi o dei fluidi in 
quiete; i gas, se sono in quiete, sono dei cattivi conduttori e quindi degli ottimi isolanti. 
Questa caratteristica viene sfruttata per la realizzazione dei componenti isolanti che 
racchiudono al loro interno tante cellette chiuse con aria in quiete come ad esempio la 
lana di roccia o di vetro, poliuretani espansi. Ciò è spiegabile con il fatto che la conduzione
2. L’energetica nell’edilizia 
10 
 
è una trasmissione di energia tra atomi, mediante collisione tra gli stessi, a causa del 
diverso stato di vibrazione molecolare che si verifica tra zone a più alta temperatura 
rispetto a quelle a temperatura inferiore, sia in uno stesso mezzo sia attraverso mezzi 
diversi posti a contatto. 
 
Facendo le ipotesi di mezzo continuo, isotropo ed omogeneo, la quantità di calore 
che, in condizioni di regime stazionario, passa nell’unità di tempo tra le facce piane e 
parallele (interna ed esterna) di una parete è data dall’espressione: 
Q = λ /s • (T
i
-T
e
) • S 
dove: 
 Q = flusso di calore attraverso la parete per la sola conduzione [W] 
 λ = conduttività del materiale costituente la parete [W/m K] 
 s = spessore della parete [m] 
 T
i
 = temperatura della faccia interna della parete (più calda) [K] 
 T
e
 = temperatura della faccia esterna della parete (più fredda) [K] 
 S = superficie della parete [m
2
] 
 
La conduttività λ è una caratteristica intrinseca di un materiale, esprime la 
quantità di calore che, in regime stazionario, si trasmette nell’unità di tempo attraverso 1 
m
2
 di superficie di uno strato di materiale di spessore pari ad 1 m ,quando la temperatura 
tra le due superfici opposte piane e parallele dello strato differisca di 1° C. 
Alcuni valori tipici sono riportati nella tabella 2. 
 
 
 
 
 
 
 
 
MATERIALE λ *w/mK] 
Gas a p=p
atm
 0,007 – 0,5 
Materiali termoisolanti 0,02 – 0,25 
Liquidi (non metallici) 0,05 – 0,7 
Solidi (non metallici) 0,3 – 2,3 
Metalli liquidi 8 - 80 
Metalli e leghe metalliche 14 - 420 
Tabella 2 – Valori tipici della conduttività di alcuni materiali
2. L’energetica nell’edilizia 
11 
 
Il rapporto λ/S è definito Conduttanza, esso esprime la quantità di calore che si 
trasmette, per sola conduzione, nell’unità di tempo, attraverso 1 m
2
 di superficie, per una 
differenza di temperatura di 1°C, tra le facce opposte piane e parallele di una parete di 
materiale omogeneo con spessore S e conducibilità λ. 
 
2.2.2. Scambio termico per convezione 
 
Si ha trasmissione di energia termica per convezione quando tale trasferimento di 
energia avviene tra un fluido (liquido o gas) ed un solido in moto relativo uno rispetto 
all’altro: pertanto al fenomeno della conduzione si sovrappone il trasporto di energia 
operato dalle particelle in moto. 
In base alla natura delle forze che causano il moto del fluido in esame si 
distinguono due tipi di convezione: 
- convezione naturale 
- convezione forzata 
Nel caso di convezione naturale il moto delle particelle è determinato essenzialmente  
dalle forze di galleggiamento innescate dalle variazioni di densità dentro al fluido 
conseguenti alle differenze di temperatura, lo scambio termico convettivo nel fluido ha 
inizio per cause naturali quando l’equilibrio tra forze di galleggiamento e forze di gravità è 
turbato dalla disomogeneità della distribuzione della temperatura nel fluido. Un esempio 
di convezione naturale è quello che si verifica tra una parete e l’aria adiacente a causa 
della diversa temperatura; oppure tra un corpo scaldante e l’aria circostante. Le particelle 
meno  dense e quindi  più leggere vengono spinte in alto, mentre altre particelle più 
fredde, e quindi più dense e pesanti, prendono il posto di queste. 
Viceversa, nel caso di convezione forzata il moto delle particelle è dovuto a forze esterne 
al fluido, ovvero il moto del fluido è forzato dall’azione di meccanismi, quali pompe o 
ventilatori, in tal caso le forze di galleggiamento risultano generalmente trascurabili a 
fronte di quelle inerziali. 
 
Dal punto di vista analitico, il calcolo della potenza termica, Q, scambiata per 
convezione tra una parete e l’aria adiacente può essere valutata come:
2. L’energetica nell’edilizia 
12 
 
Q = h
c
 (T
s
 - T
f
 ) S  [W]   
 dove:   
 T 
f
 =  T
∞
 = temperatura del fluido [K]  
 T
s
  = temperatura della superficie di scambio termico [K]  
 h
c
  = coefficiente di scambio termico convettivo [W/m²K]  
 S = superficie  interessata dallo scambio termico [m²] 
Bisogna osservare che la temperatura del fluido è indicata con il termine T
∞
 perché si 
prende in considerazione la zona del fluido che non risente del fenomeno convettivo e di 
conseguenza la temperatura di questa zona rimane invariata. 
Il valore del coefficiente di scambio termico convettivo h
c 
non è di facile valutazione, 
in quanto non dipende soltanto dalle caratteristiche del fluido, ma è funzione anche di 
altri fattori quali la forma geometrica del solido a contatto con il fluido e la direzione e 
velocità di movimento dell’aria. 
Per calcolarne il valore in maniera corretta, si ricorre ad un procedimento che 
prevede l’utilizzo dei seguenti numeri adimensionali: 
 Numero di Reynolds Re:  
     Re = wLρ /µ  
dove:  
 w = velocità media nella sezione del condotto [m/s]  
 ρ = densità del fluido *kg/m³+  
 L = dimensione caratteristica [m]; nel caso di condotti circolari L = diametro  
 µ = viscosità dinamica [kg/ms] 
Il numero di Reynolds serve per valutare se il moto in esame sia un moto laminare o 
un moto turbolento. 
 
 Numero di Grashof Gr 
Gr = g β L
3 
(T
s
 - T
f
 ) /ν²   
dove:  
 g = accelerazione di gravità       [m/s
2
]  
 β = 1/(Ts - T∞)/2 = 1/Tm      [K
-1
]