L’analisi energetica è un processo complesso e costoso se svolto nella progettazione tradizionale. L’adozione della modellazione digitale (BIM) acquista un valore di prima scelta nell’ottimizzare nelle valutazioni in tema di prestazione energetica di un edificio e nel gestire l’intero processo di simulazione energetica, guidandone talvolta la scelta verso edifici a quasi zero emissioni (nZEB).
BIM, il contesto normativo europeo sull’efficienza energetica
L’efficienza energetica, definita secondo la Direttiva 2010/31/Ue del Parlamento Europeo e del Consiglio, come la quantità di energia, calcolata o misurata, necessaria per soddisfare il fabbisogno energetico connesso a un uso normale dell’edificio, compresa, in particolare, l’energia utilizzata per il riscaldamento, il rinfrescamento, la ventilazione, la produzione di acqua calda e l’illuminazione, si colloca tra le sfide più importanti con cui dovremo confrontarci nel futuro, sul fronte della gestione dell’energia, dei costi finanziari, sociali e ambientali da essa derivanti.
Secondo le indicazioni contenute nella Raccomandazione UE 2019/786 pubblicata dalla Commissione e nella Direttiva 2018/844, gli Stati membri hanno tempo entro il 2020 per recepire i nuovi elementi delle misure che permetteranno di accelerare il ritmo di ristrutturazione degli edifici verso sistemi più efficienti dal punto di vista energetico e di rafforzare il rendimento energetico di quelli di nuova costruzione, rendendoli più intelligenti. Oramai i nuovi edifici possono non solo essere realizzati ad energia zero ma ad energia positiva dove cioè la produzione extra derivante dai pannelli fotovoltaici installati sui tetti viene utilizzata per ricaricare le batterie di mezzi ad energia elettrica quali auto, motorini e bici.
In futuro, inoltre, non sarà sufficiente agire sugli impianti tecnologici per il riscaldamento, il rinfrescamento, la ventilazione, la produzione di acqua calda, l’illuminazione di un edificio e nemmeno limitarsi ad aggiungere un isolante all’involucro, ma occorrerà ripensare l’insieme delle forme e materiali, degli impianti di produzione energetica (rinnovabile e non), dell’uso delle aree comuni e delle aree private e dell’impiego dell’edificio (se abitazione, ufficio, spazi verdi e/o produzione agricola, etc.).
L’ efficienza energetica e il risparmio sono da molto tempo temi caldi del dibattito sulla politica energetica dei vari Paesi per combattere i cambiamenti climatici ai quali contribuiscono pesantemente sia case che trasporti poco efficienti. Anche la scelta dei materiali e l’energia associata alla lor produzione influisce sul clima e, a tal proposito sono stati fissati i “Criteri Ambientali Minimi”, noti come CAM che spesso vengono intesi solo come una tabella da compilare perché richiesta dalla legislazione emessa dal ministero dell’Ambiente ma che invece devono essere integrati fin dalla progettazione preliminare in modo che un esperto di gestione ambientale possa suggerire agli architetti e agli ingeneri impiantistici quali materiali e componenti scegliere per rispettare i CAM.
L’interesse nei loro confronti si è di nuovo recentemente rafforzato unitamente ai timori legati ai cambiamenti climatici e alla sicurezza energetica. La limitazione della domanda di energia è un elemento appoggiato da molti tecnici e politici, che lo reputano indispensabile per vincere queste sfide e le analisi dei costi normalmente confermano che esso può costituire una soluzione efficiente per scongiurare questi timori. La consapevolezza di quanto esposto consente di trasformare il risparmio energetico in core business. Si ma come?
I vantaggi dell’adozione di una metodologia di modellazione digitale BIM
L’analisi energetica è un processo articolato e dispendioso che nella progettazione tradizionale, viene solitamente rimandato alla fase finale di un progetto. Al contrario l’adozione della più moderna metodologia di modellazione digitale del costruito BIM – Building Information Modeling acquista un valore di prima scelta nell’ottimizzare le valutazioni in tema di prestazione energetica di un edificio e nel gestire l’intero processo di simulazione energetica. Attraverso l’utilizzo della simulazione energetica statica e dinamica e degli strumenti a essa associati, è possibile gestire, durante le fasi di progettazione, costruzione o riqualificazione, tutti i dati relativi ai materiali impiegati, alle componenti tecnologiche coinvolte, alle informazioni relative alla geometria e alle dimensioni di una struttura, alle preferenze impiantistiche e alle zone che saranno utilizzate in modo diverso e che pertanto hanno requisiti diversi in tema di condizionamento al fine di stimare le diverse prestazioni energetiche della costruzione.
La metodologia BIM consente ai vari operatori di filiera dei diversi comparti (architettura, strutture, impianti meccanici, elettrici ed idraulici, esperti di CAM) di collaborare in una nuova dimensione multidisciplinare durante le diverse fasi del ciclo di vita della struttura per estrarre, inserire o sviluppare le informazioni di processo con risultati rapidi e feedback immediati. Ciò è favorito anche da standard come l’open BIM che favorisce l’interoperabilità tra attori diversi dotati di software modellatori differenti tra loro.
Ma come si arriva a questo risultato? Un modello digitale di un edificio semplificato sulla base di quello esistente nella realtà, può essere creato rapidamente e utilizzato per analizzare gli effetti dei parametri come ad esempio posizione, volumetrie e orientamento dell’edificio e zone.
L’importanza dei software modellatori impiegati da analisti esperti è essenziale per la riuscita dell’operazione. I dati geometrici possono essere importati in modo più o meno immediato nei software di simulazione energetica per ottenere un modello comparabile che è sufficientemente accurato per confrontare scenari alternativi tra loro ed è in questa fase che l’analisi basata su confronti di scenari diversi assume maggiore importanza prima ancora di aumentare il dettaglio progettuale. Durante la fase di progettazione schematica, gli ingegneri possono proporre le migliori strategie di efficientamento energetico utilizzando sul modello le competenze di modellazione acquisite. Inoltre analizzando e comprendendo i bisogni energetici nelle diverse zone, possono ottimizzare le scelte impiantistiche riducendo drasticamente il consumo energetico globale.
Durante la fase successiva di sviluppo del progetto, il modello energetico può essere utilizzato per l’analisi parametrica. Specifiche alternative e compromessi tra costi iniziali e di manutenzione possono così essere valutati in modo che tutte le ipotesi e gli input del modello risultino accuratamente censiti. Inoltre i modelli possono essere popolati con informazioni precise circa l’uso e l’occupazione dell’edificio prevista per orari. Questo permetterà di progettare un impianto domotico intelligente che potrà essere azionato anche a distanza per regolare il condizionamento delle singole zone anche in relazione al posizionamento di sensori esterni che possono calcolare il gradiente tra le condizioni ambientali interne ed esterne. Ciò consentirà, in fase di esercizio, di bilanciare opportunamente il dispendio energetico per una ottimizzazione generale tale da rendere l’erogazione energetica variabile in relazione alla variazione delle condizioni di temperatura, luce e umidità dell’ambiente circostante, creando un equilibrio stabile che incida positivamente sull’esperienza di vita all’interno del sito oggetto dell’intervento. Oltre alle previsioni di consumo energetico e di ottimizzazione della progettazione per l’efficienza energetica, i modelli energetici possono anche fornire la documentazione e le informazioni dei materiali necessari per realizzare i vari certificati di conformità, come LEED e ASHRAE.
Cosa permettono di fare i software di modellazione BIM
In definitiva, i software di modellazione BIM, opportunamente integrati con software per l’analisi dell’impatto ambientale di materiali e componenti e con simulatori di analisi energetica, possono permettere in fase di:
- progettazione preliminare, di individuare le scelte tecnologiche migliori
- progettazione esecutiva, di individuare materiali e componenti con impatto ambientale minimo durante tutto il ciclo di vita
- realizzazione, di aggregare al modello le informazioni e le schede tecniche per ciascuna scelta operata
- gestione, di avere la disponibilità attraverso un modello semplificato contenibile su tablet, di regolare la temperatura degli ambienti anche a distanza
- manutenzione, di avere sempre disponibili sia le informazioni per la manutenzione sia le informazioni per un eventuale smaltimento finale
La metodologia BIM per progetti nZEB (nearly zero energy building)
Utilizzare la modellazione energetica in modo appropriato durante le fasi iniziali della progettazione, può aiutare a definire le tecnologie energetiche più efficienti e gli impianti più adatti allo scopo. Può anche svolgere un ruolo centrale nella pianificazione e nell’attuazione di strategie oculate per massimizzare l’uso delle energie rinnovabili e quindi consentire la massima ottimizzazione del progetto di costruzione per potenziarne il risparmio energetico futuro. Ad esempio l’uso delle geotermia a bassa entalpia, integrato con un impianto fotovoltaico può portare a un costo di gestione molto basso se non addirittura nullo. Ma, se questa scelta viene attuata, le sonde geotermiche debbono essere installate in fase di scavo.
Diventa così inevitabile utilizzare la metodologia BIM per realizzare progetti con caratteristiche nZEB, scelta che assicura il fondamentale scambio dei dati che devono essere sempre aggiornati e accurati per consentire una buona riuscita delle simulazioni sui modelli. La scelta consente di lavorare in logica multidisciplinare con dei modelli ottenuti attraverso un confronto tra i professionisti delle diverse discipline che lavorano su di uno stesso modello condiviso., in modo da poter sviluppare le scelte progettuali in maniera semplice e rapida.
Ma come è possibile operare in maniera condivisa? Definiti i modelli BIM nelle differenti componenti architettonico, meccanico, energetico e acustico dell’edificio si opera con diversi software capaci di leggere il modello architettonico, assegnargli tutti i dati utili per lo svolgimento di un’analisi energetica (valori di conducibilità dei materiali, ombreggiamenti, ponti termici, ecc) e svolgere una prima fase di analisi per accertarsi che le scelte progettuali fatte, portino almeno al rispetto di alcune condizioni base, quali l’esito positivo delle verifiche termo-igrometriche e dei buoni valori di trasmittanza, oltre a valutare quali sono le potenze invernali necessarie per ciascun ambiente. Le elaborazioni successive sono in grado di generare un vero e proprio modello energetico sul quale si possono svolgere tutte le verifiche necessarie per valutare nel dettaglio, la prestazione raggiunta dal modello in termini di energia utile e primaria e confrontarla con i valori medi di trasmittanza (potenza termica che attraversa l’involucro edilizio per unità di superficie disperdente e per unità di differenza di temperatura tra l’interno e l’esterno) che si vogliono definiti in partenza.
Una seconda fase di analisi viene poi svolta a livello acustico: il modello energetico, sviluppato sulla base dei dati in arrivo, viene impiegato per generare un nuovo modello (quello acustico) per la verifica dei requisiti acustici di facciate ed elementi divisori sfruttando il passaggio dati automatico svolto tra programmi. Il modello meccanico può essere utilizzato per eseguire un controllo di interferenze (interazione tra elementi diversi) al fine di rilevarne la presenza in fase di progettazione e per evitare che vengano risolti dalle maestranze durante la fase di cantiere, causando rallentamenti dei lavori e possibili aumenti dei costi in fase di costruzione e disallineamenti con i modelli progettuali. A opera realizzata la bontà dell’esecuzione viene poi monitorata grazie all’installazione di appositi sensori che certificano con il loro rilevamento dei valori di temperatura, umidità relativa, pressione, IAQ e stato (On-Off) in modo da accertare il raggiungimento dei valori prestabiliti in fase di progettazione ma anche per creare un sistema di regolazione automatica del condizionamento ambientale.
Conclusioni
Risulta chiaro come l’adozione della metodologia digitale rappresentata dal Building Information Modeling possa essere di fondamentale aiuto anche per quei progettisti che lavorano su opere di piccole e medie dimensioni, ma che vogliono raggiungere elevati livelli prestazionali, ottimizzando le scelte svolte in fase progettuale ed evitando possibili errori ed eccessive varianti durante la fase di realizzazione dell’opera, ma soprattutto ottemperando all’obbligo di costruire, d’ora in poi, solo edifici ad energia quasi zero.
Al fine di assicurare la piena diffusione delle pratiche virtuose di efficientamento energetico in edilizia è necessario adottare lo sviluppo di modelli previsionali avanzati attraverso l’uso di sistemi digitali sempre più omnicomprensivi: diventa mandatorio in questo senso formare adeguatamente progettisti, urbanisti e tecnici, non per ultimo quelli comunali, trasferendo loro le competenze per gestire adeguatamente progetti a impatto ambientale zero di cui la normativa attuale prevede dal 2021 la costruzione di tutti gli immobili in logica nZEB, anticipandone l’obbligo per gli edifici pubblici al 2019.
Risulterebbe infine utile incrementare l’esperienza sul campo e raccogliere quanti più dati possibili in relazione alle reali performance in opera, incrementando adeguatamente anche la spinta proveniente dai regolamenti normativi che unitamente a una maggiore disponibilità di strumenti finanziari adeguati, possano contribuire a forzare le barriere che ancora oggi rallentano la diffusione di pratiche edili sostenibili.
