Simulazione termofisica
Sara Foresi

La pratica professionale sempre più spinge verso la parcellizzazione dei compiti per cui risulta frequente, soprattutto per opere di una certa dimensione, il coinvolgimento di professionalità parallele, spesso chiamate a posteriori a risolvere i problemi più strettamente tecnici: per lo più relativi a impianti e strutture. Capita così che le decisioni architettoniche, assunte come preliminari, vengano ‘sofferte’ dai partner con conseguente apertura di contrasti/contenziosi. Ma cosa succede a guardare dall’altra parte, ad avventurarsi cioè nel mondo di frequente snobbato dell’ingegneria? A individuare soluzioni progettuali anche sulla base di valutazioni tecniche, a far confluire le motivazioni funzionali ed estetiche con considerazioni concretamente costruttive? È indubbio come soprattutto gli scenari più recenti aperti dagli ambiti di risparmio energetico e “impiantistica ecologica” comportino già in fase di progetto preliminare una serie di considerazioni e di scelte molto accurate. L’ambiente esterno è infatti sempre complesso, l’atmosfera, il sole, la terra creano continue combinazioni climatiche ed i microclimi interni, nonostante gli studi appassionati sulle tecniche di aeronautica e sulle navicelle spaziali, rimangono inevitabilmente in contatto con l’esterno… luce, calore, aria, acqua. L’obiettivo più logico non può che essere quindi l’ottimizzazione della qualità del dialogo tra situazioni interne ed esterne per mezzo di felici combinazioni di morfologia e materiali, di sostenibilità e benessere. Di qui il passo in seno alla bioarchitettura è breve e scontato, un amore a prima vista. Meravigliosi abbracci di legno, profumi di materiali naturali e quintali di isolamento termico nascondono però spesso lo stesso problema: architetti formalisti ed ingegneri furibondi. In qualche caso la simulazione avrebbe portato ad accordi preventivi. Ma cos’è la simulazione? In breve, all’interno di un calcolatore si produce un modello del proprio progetto e lo si sottopone a stress climatico. Si applica il concetto di dinamica allo scambio termico, calcolato istante per istante per tutto il periodo desiderato. I risultati danno la misura dell’efficacia delle scelte architettoniche. Orientamento, materiali e irraggiamento si intrecciano in combinazioni sempre nuove e finalmente gestibili. Di seguito viene illustrata l’esperienza condotta a titolo sperimentale applicando il famigerato ESP-r – ultimo prodotto ancora in via di perfezionamento del dipartimento ESRU, ricercatori scozzesi operanti nell’università di Strathclyde presso Glasgow – ad un normale progetto di edilizia popolare. L’obiettivo era la definizione del consumo energetico e, nel caso più fortunato, poter dichiarare l’intero intervento conforme allo standard europeo LEH (Low Energy Houses) consistente in un livello di consumo piuttosto basso (inferiore ai 15KW/hm2/anno) riferito al riscaldamento invernale. Il progetto infatti, ottimizzando le tamponature ed utilizzando dispositivi ‘passivi’ quali serre e ombreggiamenti, si era concentrato sul risparmio energetico passivo senza quindi prevedere alcuna “macchina” che potesse comportare una manutenzione complessa, data l’utenza a cui sono destinati gli appartamenti e il clima romano, mite in inverno. L’interrogativo era anche: se è possibile costruire in maniera corretta pur rientrando in costi vincolati (pratica forzata per l’edilizia convenzionata) non potrebbe diventare possibile estendere a tutte le situazioni un miglioramento della qualità edilizia? e se si dimostrasse che questo miglioramento determina un consistente risparmio energetico, non potrebbe questo argomento rivestire un interesse nazionale visto l’incremento dell’incidenza del consumo energetico domestico (si pensi al condizionatore estivo) e la preoccupante dipendenza italiana rispetto ai propri fabbisogni? In Europa, dove le iniziative in tal senso sono numerose, incoraggianti e coraggiose, solo rimanendo nel settore delle simulazioni, il panorama dei software è impressionante, così come impressionanti sono i risultati conseguiti applicandoli, tutti liberamente consultabili su internet. È anche vero che utilizzare questi nuovi strumenti significa modificare alcune fasi del processo edilizio. Una progettazione troppo attenta e condizionata dalla fisica tecnica può sembrare ad alcuni limitante, ma molte sono le novità che può apportare anche e, perché no, estetiche: seguire le scelte innovative che questi strumenti informatici propongono richiede inventiva e impegno, ma ignorarle significa la stasi, la ripetizione, oltre che lo spreco. L’ESP-r nasce grazie all’input iniziale del prof. J.A. Clarke la cui tesi di laurea nell’ormai lontano 1984 crea il nucleo iniziale del programma in seguito affinato con gli apporti progressivi di molti professionisti e ricercatori del dipartimento universitario ESRU. In sostanza questo software rappresenta un raffinato sistema di calcolo che elabora le ingenti quantità di dati connesse alla risposta fisica di un ambiente sottoposto a stress climatico. Per chiarezza si può considerare che questo genere di software realizzi la stessa rivoluzione che il calcolo agli stati limite ha portato all’interno del mondo del calcolo strutturale degli edifici. L’intero programma è costituito da una serie di sottoprogrammi atti a gestire ogni parte della simulazione: a partire dal Project Manager che si incarica della gestione di ciascun sottoprogramma, vi sono opzioni per la gestione di databases (per esempio Climate), il programma dedicato alla simulazione (Simul) e quello che codifica in grafici e tabelle i risultati della simulazione (Result Analisis). ESP-r vive in ambiente UNIX secondo la migliore tradizione del software libero e nell’interfaccia grafica non vi sono lungaggini per la modalità d’uso: è solo un software che presuppone una buona conoscenza della fisica e della fisica tecnica, sia all’atto dell’immissione dei dati che in fase di lettura e verifica. Anche se, trattandosi di un software molto tecnico e complesso pone delle difficoltà immediate di approccio, a favore di questo programma vi è la straordinaria precisione nei calcoli, un’interfaccia grafica comprensibile e una vasta gamma di possibilità applicative: non solo si può verificare il comportamento termico, ma anche l’acustica degli ambienti, il comportamento termoigrometrico degli elementi strutturali, tutte le variabili della dinamica dei flussi sino allo studio dei singoli elementi riscaldanti o raffreddanti.

La simulazione
L’insediamento abitativo esaminato – più di venti appartamenti situati in Roma, zona Monterotondo – è composto da due edifici, separati da una strada e connessi da un livello sotterraneo che ospita garages e cantine. Le unità abitative e negozi occupano i piani fuori terra. Verso sud il progetto prevede di dotare i balconi di vetri smontabili, in sostanza una serra invernale, trasformabile in ombreggiamento mediante la sostituzione delle lastre di vetro con pannelli in legno. Per applicare la simulazione, tempo prezioso hanno assorbito la comprensione delle procedure e lo studio non solo della bibliografia tecnica esistente ma soprattutto di esperienze analoghe e con risultati rilevanti, presenti nei vari siti internet che trattano l’argomento. Va evidenziato inoltre come la morfologia generale – balconi, porticati e tetto piano praticabile a terrazzo – pur seguendo i canoni più comuni delle costruzioni mediterranee, è risultata complessa rispetto al programma. In ogni caso la decisione preliminare è stata quella di concentrarsi sul fenomeno termico e quindi, fissate le temperature interne secondo criteri di benessere, si è chiesto al programma il consumo in KWh, per ogni periodo dell’anno, di un impianto virtuale di tipo convenzionale. L’esigenza lavorativa di rispondere alle esigenze progettuali in divenire, hanno via via affinato e inevitabilmente circoscritto il numero delle indagini possibili. Inoltre, il tempo e le risorse a disposizione hanno vanificato l’interessante opportunità di studiare i fenomeni termici in modo più dettagliato, per esempio di applicare la dinamica dei fluidi alle serre. In generale il primo incontro tra questo strumento analitico avanzato e un progetto complesso richiede sforzi tesi a semplificare il problema senza perseguire false piste o conseguire approssimazioni eccessive. Affrontare razionalmente un’analisi energetica vuol dire infatti scomporre l’edificio in zone termiche tendenzialmente omogenee e leggere i risultati della simulazione combinandoli poi per avere il quadro del comportamento generale. Affinché la simulazione del periodo temporale desiderato potesse offrire risultati all’interno della singola zona termica, selezionata per omogeneità di caratteristiche fisiche e di stress climatici, sono stati fatti convergere nel programma numerose informazioni che definiscono le modalità e i tempi dello stress climatico e che modulano la risposta attraverso la definizione degli elementi costruttivi che compongono l’edificio. La totalità di queste informazioni possono essere chiamate elementi di input, mentre tabelle e grafici sono il risultato della simulazione e costituiscono i dati di output. Nel nostro caso la decisione procedurale di scomporre l’edifico per singole zone termiche e ricomporle in aggruppamenti, ai fini dell’analisi di ogni fenomeno termico saliente, è stata dettata anche dall’esigenza di gestire risultati complessi e interconnessi. Per avere la garanzia di un percorso logico e sicuro capace di assicurare un margine di errore accettabile, si è ricorsi ad apporti di esperti nel campo dell’informatica e della fisica, nel caso i centri LUG italiani e il Dipartimento della ESRU in Scozia, prof. J.A. Clarke compreso. La morfologia e l’orientamento hanno subito posto il primo problema operativo: là dove il progetto prevede dispositivi di ombreggiamento o serre estese, il modello a cui è stata applicata la simulazione viene composto dall’insieme delle zone termiche a diretto contatto con il dispositivo e alcune di secondo ordine (ovvero a contatto degli ambienti prospicienti alla serra ma non in diretta connessione con essa) anche se per considerazioni di margine il miglioramento climatico di questi ambienti più lontani non è stato considerato nel calcolo del risparmio energetico. Per quanto concerne il problema di ottenere un grado di approssimazione compatibile con la scientificità dell’analisi, si è proceduto attraverso continue verifiche dei risultati di volta in volta ottenuti, variando il periodo della simulazione o il dispositivo scelto per migliorarne la prestazione. Lo sforzo successivo, che ha richiesto anch’esso la decisione di una strategia logica e numerose verifiche in corso d’opera, è stato quello della lettura sia dei risultati delle singole zone sia dei gruppi di zone con i dispositivi, per poi coordinarli in modo sinergico al fine di ottenere un risultato finale, in sostanza un numero comprensivo di un accettabile margine di sicurezza.

Dati di Input
Simulare il comportamento termofisico di un edificio in un determinato periodo dell’anno presuppone la conoscenza dettagliata dei fenomeni climatici, quali ad esempio la temperatura, l’irragiamento solare, l’umidità relativa, la forza e direzione dei venti. Reperire i dati per la zona del progetto non è stato facile in quanto il programma richiede un monitoraggio ambientale per ciascuna ora del giorno e per tutti i giorni dell’anno. Poiché i dati delle stazioni metereologiche italiane sono ben lontani da un tale livello di definizione, sono stati integrati con elementi recuperati da databases presenti su internet. In particolare, per definire gli elementi costruttivi dell’edificio ESP-r richiede la compilazione di due databases specifici, il primo riguarda le proprietà fisiche dei singoli materiali, mentre nel secondo convergono i dati relativi alla composizione del singolo elemento architettonico. Per ogni materiale vengono richiesti dati quali peso specifico, calore specifico, trasmittanza, fattore di resistenza al vapore e un paio di parametri che ne definiscono la reazione fisica all’energia radiante. Nella bibliografia tecnica è stato possibile reperire solamente una parte di tali valori ed esclusivamente per i materiali costruttivi più comuni. L’ipotesi di utilizzare di materiali alternativi quali argilla cruda ha richiesto l’aiuto di esperti ricercatori e comunque il ricorso all’interpolazione di valori di materiali similari; per quanto concerne l’utilizzo di vetri di ultima generazione, la definizione delle caratteristiche termofisiche ha coinvolto la stessa fabbrica di produzione. Per elaborare i dati tecnici così ottenuti, si è dovuto ricorrere ad un altro software specifico, preposto a questo fine. Altro aspetto che ha richiesto attente cure è stato l’inserimento dei dati geometrici. Le approssimazioni dovute ai limiti grafici del programma, per esempio la trasformazione di una curva in una spezzata, doveva infatti garantire l’equivalenza del volume sottoposto alla simulazione. Per gli altri dati relativi al vento, allo studio degli elementi riscaldanti e altro ancora, è stato possibile reperire dati sufficientemente attendibili ai fini di una simulazione altrettanto attendibile.

Dati di Output
Il modulo Result Analisis di ESP-r, è incaricato della selezione dei dati risultanti dalla simulazione e della loro organizzazione in forme comprensibili, quali grafici e tabelle. Il numero dei dati di output per l’intero edificio è ingente, anche considerando solo i valori della temperatura interna e del consumo in KWh. Per ognuna delle numerose zone termiche in cui è stato scomposto l’edificio è stata richiesta l’elaborazione dei dati relativi in quantità sufficiente a coprire tutto l’arco dell’anno. L’esame di sistemi complessi quali serre e sistemi di ombreggiamento mobili ha comportato la ricomposizione di gruppi di singole zone termiche su cui simulare non solo la stagione di riferimento ma anche le giornate più estreme per calore o freddo. I grafici relativi alla simulazione della serra offrono in dettaglio uno specchio chiaro del fenomeno fisico che si determina utilizzando ambienti capaci di ammortizzare l’input climatico. È anche evidente, dalle analisi condotte, lo sfasamento degli effetti climatici esterni grazie agli ambienti definibili come ‘cuscini termici’, per l’appunto, la serra. La ricomposizione dei risultati delle singole simulazioni è poi avvenuto applicando alcuni accorgimenti tecnici di sicurezza, per esempio moderando gli apporti a favore del risparmio energetico in stagioni termicamente miste quali la primavera o l’autunno.

Risultati
I numeri riportati sono frutto di una media pesata sull’intero edificio e quindi di esso rappresentativo. È ovvio che il comportamento termico delle diverse zone del manufatto vira leggermente dal tetto medio dichiarato, si omettono tuttavia i risultati parziali per ovvia sinteticità espositiva. Secondo tale studio, l’edificio completo di serre invernali risponde ai requisiti europei per acquisire il valore di casa passiva (meno di 15 KWh/annui per il riscaldamento invernale). Risultato formidabile quanto inaspettato! Allo stesso momento nascono alcune riflessioni: utilizzare tetti di consumo riferiti a climi nordeuropei potrebbe non essere adatto in ambiente mediterraneo. Il livello dei consumi rilevati per il raffrescamento estivo, infatti è piuttosto alto. Considerare quindi solamente il fabbisogno energetico invernale porta a trascurare un ingente problema ovvero la necessità di abbassamento della temperatura interna in estate. È vero che i dati ottenuti per la bella stagione risentono di un’analisi fluido-dinamica parziale e che probabilmente in fase di monitoraggio questi potrebbero rivelarsi più bassi; l’ordine di grandezza del risultato ottenuto pone comunque il problema di una definizione di uno standard energetico qualitativo, equivalente al LEH, per latitudini mediterranee ove la massima attenzione dovrebbe concentrarsi sul contenimento dei consumi estivi. Va sottolineato come questo lavoro di simulazione sia intervenuto in una fase progettuale dove l’impianto generale architettonico era già stato definito. Le variazioni possibili hanno potuto interessare la sostituzione di materiali, il dimensionamento delle tamponature e la morfologia dei dispositivi esterni, poggiati in facciata, quali serre e ombreggiamenti.
Ad ogni modo la sensazione di utilità e importanza dell’operazione è stata confermata quotidianamente dal dialogo con l’ufficio progettazione da dove partivano domande concrete su prestazioni di materiali e dimensionamenti vari, a cui è stato possibile offrire risposte su basi scientifiche. Ma un lavoro di simulazione avviato in fase progettuale iniziale potrebbe influire pesantemente sulle scelte formali e funzionali. Il potenziale che questo strumento possiede è infatti notevole e sottolinea ancora una volta quali cambiamenti stiano trasformando la professione di progettista, un tempo solitaria, ora multidisciplinare e di gruppo. Emergono all’orizzonte dunque nuove figure professionali, altamente specializzate, guida e appoggio per la progettazione e verifica. È probabile che tra qualche anno il settore progettuale italiano, cosiccome in Europa ove già esiste un mercato per queste nuove figure professionali, vanterà bravi professionisti specializzati in tutte le disparate materie necessarie al rinnovamento del percorso del costruire.
C’è dunque da aspettarsi che il mercato lavorativo in tempi brevi richieda questo e altri tipi di specializzazione ma ad esempio, dove dovrebbe avvenire la formazione di ‘simulatori termofisici’? L’Università italiana per il momento mantiene riserbo.