tradizionali ed innovativi: Il caso del progetto ELISSA Loredana Napolano, Valentina James
2. Materiali e Metod
Nel presente lavoro viene applicata la metodologia LCA, in accordo alle norme (ISO 14040, 2006; ISO 14044, 2006), per valutare le prestazioni energetico - ambientali di tre materiali isolanti: (i) Vacuum Insulation Panel (VIP); (ii) AErogel (AE) e Lana di Roccia (LR). L’obiettivo è quello di stimare e confrontare il profilo ambientale dei materiali isolanti innovativi sviluppati nell’ambito del progetto
ELISSA, VIP (Figura 1a) ed AE (Figura 1b) con l’ecoprofilo di un materiale
isolante tipicamente usato in edilizia, LR (Figura 1c).
(a) (b)
(c)
Figura 1: Materiali isolanti: (a) VIP; (b) AE; (c) LR
Il VIP è un materiale isolante costituito da un involucro ermetico in alluminio che racchiude e sigilla una schiuma di acido silicico, priva di aria. L’AE è costituito di silice amorfa e fibre di rinforzo e la LR è un silicato amorfo ricavato dalla roccia. Nel caso in esame, tali materiali sono usati come pannelli isolanti all’interno di una Parete Perimetrale Opaca (PPO), come riportato nela successiva Figura 2.
L'unità funzionale selezionata per eseguire l’analisi è 1 m2
di PPO contenente, di volta in volta, il materiale isolante da investigare. Si è considerato per ogni soluzione uno spessore di 2 cm e una vita utile di 40 anni. Gli elementi
costruttivi investigati (PPO1, PPO2, PPO3) si differenziano tra loro per il solo
materiale isolante (strato 9, Figura 2), mentre risultano invariati gli altri elementi che costituiscono la parete (Figura 2).
Nella succesiva Tabella 1 sono riportate le principali caratteristiche fisiche e meccaniche dei materiali isolanti oggetto d’indagine.
1) Lastra in cemento rinforzato
2) Profili in acciaio omega con intercapedine d'aria 3) Barriera al vapore 4) Lastra in gesso 5) Telaio in acciaio 6) Pittura intumescente (da applicare sull'acciaio) 7) Isolante in lana di roccia 8) Lastra in gesso
10) Profilo in acciaio 11) Isolante in lana di roccia 12) Lastra in gesso
13) Lastra in gesso 15 15 15
50 50 50
15 15 15
20
Centrato a 625 mm Centrato a 625 mm Centrato a 625 mm 9) Strato isolante VIP 20 AE 20 LR
147 147 147 15 15 15 Centrato a 625 mm Centrato a 625 mm 3,8 3,8 3,8 15 15 15 Centrato a 625 mm 26 26 26 0,04 0,04 0,04 12,5 12,5 12,5 Componente PPO1 mm/m2 PPO2 mm/m2 PPO3 mm/m2
Figura 2: Stratigrafia della parete Tabella 1: Proprietà materiali isolanti
Materiali
isolanti costruttivo Elemento Spessore (mm) (kg/mDensità 3) Quantità (kg/m2) Conducibilità λ (W/mK)
VIP PPO1 20 200 4 0,007
AE PPO2 20 100 2 0,0188
LR PPO3 20 36,5 0,73 0,035
Come si evince dalla Tabella 1, il VIP e l’AE offrono, rispettivamente, una
conducibilità termica λ di 0,007 e 0,019 W/mK, cioè circa 5 e 2 volte superiore rispetto al materiale LR.
I confini del sistema considerati, hanno incluso l’intero ciclo di vita dei materiali, secondo l’approccio “dalla culla alla tomba”, a partire dalla fase di approvvigionamento delle materie prime impiegate nella fase di produzione, fino alla fase di fine vita. In dettaglio:
1) nella fase di produzione dei materiali si è considerato il processo produttivo degli ingredienti che costituiscono i materiali isolanti nonché la realizzazione dei pannelli. In particolare in tale fase, come riportato in
2) Per la fase di installazione, sono state considerate le modalità di fissaggio dei materiali isolanti con gli altri elementi che costituiscono la parete. In particolare, mentre il VIP e l’AE sono fissati al supporto tramite adesivi a base di malta, la LR, invece, può essere posizionata e fissata tra i vari strati senza l’utilizzo di collanti.
3) la fase di uso è stata valutata considerando come parametro di
riferimento la perdita di calore per trasmissione della sola parete (ɸT).
La perdita di calore per trasmissione, secondo la norma (UNI EN 12831:2006) è funzionale a (Tabella 2):
superficie dell’elemento costruttivo (A); nel caso in esame ed in accordo
all’unità funzionale scelta, si è considerato 1 m2
di parete;
trasmittanza termica (U) della parete; la U è stata valutata considerando
gli spessori e le trasmittanze di tutti gli strati che costituiscono la parete (EN ISO 6946, 2008). Essendo tutti gli strati identici, ad eccezione dell’isolamento termico, la differenza di trasmittanza U è funzione unicamente del tipo di isolate utilizzato. A titolo d’esempio in Tabella 2 si riporta il calcolo della trasmittanza termica U per la sola parete
contenente il VIP (PPO1); il valore calcolato risulta essere 0,11 W/m2K.
Tabella 2: Trasmittanza termica U della PPO1 PPO1
Componenti s λ (W/mK) d/λ
(m2K/W)
(mm)
Lastra in cemento rinforzata 12,5 0,35 0,04
Intercapedine d'aria 26 0,14 0,19 Lastra in gesso 15 0,27 0,06 Pittura intumescente 3,8 0,08 0,05 Lana di roccia 147 0,035 4,2 Lastra in gesso 15 0,27 0,06 VIP 20 0,007 2,86 Lana di roccia 50 0,035 1,43 Lastra in gesso 15 0,27 0,06 Lastra in gesso 15 0,27 0,06
Resistenza Termica dei materiali della parete Rwall
(m2K/W) 8,98
Resistenza termica superficiale interna Ri (m2K/W) 0,13
Resistenza termica superficiale esterna Ro (m2K/W) 0,04
Resistenza torale della parete Rt (m2K/W) 9,15
differenza di temperatura tra interno ed esterno (∆T); ipotizzando di realizzare ed installare gli elementi costruttivi PPO nella zona climatica C (DPR n.412 26/08/93), la differenza tra temperatura interna (20 °C) ed esterna (2 °C) risulta essere 18 °C (UNI EN 5364, 1976);
dalla durata del periodo di riscaldamento espresso in giorni (G).
Considerando la zona climatica C, risulta che i giorni di riscaldamento risultano essere 137 (15 Novembre-31 Marzo, UNI EN 10349,1994). Le perdite di trasmissione del calore calcolate attraverso le tre pareti risultano
essere 2.0 W per la parete PPO1, 2,5 W per la PPO2 e 2,6 W per la PPO3, che
corrispondono, rispettivamente, ad una richiesta di riscaldamento (Q) di 388 MJ, 483 MJ e 518 MJ, valutate considerando una vita utile di 40 anni. Tutte le grandezze calcolate sono sintetizzate in Tabella 3. Si presume che il riscaldamento sia fornito da una caldaia a gas, comunemente utilizzata nella zona climatica C.
Tabella 3: Pedite di trasmissione di calore e fabbisogno termico Materiale isolante Parete (mA 2) U ∆T (°C) G ɸT (w) Q (MJ) VIP PPO1 1 0,11 18 137 2,0 388 AE PPO2 0,14 2,5 483 LR PPO3 0,15 2,6 518
A parità di spessore, quindi, il VIP e l’AE consentono, rispettivamente, una riduzione dei consumi di circa il 25% e 7% rispetto al materiale LR.
4) Per la fase di fine vita si è considerata la decostruzione manuale dei pannelli con l’obiettivo di limitare i danni e non compromettere l'integrità degli strati isolanti. Nel caso specifico, per l’AE e la LR, si è considerato lo smaltimento in discarica autorizzata come rifiuti non pericolosi (CER 17 06 04), mentre, per il VIP si è ipotizzato che il cuore in silice possa essere riciclato per la produzione di nuovo materiale isolante e che, invece, l’involucro esterno venga smaltito in discarica.
I dati primari relativi alla intera filiera di produzione dei materiali isolanti sono stati raccolti mediante questionari sottoposti ai partner di progetto e sono stati integrati con dati secondari acquisiti dal database Ecoinvent (Hedemann & Konig, 2007) presente nel software SimaPro.
La valutazione di impatto ambientale è eseguita considerando i sei indicatori ambientali definiti dalla (UNI EN 15804, 2012) per i materiali da costruzione: Riscaldamento globale (GWP), Riduzione della fascia di ozono (ODP) Acidificazione del suolo e delle acque (AP), Eutrofizzazione (EP), Potenziale di formazione fotochimica dell’ozono (POCP), Esaurimento delle risorse abiotiche
3. Risultati
In Figura 3, sono riportati i risultati dell’analisi LCA ottenuti dal confronto tra le diverse tipologie di pareti. Dalla valutazione degli impatti emerge che la soluzione contenente AE presenta il maggior impatto ambientale, mentre la soluzione con VIP risulta risulta essere quella più sostenibile in tutte le categorie di impatto. -10% 0% 10% 20% 30% 40% 50% 60% 70% 80% 90% 100%
GWP ODP AP EP POPC ADP
PPO2 PPO1 PPO3
Figura 3: Risultati LCA (%)
I risultati dell’analisi LCA, espressi in termini di indicatori ambientali e per ogni fase del ciclo di vita sono riportati in Figura 4. Si noti come il contributo più consistente, per il VIP e l’AE, in ogni indicatore ambientale, sia legato alle fasi di produzione dei materiali e di uso.
Si noti invece, come la fase di produzione materiali nel caso della LR, non incida sul profilo ambientale di questa soluzione. Questo risultato è attribuibile principalmente ai minori quantitativi di LR prodotti in questa fase, circa il 30- 60% in meno rispetto alle altre due alternative, come riportato in Tabella 1. Risulta invece, che la sua performance ambientale, sia influenzata quasi esclusivamente dalla fase di uso. In particolare, il consumo energetico stimato
in Tabella 3 (Q) per la parete contenente LR (PPO3) determina un maggiore
impatto ambientale per la fase di uso di questa soluzione. Ad esempio, l’impatto
stimato nella categoria GWP per la fase di uso della PPO3, è 35,3 kg CO2 eq.,
mentre quelli imputabili alla fase di uso della PPO1 e PPO2 sono,
rispettivamente, 26,5 e 32,9 kg CO2 eq.
Come specificato, per la fase di installazione è stato previsto il fissaggio con malta adesiva del VIP e dell’AE con gli altri elementi che costituiscono la parete, mentre non è stato usato alcun tipo di materiale per la LR; risulta chiaro quindi,
che le PPO1 e PPO2, per i quantitativi di adesivo impiegato, presentino un
PPO1 PPO2 PPO3 End of life -3,18E+01 1,42E-02 7,31E-03 Use 2,65E+01 3,29E+01 3,53E+01 Construction 2,81E-01 2,81E-01 0,00E+00 Production 2,94E+01 1,30E+01 7,90E-01
-40 -30 -20 -100 10 20 30 40 50 60 kg CO2 e q GWP
PPO1 PPO2 PPO3 End of life -1,47E-01 8,06E-05 4,06E-05 Use 8,08E-03 1,00E-02 1,08E-02 Construction 4,28E-04 4,28E-04 0,00E+00 Production 1,31E-01 8,10E-02 5,24E-03
-2,00E-01 -1,50E-01 -1,00E-01 -5,00E-02 0,00E+00 5,00E-02 1,00E-01 1,50E-01 2,00E-01 kg SO 2 e q . AP
PPO1 PPO2 PPO3 End of life -5,73E-02 2,06E-05 1,06E-05 Use 1,79E-02 2,23E-02 2,39E-02 Construction 1,19E-04 1,19E-04 0,00E+00 Production 5,45E-02 6,18E-03 1,30E-03
-8,00E-02 -6,00E-02 -4,00E-02 -2,00E-02 0,00E+00 2,00E-02 4,00E-02 6,00E-02 8,00E-02 kg PO4 -- eq EP
PPO1 PPO2 PPO3 End of life -5,60E+02 3,94E-01 5,37E-01 Use 4,63E+02 5,76E+02 6,18E+02 Construction 1,91E+00 1,91E+00 0,00E+00 Production 5,14E+02 8,53E+01 6,36E+01
-8,E+02 -6,E+02 -4,E+02 -2,E+020,E+00 2,E+02 4,E+02 6,E+02 8,E+02 1,E+03 1,E+03 M J Pr im ar y ADP
Figura 4: Risultati LCA, funzione di ogni fase del ciclo di vita ed indicatore ambientale
Dall’analisi dei risultati emerge, infine, che il riciclaggio del VIP, ed in particolare del cuore in silice, consente di avere benifici ambientali nella fase di fine vita e in tutti gli indicatori ambientali considerati. Tali benefici, espressi in impatti ambientali negativi, riescono a bilanciare gli impatti imputabili alle altre fasi del
ciclo di vita, determinando per la soluzione PPO1 un miglior profilo ambientale
se comparato alle altre alternative.
4. Conclusioni
Nel presente studio, sono state esaminate le prestazioni ambientali di tre materiali usati come pannelli isolanti in pareti perimetrali opache: 1) Vacuum Insulation Panel (VIP), 2) Aerogel (AE) e 3) Lana di Roccia (LR) sviluppati nel corso del progetto ELISSA. Lo studio è stato condotto attraverso l’utilizzo della tecnica LCA con approccio “dalla culla alla tomba” che, ha fornito le indicazioni relative al carico ambientale associato alle diverse tecniche di isolamento.
Sebbene sia stato dimostrato che le due soluzioni innovative, VIP ed AE, consentano di ridurre i consumi energetici di circa il 15% rispetto ai materiali tradizionali, il loro impatto ambientale risulta essere maggiore. Ad incidere negativamente sull’impatto ambientale del VIP e dell’AE è, in particolare, la fase di produzione dei materiali. Tuttavia, i risultati LCA hanno documentato che il potenziale riciclaggio del VIP a fine vita consente di ridurre l’impatto ambientale di questa soluzione, determinandone un miglior profilo ambientale se comparato alle altre alternative.
In conclusione, le analisi LCA presentate possono fornire ai progettisti informazioni utili sugli impatti ambientali di diversi sistemi di isolamento; dati che, potrebbero essere utilizzati come strumento di supporto alle decisioni durante la progettazione e realizzazione di un sistema edilizio nella scelta della soluzione di isolamento termico più sostenibile. Infine, i risultati ottenuti possono essere anche impiegati per individuare l’elemento che più incide sul profilo ambientale delle soluzioni innovative, nonché di identificare delle strategie per il raggiungimento e miglioramento del livello di sostenibilità delle stesse.
5. Ringraziamenti
La presente attività di ricerca è stata sviluppata nell’ambito del progetto di
ricerca ELISSA (Energy efficient LIghtweight- Sustainable-SAfe –steel
costruction) rientrante nel settimo programma quadro. Gli autori intendono ringraziare tutti i partner di progetto (NTUA, KNAUF, Univeristà degli studi di Napoli FEDERICO II, COCOON, ZAE BAYERN, ULSTER University, FARBE, VA-Q-TEC, WOLFEL) per la collaborazione e il contributo tecnico-scientifico fornito.
6. Bibliografia
Anastaselos, D, Giama, E, Papadopoulos, A, 2009. An assessment tool for the energy,economic and environmental evaluation of thermal insulation solutions. Energ Buildings. 41, 1165–1171;
DPR n.412 26/08/93, Regolamento recante norme per la progettazione, l'installazione, l'esercizio e la manutenzione degli impianti termici degli edifici ai fini del contenimento dei consumi di energia;
ELISSA project, 2013 (Energy efficient LIghtweight- Sustainable-SAfe –steel costruction),
http://elissaproject.eu/;
EN ISO 6946, 2008. Building components and building elements - Thermal resistance and thermal transmittance - Calculation method;
Hedemann, J,& König, U, 2007. Technical Documentation of the Ecoinvent 3 Database. Final report Ecoinvent 3 data v2.0, No. 4. Swiss Centre for Life Cycle Inventories, Dübendorf, CH; ISO 14040, 2006. Environmental management. Life cycle assessment: principles and guidelines;
ISO 14044, 2006. Environmental management. Life cycle assessment: Requirements and guidelines;
Cabeza, LF, Rincón, L, Vilariño, V, Pérez, G, Castell, A, 2014. Life cycle assessment (LCA) and life cycle energy analysis (LCEA) of buildings and the building sector: A review. Renew Sust Energ Rev. 29, 394–416;
Ozel, M, (2012). Cost analysis for optimum thicknesses and environmental impacts of different insulation materials, Energ Buildings. 49, 552–559;
Pargana, N, Duarte Pinheiro, M, Dinis Silvestre, J, de Brito, J, 2014. Comparative environmental life cycle assessment of thermal insulation materials of buildings. Energ Buildings 82, 466–481;
UNEP, Buildings and Climate Change: Status, Challenges and Opportunities,United Nations Environment Programme, New York, USA, 2007, pp. 87;
UNI EN 12831, 2006. Heating systems in buildings: Method for calculation of the design heat load;
UNI EN 15804, 2012. Sustainability of construction works—environmental product declarations—core rules for the product category of construction products;
UNI 10349, 1994. Riscaldamento e Raffrescamento degli edifici, dati climatici; UNI 5364, 1976. Temperature esterne invernali di progetto.