Con lo scopo di approfondire lo studio sulla valutazione economica degli interventi di ottimizzazione energetica degli edifici, è stata effettuata un’attenta revisione di parte della letteratura scientifica internazionale relativa a studi di ricerca in tale ambito, i quali preve-dono l'applicazione della metodologia comparativa europea a partire da approcci diversi.
Molte delle opere analizzate propongono una breve review della letteratura in materia. La ricerca copre un lasso temporale di dieci anni, dal 2011 al 2020. Kurnitski et al. [17] hanno riportato una rigorosa procedura scientifica per valutare il rendimento energetico ottimale in termini di costi e nZEB degli edifici residenziali in Estonia. Più precisamente è stata
sele-3 Secondo la direttiva 2010/31/UE per nZEB, “edificio a energia quasi zero”, si intende un edificio ad elevatissime prestazioni energetiche che riduce il più possibile i consumi per il suo funzionamento e l’impatto nocivo sull’ambiente. Inoltre, la quantità quasi zero di energia richiesta dovrebbe essere coperta pressoché del tutto dall’energia proveniente da fonti rinnovabili.
Primary Energy Consumption (kWh/m2) Global Costs (€/m2)
30 zionata una serie di edifici di riferimento che includono diversi concetti di costruzione, va-lutando allo stesso tempo molteplici sistemi tecnici come caldaie a biomassa, pompe di ca-lore, riscaldatori elettrici, nonché teleriscaldamento e raffreddamento. Per i calcoli econo-mici è stata seguita la norma EN 15459, inoltre è stato stimato il costo globale relativo alle prestazioni energetiche incrementali come somma del costo di costruzione attinente a tali performance e del costo energetico scontato per 30 anni, compreso interamente l’impiego di energia elettrica e di riscaldamento, rispetto alla soluzione di riferimento:
dove Cg è il costo relativo alla prestazione energetica incrementale globale incluso nei calcoli, NPV, €/m2; CI è il costo di costruzione relativo alla performance energetica incluso nei calcoli, €; Ca,i è il costo energetico annuo durante l'anno i, €; Rd(i) è il fattore di sconto per l'anno i; Cref è il costo relativo al rendimento energetico globale incluso nei calcoli dell'e-dificio di riferimento BAU, NPV,€; Afloor è la superficie netta riscaldata, m2.
L’analisi dei costi globali ha dimostrato che un consumo di energia primaria annuale di 110 kWh/(m2•a), ottenibile con l'installazione di una pompa di calore geotermica, rappre-senta lo scenario ottimale, di gran lunga inferiore al requisito minimo di 180 kWh/(m2•a) imposto dalla legislazione estone. Al contrario, il livello nZEB (40 kWh/(m2•a)) è ancora lontano dall’essere raggiunto dal momento che comporterebbe un significativo costo di in-vestimento aggiuntivo (239 €/m2).
La stessa area geografica è stata oggetto di interesse da parte di Pikas et al. [18], i quali hanno presentato un caso relativo ad edifici per uffici con l’obiettivo di determinare quali soluzioni di facciata siano ottimali in termini di costi nell'attuale contesto economico nonché il costo aggiuntivo per il raggiungimento di un livello di prestazioni nZEB. Così come per la situazione precedente, è stato calcolato il costo globale relativo alle prestazioni energeti-che incrementali come somma del costo di costruzione relativo al rendimento energetico e del costo energetico scontato per 20 anni. La migliore soluzione a livello economico è stata individuata in un edificio con un consumo di energia primaria ≤130 kWh/m2 rispetto al re-quisito minimo estone pari a 160 kWh/m2. D’altra parte, edifici nZEB (≤100 kWh/m2) non sono ancora convenienti in termini di costi. È emerso che l’efficienza energetica ed econo-mica si può raggiungere tramite l’impiego di finestre riempite di argon a triplo vetro con un piccolo rapporto finestra/parete (Window to Wall Ratio – WWR) e spessori isolanti di 200 mm. Inoltre, grazie ad analisi di sensibilità si prevede che l'ottimo economico risulterà più (6)
31 conveniente nel prossimo futuro con l'escalation dei prezzi dell’energia e la riduzione dei costi di costruzione di pannelli fotovoltaici e / o finestre con quattro pannelli.
Se gli studi finora trattati si riconducono ad un contesto climatico sub-continentale, Ba-glivo et al. [19] hanno esplorato i livelli ottimali in funzione dei costi di edifici unifamiliari nell’area mediterranea (a Lecce), esaminando ben 168 combinazioni di misure di efficienza energetica. Queste prevedono, come involucri esterni, pareti piuttosto sottili (per diminuire gli effetti dei carichi termici esterni durante l'estate) preferibilmente con soli cinque strati e uno spessore massimo di 430 mm, finestre di materiale volto a ridurre il più possibile le perdite di energia, l'installazione di sistemi di riscaldamento come pompe di calore e tecno-logie ad energia solare. Per ogni configurazione sono stati calcolati il fabbisogno energetico primario e i costi globali. Quest’ultimi sono stati valutati attraverso un’analisi finanziaria ed una macroeconomica. Tenendo conto che lo scenario di riferimento è caratterizzato da una domanda di energia primaria pari a 59.06 kWh/(m2•a) e da costi globali (in termini finan-ziari) di 495.6 €/m2, la soluzione economicamente ottimale mostra che il consumo può essere ridotto tra il 68% e il 95% rispetto alla situazione di riferimento. In particolare, la configu-razione ottimale ottenuta da un'analisi finanziaria evidenzia una richiesta di energia primaria di 8,99 kWh/(m2•a) e un costo globale di 342.79 €/m2, mentre la combo ottimale derivata da un'analisi macroeconomica mostra una domanda di 3,28 kWh/(m2•a) e un costo globale di 309.47 €/m2.
Nella stessa zona sono state valutate soluzioni tecniche ottimali in termini di costi per edifici multi-residenziali ad alte prestazioni [20]. La procedura eseguita è identica allo studio precedente, così come le varie considerazioni legate agli involucri esterni e ai sistemi tecnici.
Sono state prese in esame 144 combinazioni di misure di efficienza energetica raggruppate in pacchetti e, tra queste, la migliore è risultata essere la configurazione che presenta come consumo energetico primario 10,41 kWh/(m2•a) e come costo globale 237 €/m2, rispetto allo scenario di riferimento caratterizzato da un fabbisogno di 99,34 kWh/(m2•a) e da un costo di 389 €/m2. Tale risultato è stato ottenuto mediante una pompa di calore geotermica ed un impianto HVAC costituito da ventilconvettori per la richiesta di riscaldamento, raffresca-mento e deumidificazione, Inoltre, la soluzione ottimale mostra una riduzione delle emis-sioni di CO2 pari all’88% (per l’edificio di riferimento le emissioni sono di 25 kg CO2/m2).
Becchio et al. [21], invece, hanno valutato la performance economica di diverse combi-nazioni di misure di efficienza energetica su un edificio unifamiliare di nuova costruzione a Torino. Al fine di identificare la configurazione ottimale con il costo globale più basso, sono
32 stati eseguiti calcoli economici basati sul metodo del costo globale della norma EN 15459.
Tre configurazioni di sistemi hanno raggiunto un bilancio NZEB4 ma, pur essendo tecnica-mente fattibili, non conseguono l’optimum economico. Rispetto all’edificio di riferimento (consumo netto di energia primaria di 118 kWh/(m2•a) e costo globale di 2145 €/m2), infatti, la soluzione NZEB migliore presenta un valore superiore a 300 €/m2 in più in termini di costo globale. D’altro canto, la soluzione economica ottimale mostra una riduzione di 17
€/m2 rispetto allo scenario di riferimento e un consumo netto di energia primaria pari a 103 kWh/(m2•a). Lo studio ha dimostrato che, tramite l’integrazione degli impianti convenzio-nali (come caldaia a gas) con un certo numero di sistemi altamente efficienti (es. collettori solari, pannelli fotovoltaici), la riqualificazione degli involucri esterni e la produzione di energia in loco da fonti rinnovabili, si possono raggiungere livelli di consumo NZEB, o per-lomeno quasi zero.
Carpino et al. [22] hanno analizzato la ristrutturazione di un tipico edificio popolare ita-liano con l’obiettivo n-ZEB, sottoponendo la stessa costruzione di riferimento all’analisi ot-timale per due zone climatiche (E, più fredda, ed A, più calda), considerando i servizi relativi al riscaldamento, raffreddamento e produzione di ACS (Acqua Calda Sanitaria) in due modi diversi. Quando l'analisi si concentra solo sul riscaldamento + produzione ACS, è emerso che la soluzione economica ottimale nella zona climatica più fredda non è lontana dall’obiet-tivo n-ZEB, d’altra parte in quella più calda coincide già con l’etichetta n-ZEB+ (identifica una configurazione edilizia che, durante il periodo di analisi considerato, produce una quan-tità di energia maggiore di quella assorbita grazie alle fonti rinnovabili). Esaminando la si-tuazione comprendente riscaldamento, raffrescamento e produzione ACS si rilevano, ovvia-mente, richieste di energia primaria netta maggiori che hanno portato a un difficile raggiun-gimento dell’obiettivo “energia quasi zero”. Infatti, per la zona climatica E la soluzione eco-nomicamente ottimale presenta costi globali pari a 1.158,40 €/m2 e un consumo energetico di 19,82 kWh/m2 rispetto ai 1.265,60 €/m2 e a 38,01 kWh/m2 della configurazione BRL (Basic Refurbishment Level, scenario di riferimento a cui sono stati applicati interventi ne-cessari per ottenere prestazioni energetiche minime), mentre per la zona A sono stati rilevati un costo globale di 1.147,5 €/m2 e un fabbisogno energetico di 46,1 kWh/m2 in opposizione a 1.228.74 €/m2 e 55.96 kWh/m2 della soluzione BRL.
4 “Net Zero Energy Building”, indica un edificio ad energia netta nulla, ovvero che produce tanta energia quanta ne utilizza nel corso di un anno.
33 Hamdy et al. [23] hanno studiato un approccio di ottimizzazione energetica ed economica in tre fasi per edifici residenziali. Nel dettaglio, si propone un metodo di ottimizzazione ba-sato sulla simulazione per le case unifamiliari in Finlandia. È stato considerato un numero elevato (> 3 × 109) di combinazioni di varie misure, tra cui materiali potenziati per involucri da costruzione, unità di recupero del calore, sistemi di riscaldamento/raffreddamento e tec-nologie di utilizzo dell'energia solare. I risultati hanno indicato che la soluzione ottimale in termini di costi evidenzia un livello minimo di prestazione energetica intorno ai 92 kWh/(m2•a), inferiore del 47% rispetto allo scenario di riferimento (172 kWh/(m2•a)).
Inoltre, investire in impianti solari permette di ridurre ulteriormente il consumo di energia primaria e migliorare, entro certi limiti, la fattibilità economica: è possibile conseguire, in-fatti, livelli n-ZEB con circa 70 kWh/(m2•a).
È noto, a questo punto, che l'efficienza energetica di un edificio è definita da due elementi:
involucro e impianti. In base a quanto sia ben isolato ed ermetico un involucro, e all'inerzia termica delle pareti esterne, la richiesta di energia per il riscaldamento e raffreddamento potrebbe subire variazioni notevoli. In merito a questo, Fokaides et al. [24] ha condotto un’analisi sullo spessore di isolamento ottimale in termini di costi in climi secchi e mesoter-mici. Nel dettaglio, viene stabilito e discusso un modello aggiornato basato sulla massimiz-zazione di una funzione che fornisce il ritorno ottimale del capitale investito e il conseguente risparmio sui costi energetici. Lo spessore di isolamento ottimale dal punto di vista econo-mico è esprimibile come:
Esso dipende, pertanto, dalla conducibilità termica del materiale isolante, dalla resistenza termica complessiva della parete non isolata (A2), dal prodotto cumulativo del DD (Degree-Day) e il costo annuo dell'energia primaria diviso per l'efficienza del processo di conversione dell'energia (A3) e dall’escalation del prezzo dell'isolamento rispetto allo spessore (A4). Il modello è stato applicato alle città di Roma, Atene e Madrid: ciò che è emerso è che i requi-siti minimi dei valori U delle pareti esterne sono notevolmente superiori rispetto ai valori derivati dal modello proposto.
D’agostino et al. [25] hanno posto l’attenzione sulla valutazione dello spessore ottimale di isolamento per un edificio per uffici in zone climatiche differenti, tenendo conto anche del comfort termico. Per le città di Milano e Palermo la migliore soluzione dal punto di vista energetico è caratterizzata dall'intero involucro edilizio coibentato tranne il piano terra ed è (7)
34 idonea per tutti e tre i carichi termici considerati (10, 20 e 30 W/m2). In termini di costi la soluzione ottimale prevede che gli spessori di isolamento non debbano superare 2-4 cm per Palermo, mentre 8-10 cm per Milano. Tuttavia, integrando l’analisi ottimale dei costi al fine di considerare anche il comfort termico, per Milano si ottiene un’altra soluzione, migliore a livello economico, ovvero quella caratterizzata dall’isolamento sull’intero involucro opaco.
Gli spessori ottenuti risultano conformi ai requisiti minimi italiani. Per la città de Il Cairo, invece, lo spessore di isolamento è sempre svantaggioso a causa di estati molto calde ed inverni miti. Il fabbisogno energetico, infatti, in funzione dello strato isolante diminuisce regolarmente in inverno, mentre in estate aumenta in maniera più che proporzionale. Per un clima caldo, si fa pertanto riferimento a spessori ridotti, o addirittura nulli, in quanto, pur applicando uno spessore molto sottile per ottenere un leggero calo della domanda energetica globale, non si trarrebbe alcun beneficio economico.
In tema di comfort termico interno, Tanasa et al. [26] hanno esaminato i livelli ottimali relativi ai costi di prestazioni energetiche e alla qualità ambientale interna per un edificio bifamiliare costruito a Timisoara, in Romania (zona con clima temperato-continentale). L'a-nalisi sviluppata ha dimostrato che la casa “as built” è una soluzione economicamente otti-male per edifici residenziali a energia quasi zero in Romania, in relazione allo scenario di riferimento virtuale considerato. A livello di rendimento energetico la casa rientra esatta-mente nei limiti del consumo di energia primaria richiesto per n-ZEB residenziale nella zona climatica considerata (111 kWh/(m2•a)) rispetto ai 194,5 kWh/(m2•a) dell’edificio di riferi-mento virtuale. Tuttavia, lo scenario più efficiente dal punto di vista energetico è stato quello che ha sostituito la pompa di calore aria-acqua con una pompa di calore geotermica, sistemi di ombreggiamento e 20 pannelli fotovoltaici. Un risultato rilevante di questa ricerca è che si può raggiungere uno standard n-ZEB, se abbinato a impianti tecnici efficaci e / o alla produzione di energia rinnovabile, pur essendo il livello di isolamento inferiore a quello delle case passive. In relazione alla qualità ambientale interna, questa è stata valutata dopo un anno intero di misurazioni nell'edificio occupato. L'ambiente termico della casa raggiunge, durante l’anno, il 64,2% del livello più elevato di comfort, anche se in un breve periodo di agosto la casa ha subito un surriscaldamento. Considerando la qualità dell'aria interna, la concentrazione di CO2 è stata mantenuta entro limiti accettabili durante tutto l'anno.
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