Facoltà di Ingegneria Edile-Architettura
Corso di Laurea in Ingegneria dei Sistemi Edilizi
L’AUDIT ENERGETICO E LA RIQUALIFICAZIONE A LIVELLO
DI “QUARTIERE”
Il caso di Castenedolo
Relatore: Prof. Enrico DE ANGELIS
Correlatore: Ing. Ermanno SERRA
Tesi di:
Marta BARBARITO
Matricola n. 783713
Lo studio della presente tesi è incentrato sull’audit energetico di un nucleo abitato comprendente 35 abitazioni. Scopo del lavoro è individuare interventi efficienti per la riqualificazione energetica degli edifici e verificarne l’impatto se eseguiti per l’intero villaggio. Il processo di audit ha riguardato principalmente sei abitazioni selezionate come campione, per poi estendere l’analisi alla zona d’interesse.
La diagnosi energetica dello stato attuale ha permesso di individuare le criticità e ipotizzare interventi migliorativi. Quindi si è valutato il rapporto tra il costo e il potenziale miglioramento degli interventi ipotizzati e si sono individuate le opportunità più efficienti. Poi l’analisi economica ha permesso di selezionare l’intervento più vantaggioso nel lungo periodo. A conclusione del processo di audit si sono redatti i report per le abitazioni di riferimento, che riassumono i risultati raccolti.
Infine si è studiata la fattibilità di installazione di un impianto cogenerativo che sia in grado di far fronte alla richiesta di energia elettrica e in parte di quella termica del “quartiere”.
Sommario
Introduzione ... 6
1. Audit energetico ... 8
1.1 Il sistema energetico ... 9
1.2 La modellazione di sistemi energetici ... 12
1.3 Il processo di audit energetico ... 14
2. Audit energetico di un edificio ... 17
2.1 Retrofit energetico ... 18
2.2 Casi esemplari in Italia e in Europa ... 19
3. Caso di studio: un villaggio di Castenedolo ... 22
3.1 Contestualizzazione ... 22
3.1 Audit di Livello 0 ... 26
4. Audit energetico di primo livello ... 30
4.1 Sopralluogo e raccolta dati ... 30
4.2 Bilancio energetico nel periodo invernale ... 30
4.3 Fabbisogno energetico per il riscaldamento: calcolo stagionale ... 32
4.3 Illustrazione del metodo per il calcolo del Qh. ... 33
Fattore di forma ... 39
Apporti termici solari ... 39
Disperdimenti per ventilazione ... 42
Disperdimenti per trasmissione ... 42
Fattore di utilizzazione degli apporti termici ... 43
4.4 Calcolo del fabbisogno di energia primaria per il riscaldamento EPH... 46
Fattore di scala ... 51
5. Stima del fabbisogno energetico del villaggio... 53
6. Interventi sull’involucro ... 58
6.1 Isolamento a cappotto... 59
Scheda ergotecnica di lavorazione ... 60
Stima del costo della lavorazione ... 62
6.2 Isolamento del sottotetto ... 63
Procedura per la posa ... 64
Stima del costo della lavorazione ... 64
6.3 Sostituzione dei serramenti ... 64
Procedura per la sostituzione ... 65
Stima del costo della lavorazione ... 65
7. Sostituzione del generatore di calore ... 66
7.1 Il controllo delle temperature: valvola termostatica e cronotermostato ... 66
7.2 Caldaia a condensazione ... 67
Manutenzione e gestione ... 67
7.3 Pompa di calore ... 68
Manutenzione e gestione ... 69
8. Valutazione costi- benefici ... 70
Interventi integrati ... 70
Calcolo EPH limite ... 73
9. Analisi economico-finanziaria ... 74
9.1 Periodo di ritorno semplice ... 74
9.2 Incentivi fiscali ... 75
9.3 Calcolo finanziario ... 77
Valore attuale netto ... 80
10. Fase Finale dell’Audit: i Report ... 83
Abitazione BIFAMILIARE “Δ69”, via Alcide De Gasperi n. 7 ... 84
Presentazione immobile ... 84
Diagnosi energetica ... 87
Interventi migliorativi... 88
Analisi economica ... 90
Abitazione BIFAMILIARE “P”, via Alcide De Gasperi n. 29 ... 93
Abitazione BIFAMILIARE “R”, via A. De Gasperi n. 27 ... 102
Abitazione SINGOLA “Epsilon”, via A. De Gasperi n. 19 ... 111
Abitazione SINGOLA “Epsilon”, via A. De Gasperi n. 2 ... 120
Abitazione SINGOLA “Epsilon”, via A. De Gasperi n. 26 ... 129
11. Impatto degli interventi a livello di villaggio ... 138
11.1 Calcolo EPh ... 138
11.2 Calcolo emissioni di CO2 ... 139
12. Impianto di quartiere: la cogenerazione ... 141
12.1 Sistemi di cogenerazione ... 141
MCI- Motori a Combustione Interna alternativi ... 142
MTG- Microturbine a gas ... 144
12.2 Quadro legislativo italiano ... 145
12.3 Dimensionamento dell’impianto ... 147
12.4 Inserimento dell’impianto nel quartiere ... 149
12.5 Analisi economica ... 151
Conclusioni ... 152
Bibliografia... 154
Normative tecniche ... 156
Sitografia ... 158
Indice delle figure ... 159
Indice delle tabelle ... 160
Allegati ... 162
Risultati calcoli Audit Livello 0 ... 162
Risultati degli interventi ipotizzati per le sei abitazioni di riferimento: ... 174
Risultati analisi economica per le sei abitazioni di riferimento ... 187
Report analisi con Easy Trigen ... 199
Introduzione
Il problema energetico è un problema comune, e questa consapevolezza ha portato a stabilire precisi obiettivi a livello internazionale, al fine di ridurre i consumi e le emissioni di gas serra. Per raggiungere questi scopi bisogna puntare all’efficienza energetica, quindi fare delle scelte che permettano di utilizzare minore energia per produrre la stessa quantità di servizi.
La prima parte di questo lavoro di tesi è dedicata proprio all’audit energetico, un processo necessario ed efficace per raggiungere l’efficienza di un qualsiasi sistema energetico. La prima fase dell’audit è la diagnosi energetica del caso di studio, segue l’individuazione del potenziale di efficienza e l’analisi di fattibilità tecnico-economica, che porta poi alla scelta del miglior intervento possibile. Il processo di audit può essere applicato alla riqualificazione energetica di un edificio o gruppi di edifici in quanto sistemi energetici. L’efficienza energetica in campo edilizio è molto importante se si pensa che il 35 % dei consumi nazionali è dovuto al settore civile e che per il settore residenziale il 70 % dei consumi è determinato dal riscaldamento domestico. La diagnosi energetica di un edificio o di un gruppo di edifici, consiste nel fornire un’adeguata conoscenza del profilo di consumo energetico, individuare e quantificare le opportunità di risparmio energetico sotto il profilo costi-benefici. In questo senso la presente tesi intende definire una metodologia di riferimento per la diagnosi energetica degli edifici ad uso residenziale, mirata al contenimento dell’energia termica.
La seconda parte del testo è dedicata allo studio di fattibilità di retrofit energetico di un villaggio comprendente 35 abitazione nel comune di Castenedolo (BS). Il processo di audit applicato a questo caso di studio si è sviluppato su tre livelli. Si è definito livello 0 la fase di diagnosi energetica preliminare, eseguita in modo piuttosto rapido, dopo aver raccolto le prime informazioni fondamentali, da cui si è delineato il quadro generale del fabbisogno energetico del villaggio. In seguito al sopralluogo e ad una maggiore raccolta di informazioni si è eseguita una diagnosi più approfondita di sei edifici campione. I risultati ottenuti attraverso il bilancio energetico stagionale, sono
stati comparati con i consumi indicati dalle bollette fornite dagli utenti. Il terzo livello di audit vede l’estensione a livello di “quartiere” dell’analisi energetica. Eseguita la diagnosi dello stato attuale si procede, come previsto dal processo di audit, all’individuazione dei sottosistemi in cui le dispersioni sono maggiori e su cui è bene intervenire. Quindi si sono ipotizzati interventi sull’involucro per ridurre le dispersioni e interventi per il miglioramento dell’impianto di riscaldamento, come l’applicazione di valvole termostatiche, l’installazione di una caldaia a condensazione o di una pompa di calore aria-acqua. Si sono poi quantificate le opportunità di risparmio energetico sotto il profilo costi-benefici per ogni intervento, ipotizzando anche la contemporaneità degli stessi interventi. Nel nono capitolo è descritta l’analisi economico- finanziaria: è stato calcolato inizialmente il tempo di ritorno semplice per recuperare il primo investimento considerando soltanto il risparmio netto; poi è stato calcolato il costo globale degli interventi analizzati considerando i costi annuali e il tasso di crescita del vettore energetico.
Nel decimo capitolo sono illustrati i possibili benefici energetici ottenibili attraverso gli interventi integrati, valutati a livello di quartiere.
Il testo si conclude con la descrizione della valutazione di un impianto di cogenerazione che riesca a provvedere ai fabbisogni termici ed elettrici dell’intero villaggio.
1. Audit energetico
L’audit energetico è “un’indagine preliminare necessaria in qualsiasi intervento volto ad ottenere una riduzione dei costi energetici”. Costituisce la fase che precede l’avvio di un qualsiasi progetto di efficienza energetica: in base ai risultati ottenuti è possibile stabilire in anticipo se un intervento sia fattibile e conveniente, sia dal punto vista tecnico che economico. L' applicazione dell' audit energetico deve essere dunque eseguita in modo da fornire un quadro completo del contesto di analisi, andando a focalizzare l'attenzione e gli approfondimenti su delle aree caratterizzate dai maggiori potenziali di miglioramento.
Diversi modelli di audit sono accumunati dal fatto di distinguere livelli di approfondimento differenti che gradualmente consentono di approfondire il grado di analisi andando progressivamente a focalizzare l’attenzione su aspetti anche molto puntuali. Ad un incremento del livello di dettaglio l’audit può variare da una impostazione qualitativa a una sempre più quantitativa.
Una fase molto importarle di un audit energetico è quella della mappatura dei flussi energetici, eseguita con il livello di dettaglio consentito dalle informazioni disponibili, grazie alla quale si evidenziano eventuali anomalie. Un' altra fase molto importante è l'anagrafica tecnica del sito che consente di definire la struttura fisico–funzionale del sito e i flussi energetici. Allo scopo di ottenere una descrizione più chiara, dove possibile, è opportuno supportare la fase di analisi con apposite campagne di misura energetica, sia rispetto alle grandezze elettriche sia a quelle termodinamiche. Per trarre delle conclusioni rispetto al comportamento di un sistema, è necessario che le informazioni siano effettivamente significative da un punto di vista statistico e con un livello di confidenza accettabile. Poi ciascuna opportunità di intervento deve essere valutata sia da un punto di vista tecnico, anche attraverso l’uso di metodi di simulazione, sia da un punto di vista economico finanziario. La scelta degli interventi dipenderà dalle priorità d’intervento e dal guadagno prospettato.
1.1
Il sistema energetico
Il sistema energetico è un insieme di elementi fra loro collegati da relazioni funzionali, a cui è associato un flusso di energia per produrre un effetto utile. Il sistema energetico deve essere in grado di estrarre l’energia dalla risorsa di partenza, di farla fluire nella forma più opportuna e utilizzarla attraverso idonee tecnologie in grado di rendere disponibile l’energia nella forma e con le caratteristiche adatte agli usi finali. Tutto questo avviene interagendo con l’ambiente e generando rifiuti. Si riporta di seguito la schematizzazione di un sistema energetico elementare:
Un sistema energetico può essere più o meno complesso, un sistema complesso rappresenta l’insieme di più sistemi energetici semplici che interagiscono tra loro. Si riporta una classificazione dei sistemi energetici che parte dall’intero sistema planetario fino ad arrivare alla singola utenza energetica (fig. 1.2). Si ha una prima suddivisione su base geografica fino ad arrivare alle città, queste poi possono essere suddivise in base al settore di consumo e per ogni settore si possono analizzare sistemi energetici sempre più limitati.
La struttura di base di un sistema energetico comprende:
Risorse energetiche;
Processi e tecnologie per la conversione e la trasformazione dell’energia;
Processi e tecnologie per il trasporto e lo stoccaggio dell’energia;
Processi e tecnologie per l’utilizzo finale dell’energia;
Rifiuti e interazioni con l’ambiente.
Risorse energetiche
Flusso di
energia usi finali effetto utile
AMBIENTE
RIFIUTI
Le risorse energetiche alle quali si fa riferimento sono le fonti primarie, cioè quelle direttamente disponibili in natura che si possono classificare in risorse rinnovabili e non rinnovabili. Tra le forme di energia oggi più largamente utilizzate ci sono i combustibili derivati dalla raffinazione del petrolio e l’energia elettrica. Queste risorse energetiche sono dette secondarie perché prima di essere utilizzate dall’utenza devono subire processi di conversione e trasformazione rispetto alla risorsa primaria. I processi di conversione sono quelli in cui si passa da una forma di energia ad un’altra, mentre nei processi di trasformazione la forma di energia rimane la stessa ma con diverse caratteristiche. Inoltre è necessario lo stoccaggio dell’energia perché spesso le fonti sono in luoghi lontani dall’utenza, e da qui nasce anche il problema del trasporto. Il mezzo che consente di trasportare e stoccare l’energia si definisce vettore energetico e può essere di diverso stato (solido, liquido, gas).
Sistema energetico planetario
Continenti Nazioni Regioni Città
Trasporti Flotta Singolo veicolo Singolo componente Area industriale Singla industria Singola apparecchiatura Area agricola Singla azienda Singola apparecchiatura Quartiere Condominio Singola abitazione Singola apparecchiatura
Gli usi finali dell’energia, di cui l’uomo ha bisogno, si possono raggruppare in quattro famiglie: Meccanico; Termico; Luminoso; Elettrico.
Gli usi meccanici riguardano diversi settori, quali l’industria e i trasporti, ma non è escluso quello domestico che vede l’impiego di diverse macchine.
Gli usi termici dell’energia sono principalmente finalizzati al riscaldamento degli ambienti, alla realizzazione delle condizioni termiche necessarie allo svolgimento di processi di produzione industriale, alla cottura dei cibi, alla produzione di acqua calda sanitaria. Ad oggi il calore è prodotto principalmente da combustibili fossili, ma si sta diffondendo l’uso di generatori ad energia elettrica come le pompe di calore.
Per quanto riguarda l’illuminazione esistono diverse tecnologie, più o meno efficienti che utilizzano come forma di energia quella elettrica.
Con usi elettrici ed elettronici si intende il funzionamento dei apparecchiature tipo computer, telefoni, TV ed in questo caso l’energia elettrica oltre ad essere vettore è anche forma di utilizzo finale.
Il parametro utilizzato nella valutazione dei sistemi energetici è l’efficienza intesa come rapporto tra l’energia utile prodotta e la corrispondente quantità di energia primaria consumata. Un’elevata efficienza porta benefici in termini ambientali poiché a parità di energia disponibile si generano meno rifiuti; inoltre determina un minor consumo delle risorse e risparmio economico. Il parametro efficienza cambia invece se ci riferiamo ad un sistema energetico che utilizza come fonti primarie le risorse rinnovabili, perché in questo caso il sistema non consuma energia ma la utilizza.
Si deve dunque tendere a sviluppare sistemi energetici che utilizzino risorse primarie disponibili e rinnovabili e che aspirino al livello ideale di “emissioni zero”.
1.2 La modellazione di sistemi energetici
Un sistema energetico ha la stessa struttura di qualsiasi sistema per cui è possibile applicare ad essi, tutte le regole e gli approcci metodologici che sono riconducibili alla teoria dei sistemi. In sede di analisi ciò consente di ricondurre il funzionamento di fenomeni fisici complessi all'interazione di sistemi più semplici e, viceversa, la possibilità di progettare sistemi in maniera strutturata componendo unità più semplici. In particolare un sistema energetico è da considerarsi come un tipico sistema dinamico. Un sistema può essere definito come una black box con ingressi e uscite. Gli ingressi agiscono sullo stato del sistema e ne modificano le caratteristiche, queste modifiche vengono registrate dalle variabili di stato che influiscono sui valori delle uscite del sistema.
In generale per valutare in maniera mirata un sistema è necessario usare un modello, più o meno semplificato, ma comunque capace di evidenziarne gli aspetti più significativi. Il grado di complessità del modello matematico, deriva dalla determinazione del giusto compromesso fra l’esigenza di riprodurre il più fedelmente possibile il processo reale e quella di essere sufficientemente semplice nell'impostazione e nella risoluzione, in modo da permetterne la più ampia fruizione. I modelli possono essere classificati in funzione delle loro caratteristiche principali:
Modelli lineari e non lineari;
Modelli statici e dinamici;
Modelli continui e discreti.
Un modello si dice lineare se è applicabile il principio di sovrapposizione degli effetti tra le variabili d'ingresso e quelle d'uscita. Quando la relazione che lega le variabili d’ ingresso e quelle d'uscita è istantaneo il modello è detto statico. Se invece la variabile d’uscita è funzione di un insieme di variabili che variano nel tempo, il modello si dice dinamico. Se l'evoluzione avviene ad intervalli discreti di tempo il sistema viene chiamato discreto, se invece l'evoluzione è continua e la regola è data da un'equazione differenziale il sistema viene chiamato continuo.
Una tipica modellazione del sistema energetico è l’analisi regressiva che ha la seguente espressione:
Y = b0 + b1X1 + b2X2 + …+ biC + e
Dove: Y è la variabile dipendente, cioè il consumo energetico nell’unità di tempo( 30 giorni, una settimana, un giorno, un’ora..);
Xi sono le variabili indipendenti come le condizioni meteorologiche, produzione, periodo di misura;
bi sono i coefficienti derivati per ogni variabile indipendente; e sono gli errori residui che restano inspiegati nel modello.
Nella determinazione di un modello gli errori possono dipendere da diverse cause:
Si sono considerate variabili indipendenti trascurabili invece di quelle rilevanti al calcolo;
Si utilizzano relazioni lineari in rappresentazione di relazioni non lineari: per esempio la temperatura ambientale ha una relazione non lineare con la temperatura esterna su un anno;
Il modello potrebbe essere basato su dati insufficienti o non rappresentativi.
È stato fatto un campionamento errato.
Per valutare la capacità rappresentativa del modello è possibile calcolare il coefficiente di determinazione:
R2 =
Dove: è il valore di consumo energetico previsto dal modello per un particolare set di valori ;
Y è la media di n valori di consumo energetico misurato; Yi sono i valori forniti dei consumi energetici.
Il coefficiente R2 può variare tra 0 e 1, se vale 0 non è fornita nessuna spiegazione dal modello, viceversa se è pari a 1 si ha spiegazione completa. Quindi maggiore è il coefficiente di determinazione migliore è la capacità del
modello di esprimere i rapporti tra le variabili indipendenti e la variabile dipendente. Infine si fa notare che è importante creare un modello che permetta il controllo nel tempo del sistema cambiando alcune variabili perché la finalità del modello è quella di creare la base rispetto a cui sperimentare le soluzioni e le ipotesi di intervento.
1.3 Il processo di audit energetico
L’audit energetico può essere articolato con un livello di approfondimento crescente che dalla valutazione iniziale eseguita a livello di insieme, arriva a effettuare una vera e propria diagnosi delle condizioni rilevate. Di fatto l'audit energetico deve generare un input alla fase di progettazione con informazioni che da qualitative devono tradursi in quantitative; occorre quindi progressivamente procedere da una individuazione delle criticità alla selezione delle opportunità di intervento più adeguate per il loro superamento, coerentemente con gli obiettivi di miglioramento della efficienza energetica. Si può vedere il processo di audit schematizzato in questo modo:
Figura 3: Schematizzazione del processo di audit
Avvio dell'audit Preparazione dell'audit Esecuzione dell'audit Elaborazione dei report
Definire lo scopo Dare informazioniai soggetti a cui è rivolto l'audit Effettuare visite preliminari
Ottenere gli input da parte dei soggetti dell'audit Determinare l'approccio Raccogliere dati e informazioni Svolgere analisi preliminari Determinare se l'audit può procedere = = = = Effettuare sopralluoghi Analizzare le informazioni Effettuare diagnosi Individuare le principali opportunità Valutare le opportunità con i soggetti dell'audit Svolgere analisi e valutazioni dettagliate
Preparare bozze del report di audit Revisionare il report con i soggetti dell'audit Finalizzare il report Distribuire il report = =
L’avvio dell’audit è motivato dal raggiungimento dell’obiettivo previsto dal committente. Si deve quindi decidere il sito o l’area da sottoporre all’audit e focalizzarsi sullo scopo, che può essere per esempio identificare e quantificare le perdite di energia o individuare le opportunità di efficienza energetica. Nel caso in cui il sito in oggetto coinvolga non solo il committente, è bene informare gli interessati anche per assicurare una buona comunicazione importante per la raccolta delle informazioni.
La visita preliminare consente di chiarire subito alcuni problemi, osservare le condizioni degli edifici, identificare le strumentazioni esistenti, decidere se installare altri misuratori. Inoltre è possibile in questa fase iniziare a raccogliere i disegni del sito, i lay-out di impianto e analizzare i dati dei maggiori consumi energetici. Per procedere le due parti devono collaborare per stabilire quali aree necessitano di essere considerate per prime e pianificare l’audit. Si deve decidere se analizzare l’intero sito o le varie utenze singolarmente, e concordare se l’attività di audit sarà limitata all’individuazione di potenzialità di miglioramento o se sono richieste diagnosi specifiche per individuare risparmi possibili o investimenti necessari. Segue la fase della raccolta dati, quali:
Bollette delle utenze (gas, elettricità, acqua riferiti almeno agli ultimi 12 mesi);
Registri di produzione;
Progetto esecutivo degli impianti;
Dati climatici.
In seguito è possibile svolgere un’analisi preliminare e preparare il piano dell’audit che deve essere abbastanza flessibile per consentire modifiche nel corso del processo. L’audit può procedere se le risorse coinvolte sono disponibili e adeguate, se sono presenti sufficienti informazioni di base ed è assicurata la collaborazione del personale del sito. Se ci sono le condizioni si procede effettuando un secondo sopralluogo in modo che tutto il team possa visitare il sito. In questa occasione saranno individuate le aree sulle quali concentrarsi e quelle invece da escludere. Quindi si analizzano i dati raccolti, si determinano i primi risultati e se è possibile si stima una quantificazione approssimata dei risparmi. Se i dati acquisiti sono incompleti o inaffidabili è
possibile ottenere i dati dalla simulazione calibrata di un programma; oppure se mancano i dati di un mese rispetto all’anno selezionato, si possono usare dati comparabili per lo stesso mese di un anno diverso. Quando i sistemi da progettare assumono un consistente grado di complessità è meglio utilizzare un modello dinamico che permette una progettazione più precisa e ottimizzata, perché nel caso stazionario il calcolo viene eseguito solo in alcuni periodi di riferimento maggiormente sollecitati. Dai risultati ottenuti dalle analisi si individuano le principali opportunità e se ne discute con il committente.
In seguito si svolgono analisi più dettagliate, si calcolano i consumi e si producono stime più accurate dei risparmi conseguibili con gli interventi individuati precedentemente. Si procede con l’elaborazione di un’analisi costi-benefici che mostra i costi-benefici di ciascun intervento e permette di selezionare le opportunità più vantaggiose. L’accuratezza nella determinazione dei risparmi dipende dalla precisione delle informazioni o valori misurati considerati piuttosto che assunti e dalla dimensione dei campioni. Infine si redige il report dell’audit energetico che riassuma i dati di partenza e comunichi in modo chiaro le possibilità di intervento individuate.
2. Audit energetico di un edificio
L’audit energetico, come descritto nei capitoli precedenti, è una procedura sistematica che si svolge per ottenere un’adeguata conoscenza dei profili dei consumi energetici e identificare opportunità di risparmio energetico. Il processo di audit può essere applicato alla riqualificazione energetica di un edificio o gruppi di edifici.
L’attività di audit deve essere affrontata con le consuete metodologie ingegneristiche e secondo un percorso fatto di stadi sequenziali di approfondimento che siano in grado di incrementare progressivamente il livello di dettaglio della soluzione individuata e di valutarla sotto ogni punto di vista, sia che questa venga destinata a un nuovo impianto sia che riguardi un intervento di ristrutturazione.
Gli interventi di riqualificazione risultano più efficaci, coerenti ed economici se vengono preceduti da attenta valutazione, grazie all’audit energetico una riqualificazione tecnologica può diventare riqualificazione energetica e ambientale. La durata complessiva di un progetto di audit dipende in primo luogo dalla dimensione e dalle caratteristiche del sito ma dipende anche dal grado di approfondimento dell’analisi. Si possono individuare tre livelli:
l’analisi qualitativa: redatta con informazioni poco precise ma sufficienti per una valutazione di massima;
livello 1: analisi più dettagliata dei principali edifici di interesse, si valutano le condizioni dell’involucro, il rendimento dell’impianto, i consumi degli utenti e si individuano le opportunità di miglioramento;
livello 2: analisi di fattibilità tecnico-economica delle soluzioni migliori individuate nel livello precedente.
2.1
Retrofit energetico
Gli edifici esistenti sono poco efficienti, ma questo è un problema che può essere superato con interventi sull’involucro e sugli impianti. Sono stati condotti diversi studi per stabilire se sia meglio demolire vecchi edifici oppure riqualificarli. L’articolo di Power A. “Does demolition or refurbishment of old and
inefficient homes help to increase our environmental” riassume i risultati
ottenuti: dalla modellazioni eseguita dall’Environmental Change Institute at Oxford University risulta che bisognerebbe demolire 3 milioni di abitazioni entro il 2050 per raggiungere l’obiettivo di riduzione energetica; un secondo studio dimostra come meno del 10% dei 2 milioni di edifici esistenti può essere abbattuto entro il 2050 per motivi di fattibilità tecnica e inoltre dichiara che è più economico ed energeticamente migliore riqualificare piuttosto che demolire; altri studi confermano che è relativamente semplice migliorare gli edifici esistenti e si possono raggiungere gli stessi livelli delle nuove abitazioni. La riqualificazione è vincente rispetto alla demolizioni sotto diversi aspetti: gli edifici essendo inseriti in un contesto urbano, godono già della disponibilità di servizi e mezzi di trasporto, non è necessario ricostruire la struttura, risulta più economico e meno inquinante, e inoltre si conserva l’amministrazione e lo sviluppo economico locale.
Il miglioramento della qualità energetica degli edifici deve considerare tutti gli usi energetici: climatizzazione invernale, climatizzazione estiva, ventilazione, produzione di acqua calda a usi sanitari, usi elettrici comuni e privati. Le strategie da adottare per raggiungere le migliori prestazioni energetiche possono essere accorpate in 3 gruppi:
Efficienza energetica dell’involucro
Efficienza energetica degli impianti;
2.2 Casi esemplari in Italia e in Europa
Terlizzese T. e Zanchini E. hanno condotto uno studio di fattibilità di edifici a zero emissione di CO2 analizzando un villaggio di Bologna costituito da sette
quadrilocali e cinque bilocali a doppia altezza. Gli appartamenti sono provvisti di caldaia a condensazione per il riscaldamento e pompe di calore per l’aria condizionata, mentre l’ACS è fornita da pannelli solari oltre che dalla caldaia. T. e Z. hanno ipotizzato due alternative di intervento: la prima ipotesi prevede una pompa di calore aria-acqua, l’installazione di pannelli fotovoltaici e una stufa a pellet per l’ACS; il secondo caso si differenzia per l’uso della pompa di calore geotermica, di un deumidificatore e pannelli fotovoltaici meno costosi ma anche meno efficienti. L’analisi economica rivela che per la prima ipotesi, a fronte di un investimento iniziale pari a 414.300 €, si ha un guadagno netto annuale di 26.200 €; nel secondo caso si ha un costo totale iniziale pari a 525.500 € e un guadagno netto annuale di 18.400 €. Se si estende l’analisi ad un periodo di 20 anni si osserva che l’alternativa con la pompa di calore aria-acqua consuma meno energia ma se si ripete l’analisi non considerando l’apporto dei pannelli fotovoltaici, l’ipotesi con la pompa geotermica risulta vincente.
Nel 2000 la CNA ha progettato il recupero del quartiere Gardsten in Svezia con il supporto economico della Comunità europea. L’area in questione era degradata, gli edifici obsoleti e si era creata una situazione di disagio sociale. L’intervento di recupero mirava a rivalutare il quartiere e abbassare i consumi energetici. Il monitoraggio dell’edificio ha permesso di individuare le principali disfunzioni dell’involucro, in seguito si sono valutare le migliori opportunità di intervento e infine si è deciso di installare collettori solari ad acqua integrati alla copertura per la produzione di ACS, collettori solari ad aria in facciata, e costruire delle serre. Inoltre è stato realizzato un isolamento aggiuntivo sulle coperture e sono stati sostituiti i serramenti. Il costo totale per 255 appartamenti è stato di 11,5 milioni di euro e la riduzione dei consumi energetici prevista è da 270 a 160 kWh/m2a.
Attraverso il miglioramento dei singoli edifici è possibile giungere alla riqualificazione energetica delle città. Questo è il concetto base del progetto di Energy City che coinvolge diversi paesi dell’Europa centrale.
L’amministrazione comunale di Casalgrande (RE), ad esempio,si è avvalsa dei servizi di Energy City per l’analisi sullo stato di fatto dei consumi e delle prestazioni energetiche del patrimonio immobiliare comunale che ha evidenziato due scuole come le più energivore. Gli interventi proposti permetteranno la riduzione dei consumi del 33% circa.
Un’ulteriore proposta dell’associazione è la mappatura delle dispersioni di calore per sette città: Bologna, Budapest, Praga, Monaco, Treviso, Ludwigsburg e Velenje. La pianta delle città viene realizzata tramite foto aeree fatte con una termo camera. Grazie a queste foto sarà possibile individuare le strutture meno efficienti. È stato poi sviluppato un software per un servizio web in cui sarà possibile la visualizzazione e l’analisi della realtà urbana. Il software dovrebbe consentire il controllo relativo ai consumi di energia e se abbinato all’uso di sensori o collegato al sistema di lettura contatori permetterebbe la gestione tecnico-economica di un elevato numero di utenze.
Considerando interventi di quartiere è interessante il caso di Vicenza, dove è stato installato, a Parco Città, un impianto di rigenerazione. Questo fornisce, a 230 utenze circa presenti nel quartiere, riscaldamento, acqua calda sanitaria e raffrescamento in modo economico e rispettoso dell’ambiente.
L’idea del quartiere con un’alta efficienza energetica ha portato alla progettazione di eco-quartieri come quello in costruzione nel comune di Villorba, a nord di Treviso. Esso comprende 8 unità abitative circondate da un parco, prevede la presenza di un orto e un frutteto. Inoltre è stata ideato un edificio dove poter svolgere attività condivise e eventi pubblici e dove sono posizionati la centrale termica a pellet che riscalda tutto l’insediamento, l’impianto fotovoltaico e l’impianto solare termico. In questo progetto l’efficienza energetica non è l’unico obiettivo ma si intende incentivare la mobilità pedonale e ciclabile, il car-sharing e il trasporto pubblico.
Sono molti i progetti di retrofit energetico da attuare o realizzati, ma per migliorare la qualità di vita delle città è importante una continua sensibilizzazione sul tema e l’incentivazione da parte delle amministrazioni.
3. Caso di studio: un villaggio di Castenedolo
La diagnosi energetica sviluppata in questo elaborato di tesi riguarda un villaggio di Castenedolo (BS). Le abitazioni di questa zona sono state costruite negli anni ’70 dalla società cooperativa La Famiglia, fondata nel 1953 da Padre Ottorino Marcolini. Questo caso di studio si colloca all’interno di un progetto della Scuola Edile di Brescia per il sostegno delle imprese edili della zona. L’attività di audit del sito si pone i seguenti obiettivi:
Valutazione delle criticità del sito;
Definizione del bilancio energetico dei sistemi indagati per conoscere il fabbisogno di energia primaria per la climatizzazione invernale;
Individuazione delle possibili misure di contenimento dei consumi;
Valutazione delle opportunità tecnico-economiche sulla base di una logica costi/benefici;
Valutazione emissioni di CO2.
L’analisi prevede livelli di approfondimento differenti, si passa da un’impostazione qualitativa di quartiere ad un’analisi più dettagliata per singola abitazione per poi estendere nuovamente l’audit a tutta l’area.
3.1 Contestualizzazione
La prima fase dell’audit energetico consiste nella contestualizzazione geografica e urbana della zona in oggetto, attraverso la raccolta di estratti di mappa fisica e satellitare. L’area presa in esame è l’isolato delineato da via A. De Gasperi, via G. Carducci e via P. Pisa (figura 3.1). Attraverso la navigazione con Google Maps è possibile comprende il contesto naturale della zona, la posizione degli edifici e il loro orientamento. Il PGT (figura 3.2) mostra che la zona in oggetto è periferica, a densità media e non è soggetta a vincoli.
Inoltre è stato possibile contattare il progettista, il quale ha fornito piante e prospetto dei progetti (scala 1:100) e ha spiegato come aveva concepito il villaggio.
Figura 4: Estratto Google Maps
Il sito comprendente 27 edifici (per 40 abitazioni), ma il progettista ha ideato quattro abitazioni tipo da lui così denominate:
R: bifamiliare duplex. Al piano terra si hanno locali servizi, cucina e sala; al piano superiore, con accesso da scala interna vi sono tre camere e un bagno. Le strutture portanti verticali sono costituite da murature perimetrali e di spina in mattoni laterizi a due teste al piano terra e cm 17 al piano superiore.
P: bifamiliare duplex. Al piano terra vi sono garage, cucina e sala; al piano superiore, con accesso da scala interna vi sono tre camere e un bagno. Le strutture portanti verticali sono costituite da murature perimetrali e di spina sono portanti in mattoni semipieni.
Δ69: bifamiliare duplex. Al piano terra vi sono garage e un porticato; al piano superiore, con accesso da scala interna vi sono tre camere, una sala, una cucina e un bagno. Le strutture portanti verticali sono costituite da murature perimetrali e di spina sono portanti in mattoni semipieni.
Epsilon: singola duplex. Al piano terra vi sono locali servizio e un portico; al piano superiore, con accesso da scala interna vi sono tre camere, una sala, una cucina e un bagno. Le strutture portanti verticali sono costituite da murature perimetrali e di spina sono portanti in mattoni laterizi a due teste.
Da una visita preliminare del sito si sono osservate le variazioni macroscopiche rispetto ai progetto originali. Per cui si è deciso di non considerare nell’analisi globale del villaggio le abitazioni che presentano volumi aggiunti rispetto all’originale, ovvero i civici 1, 14, 16, 43, 45. Inoltre per l’abitazione tipo Epsilon si distinguono tre varianti perché nel corso degli anni i proprietari hanno deciso di chiudere, tutto o in parte, il grande portico che caratterizzava il progetto iniziale, ad eccezione dell’abitazione al civico 19 che è rimasta inalterata. La distinzione di queste tre varianti permetterà di valutare la chiusura del portico come un intervento aggiunto.
Figura 6: Estratto mappa PGT della zona d'interesse. Sono evidenziate con uguale colore le abitazioni dello stesso tipo e indicati i numeri civici. Le abitazioni segnate con una croce sono quelle trascurate.
Δ69 P R
ε
1(portico originale)3.1 Audit di Livello 0
Si esegue un’analisi preliminare del calcolo del fabbisogno energetico per il riscaldamento. I dati di input non richiedono indicazioni precise, ma dati indicativi per poter associare valori verosimili ai parametri necessari al calcolo del fabbisogno energetico. Di seguito si riportano in formato tabellare i dati richiesti e forniti dall’interfaccia:
Contestualizzazione geografica e urbana:
Provincia Comune
Zona ( Centro, periferia, campagna)
Periodo di costruzione dell’immobile
Successiva al 2010 2006-2010
1993-2005 1978-1992 Precente al 1977
In base alla locazione geografica si individuano la zona climatica, i gradi giorno e il periodo di accensione dell’impianto di riscaldamento.
Si inseriscono poi i dati generali dell’edificio:
Tipologia edificio Casa singola
Casa bifamiliare Schiera centrale Schiera di testa N° piani riscaldati 1 2 >2 Superficie commerciale
(comprese pareti; esclusi balconi, logge, box, cantine)
N° occupanti
In funzione della superficie commerciale (scelta coincidente alla superficie lorda riscaldata) si calcola la superficie utile, il volume lordo riscaldato, la superficie disperdente totale e il rapporto di forma, grazie a semplici correlazioni individuate al variare della tipologia edilizia, ipotizzando diverse dimensioni in pianta. Tale metodo, sviluppato appunto per una diagnosi preliminare (rif. prof.
De Angelis, ABC, SEB, Rete Abitare), rimane tuttavia non verificato e in via di maggiore definizione anche se, come si vedrà successivamente, sembra fornire una buona approssimazione dei risultati calcolati con metodi più dettagliati e standardizzati (UNI TS 11300).
Sono poi richieste le seguenti informazioni riguardanti le tecnologie costruttive:
Tipologia pareti Non conosco
Muratura in mattoni pieni di spessore circa 30 cm Muratura in mattoni pieni di grande spessore
Parete a cassa vuota, in forati di spessore circa 30 cm Parete prefabbricata (spessore circa 25 cm)
Altro (o interventi di miglioramento)
Tipologia finestre
Vecchi serramenti in legno, con vetro semplice, mai sostituiti
Serramenti in metallo con vetro semplice, di vecchio tipo Serramenti in legno con vetro doppio, installati prima del
2006
Serramenti in alluminio, con vetro doppio, installati prima del 2006
Serramenti in alluminio, sostituiti o installati recentemente Serramenti in PVC, sostituiti o installati recentemente Serramenti in legno, sostituiti o installati recentemente Serramenti certificati, sostituiti o installati recentemente,
di cui si conosce la trasmittanza termica
Tipologia copertura
Copertura a falda, con sottotetto arieggiato, non abitato Copertura a falda con sottotetto abitato, non riscaldato Copertura piana, solaio laterocementizio
Altro
Tipologia solaio inferiore
Solaio inferiore completamente su spazi aperti (escluse scale)
Solaio inferiore contro terra
Solaio inferiore completamente su cantine non riscaldate Solaio inferiore su box/autorimessa
Solaio inferiore in parte su spazi aperti, in parte su cantine non riscaldate o box
Per fornire valori di trasmittanza verosimili viene richiesto se sono stati fatti interventi successivi che ridurrebbero tale valore:
Edificio isolato successivamente al 1977? Sì
No
Il foglio di calcolo considera l’influenza della presenza di aggetti o ostruzioni esterne sul contributo degli apporti termici solari applicando una certa percentuale in base all’input scelto:
Edificio soleggiato Molto
Normalmente Poco
Per poter calcolare il fabbisogno di energia bisogna conoscere l’efficienza dell’impianto, per cui sono richieste le seguenti informazioni:
Impianto di riscaldamento
Caldaia a metano Caldaia a GPL
Caldaia a metano condensazione Caldaia a gasolio
Caldaia a kerosene Caldaia a pellet
Caldaia a legna (ciocchi) Teleriscaldamento
Consumo elettrico (tutela) Consumo elettrico (potenza)
Tipologia
Autonomo Centralizzato
Impianto ACS
Non lo so
Connesso all'impianto di riscaldamento Con caldaia a gas metano, a parte Con caldaia a GPL, a parte
Elettrico, a parte
Questo sistema è quindi adatto per un’analisi qualitativa , infatti non sono impostate le dimensioni effettive di ogni elemento costruttivo o le stratigrafie reali per poter considerare il corretto valore di trasmittanza o per poter calcolare più precisamente i ponti termici. Il fatto di non richiedere dati precisi è a favore di una prima analisi in cui non si conoscono dati precisi e per cui si ha a disposizione tempo limitato, ma bisogna considerare i risultati ottenuti come una stima da cui partire per fare analisi più approfondite.
I risultati ottenuti sono riportati in allegato. In tabella 3.2 sono riassunti i valori più significativi calcolati per le 6 abitazioni tipo.
Tipologia Eph Umedia Qloss Qgi Qgs n. Delta69 171,62 0,89 146,95 11,94 15,61 14 P 286,36 1,39 231,8228 16,86 15,61 8 R 162,58 0,81 144,4895 16,03 15,61 2 Epsilon3 183,95 0,82 155,8268 12,03 15,61 6 Epsilon2 186,61 0,82 158,3501 12,71 15,61 4 Epsilon19 206,24 0,82 177,6589 18,53 15,61 1
Tabella 1: Risultati diagnosi livello 0
Si osserva che per l’abitazione P che non ha effettuato alcun intervento di isolamento a posteriori si considera un valore di trasmittanza media superiore rispetto agli altri casi con conseguente aumento del valore di EPH.
In questa fase si assume che le abitazioni di uguale tipologia abbiano stessi consumi e quindi che sia il medesimo l’Eph precedentemente calcolato. Si riporta il grafico rappresentativo del fabbisogno energetico per il riscaldamento di quartiere:
Figura 7: Grafico relativo al fabbisogno energetico del villaggio (livello 0)
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 Fr e q u e n za EPh [kWh/m2a]
4. Audit energetico di primo livello
Quando si desidera avere informazioni più precise circa i consumi energetici del sito analizzato si procede nel processo di audit ad un livello successivo di approfondimento. È fondamentale acquisire i dati di progetto, bollette annuali relative ai consumi per il riscaldamento, schede tecniche degli impianti installati. In seguito si effettua un sopralluogo più consapevole per verificare i dati raccolti, identificare eventuali variazioni dal progetto iniziale o sostituzione degli impianti e se è possibile confrontarsi con i proprietari. Maggiori saranno i dati identificati, più il modello per l’analisi sarà vicino alla realtà.
4.1 Sopralluogo e raccolta dati
Per completare la raccolta d’informazioni relative all’edificio, occorre conoscere come viene vissuto dagli utenti, in termini di occupazione, di attività che vi sono svolte, di abitudini quotidiane. Tutte queste informazioni sono fondamentali per un calcolo energetico veritiero e il più possibile concorde con l’effettiva spesa energetica che gli utenti sostengono.
Sei utenti hanno concesso un sopralluogo della casa e sono stati disponibili a mostrare le bollette relative al consumo di gas. Dall’incontro è emerso che in alcuni casi, alcuni locali non vengono riscaldati e che la temperatura raggiunta nel periodo invernale spesso non raggiunge i 20°C. Inoltre molti proprietari hanno provveduto alla realizzare di contropareti interne per isolare meglio l’abitazione oltre ad altri interventi. I dati raccolti sono stati inseriti nelle schede in allegato.
4.2 Bilancio energetico nel periodo invernale
In questo capitolo è descritto il metodo di calcolo semplificato per determinare il fabbisogno di energia termica. Per esemplificare la procedura di calcolo, si prende come riferimento il caso dell’abitazione denominata Δ69.
Ipotesi semplificative del metodo:
Regime stazionario, le grandezze sono costanti nel tempo;
Il flusso termico è monodimensionale e perpendicolare alle superfici piane che delimitano la parete.
Omogeneità della temperatura dell’aria ambiente;
Le proprietà termo fisiche dei materiali non dipendono dalla temperatura;
Le pareti sono piane, indefinitamente estese e composte da strato di materiali diversi fra loro paralleli
In figura 8 è schematizzato il bilancio energetico semplificato per la climatizzazione invernale e sono evidenziati i flussi di energia in ingresso e in uscita:
La differenza tra l’energia persa dall’edificio e guadagnata attraverso gli apporti gratuiti deve essere compensata dall’impianto di climatizzazione.
I dati di ingresso per il calcolo sono gli stessi considerati per l’analisi preliminare ma determinati con maggiore accuratezza.
GUADAGNI SOLARI APPORTI INTERNI EDIFICIO Involucro PARETI OPACHE SERRAMENTI COPERTURA BASAMENTI IMPIANTI VENTILAZIONE PERDITE GUADAGNI FONTI RINNOVABILI
4.3 Fabbisogno energetico per il riscaldamento:
calcolo stagionale
Il fabbisogno di energia termica per il riscaldamento qh è l’energia richiesta per
mantenere negli ambienti riscaldati la temperatura di progetto calcolata in questo caso a livello stagionale con la seguente formula:
Dove: GGθd gradi giorno di Castenedolo pari a 2424,6 [K giorno];
cv capacità termica volumica dell’aria pari a 0,34 [Wh/m3K];;
n numero dei volumi d’aria ricambiati in un’ora [1/h];
ηv fattore di efficienza dell’eventuale recuperatore di calore dell’aria
(pari a 0 se assente);
trasmittanza termica media data dal rapporto tra il coefficiente globale di scambio termico per trasmissione e la superficie disperdente[W/m2K];
trasmittanza termica lineica dei ponti termici [W/mK];
S/V fattore di forma: rapporto tra le superfici disperdenti e il volume lordo [m-1];
k fattore correttivo del volume netto in volume globale, k= ;
hint altezza interna data dal rapporto tra volume netto e superficie
utile;
ηu fattore di utilizzazione degli apporti termici;
wi apporti interni, wi = (5,294 - 0,01557) Su [W];
Grisc numero di giorni considerati per il riscaldamento [g];
RAI inteso come il rapporto tra la superficie trasparente e la superficie utile;
Ik ak è l’irradiazione media ricevuta sulle superfici trasparenti, pesata
secondo la distribuzione delle stesse [kWh/m2]; Fk fattore di riduzione degli apporti solari.
int 0,024 1 0,024 1 H d v v u i risc k k k k S V q GG c n U L S h w G RAI I a F
4.3 Illustrazione del metodo per il calcolo del Q
h.
Dati di progetto Δ69 Piano terra: Superficie netta: Sn= 26,6 m2 Altezza netta: hn=3,2 m Volume netto: Vn=85,12 m3 Superficie lorda:SL= 30,97 m2 Altezza lorda: hL=3,47 m Volume lordo: VL=107,31 m3 M1: muro perimetrale; M2: parete verso zona non riscaldata. Piano primo: Superficie netta:Sn= 80,26 m2 Altezza netta: hn=2,9 m Volume netto: Vn=232,75 m3 Superficie lorda:SL= 97,92 m2 Altezza lorda: hL=3,24 m Volume lordo: VL=316,77 m3 Superficie utile: Su= 106,9 m2Trasmittanza termica media
Si procede con il computo delle superfici disperdenti e il calcolo delle relative trasmittanze termiche riportando i dati come per la tabella seguente:
SUPERFICI [m2] N W S E Oriz tot b U Ht Solaio (sottotetto) 97,92 97,92 0,80 0,57 44,61 Solaio su porticato 0,00 0,00 1,00 0,87 0,00 Solaio su znr 67,00 67,00 0,52 0,87 30,55 Solaio (controterra) 31,00 31,00 1,00 0,09 2,68 Muro perimetrale PT 10,87 22,52 33,40 1,00 1,76 58,78 Muro perimetrale P1 31,58 27,18 0,00 24,72 83,48 1,00 0,71 59,20 Parete v znr 46,95 46,95 0,52 1,76 43,31 Finestre PT 0,00 0,00 1,00 2,70 0,00 Finestre P1 3,36 5,04 2,58 10,98 1,00 1,72 18,92 Porte 4,20 4,20 1,00 1,80 7,56 374,93 265,6
Tabella 2: Computo delle superfici disperdenti e calcolo delle trasmittanze relative
Precisazioni :
Il termine “b” è il fattore di correzione dello scambio termico tra ambiente climatizzato e non climatizzato, diverso da 1 nel caso in cui la temperatura di quest’ultimo sia diversa da quella dell’ambiente esterno. Si calcola nel modo seguente:
b =
dove: Hiu è il coefficiente globale di scambio termico tra l’ambiente
climatizzato e l’ambiente non climatizzato: Hiu =Σ Ai·Ui +0,34Vn·n;
Hue è il coefficiente globale di scambio termico tra l’ambiente non
climatizzato e l’ambiente esterno: Hue = ΣAe·Ue +0,34Vn·n.
Il coefficiente di scambio termico per trasmissione si ottiene da: Ht =
Stot·b·U
I valori di trasmittanza dipendono dalla stratigrafia degli elementi. Si rimanda alle schede in allegato.
cui si è considerato il solaio sospeso in quanto il solaio non è a diretto contatto con il terreno. Quindi la trasmittanza termica si è calcolata usando la seguente formula:
U=
[
]
Dove: Rf è la resistenza del solaio superiore presa pari a 0,35 [m2K/W];
Rsi è la resistenza della superficie interna pari a 0,17[m2K/W];
Rse è la resistenza della superficie esterna pari a 0;
w è lo spessore dei muri pari a 0,25 m;
λ è la conducibilità termica del terreno pari a 2 [W/mK];
Rg è la resistenza termica effettiva del suolo data da:
0,457·B’/λ.
Negli altri casi invece si è utilizzata la formula:
U=
[
]
Dove: B’ è la dimensione caratteristica del pavimento: B’=
[m];
dt è lo spessore equivalente del pavimento: dt = w+λ(Rsi+ Rf +Rse).
È possibile ora determinare il valore della trasmittanza termica media:
=
= 0,70
[
]
Trasmittanza termica lineica ponti termici
Si può definire ponte termico una configurazione strutturale o geometrica che produce una deviazione del flusso termico della condizione di flusso monodimensionale ipotizzata. La presenza di materiali differenti provoca quindi una perturbazione del flusso termico a cui segue la disomogeneità di temperatura sulle superfici interne delle pareti e aumento delle dispersioni termiche. Al fine del calcolo completo dei disperdimenti termici dell’edificio
bisogna considerare i ponti termici che si verificano in corrispondenza delle diverse soluzioni di chiusura. Il metodo semplificato consiste nella determinazione di coefficienti di trasmissione lineici che esprimono il flusso termico disperso. In particolare si sono identificati i seguenti tipi di ponti termici:
Parete verticale con sottotetto;
Parete verticale con solaio P1;
Parete verticale con solaio interrato;
Parete esterna con serramento;
Parete verticale con balcone;
Angolo sporgente;
Angolo rientrante;
Partizioni interne.
Per determinare i coefficienti di trasmissione termica lineica relativi ad ogni tipologia di ponte termico si è fatto riferimento all’abaco dei ponti termici, dove sono raccolte le tipologie di ponte termico più frequenti, analizzati sulla base delle norme UNI EN ISO 10211:2008, UNI EN ISO 6946:2008,UNI EN ISO 14683:2008. Si riportano di seguito le schede utilizzate:
Nell’abaco non è presente la scheda relativa al ponte termico tra parete e solaio interrato per cui si è fatto riferimento direttamente alla UNI EN ISO 14683. Dalle tabelle sopra proposte si desumono i valori delle trasmittanze termiche lineari riferite alle dimensioni esterne. Si procede misurando da piante e sezioni architettoniche le lunghezze relative a ciascun ponte termico, poi si richiama il fattore di correzione dello scambio termico tra ambiente climatizzato calcolato in precedenza e si moltiplicano i parametri in gioco. Per quanto riguarda il sottotetto si suddivide il contributo in due parti considerando che una parte del flusso vada verso la zona non riscaldata e parte verso l’esterno.
l ψe b lψb Sottotetto 40 -0,175 0,80 -2,80 Sottotetto 40 -0,175 1 -3,80 Solaio PP 40 0,357 1 14,26 Solaio controterra 4,1 -0,050 1 -0,21 Finestre 6,9 0,144 1 0,99 Porte 0 0,144 1 0,00 balconi 17,3 0,308 1 5,33 porte 0 0,144 1 0,00 finestre 9,4 0,144 1 1,35 Angolo sporgente 20,10 -1,093 1 -21,96 Angolo rientrante 6,70 0,327 1 2,19 Angolo sporgente con abitazione 13,40 -1,093 0,50 -7,32 Partizioni 20,3 0,000 1 0,00 218,2 -11,96
Tabella 3: Calcolo ponti termici
È possibile ora determinare la trasmittanza termica lineica media:
=
=
Fattore di forma
Il rapporto tra l’area delle superfici disperdenti ed il volume riscaldato rappresenta la compattezza di un edificio. Costruire in modo compatto è vantaggioso dal punto di vista energetico: minore è la superficie a contatto con l’esterno, minori saranno le dispersioni nel periodo freddo. Più basso è il valore del fattore di forma minore sarà il fabbisogno energetico dell’edificio a parità di volume riscaldato. Quindi un edificio dalla volumetria complessa, con portici, aggetti, logge, consumerà di più di un edificio dalla forma più regolare; così come un edificio su un solo piano, a parità di volume, consuma di più di un edificio su due piani.
Per il caso campione si ha S/V= 0,88 m-1
Apporti termici solari
Gli apporti solari si hanno principalmente attraverso la componente vetrata, che grazie alla sua trasparenza permette all’energia solare di entrare ed essere utilizzata oltre che per l’illuminazione anche per il riscaldamento degli ambienti interni. Questo contributo aiuta a compensare le perdite per trasmissione.
Gli apporti termici di origine solare si calcolano con la formula seguente: Qs =
·Σ
Fshk·As,k·I,skdove: F sh,k è il fattore di riduzione per ombreggiatura relativo ad elementi
esterni
A s,k è l'area di captazione solare effettiva della superficie k -esima con
dato orientamento e angolo d'inclinazione sul piano orizzontale;
I s,k è l'irradianza solare media mensile, sulla superficie k -esima, con
dato orientamento e angolo d'inclinazione sul piano orizzontale.
I valori di irradianza solare media mensile sono tabellati al variare delle principali esposizioni.
Si riportano i valori:
Irradianza giornaliera media mensile Irradianza media mensile mese Ndays S E/W N SE/SW NE/NW W N E/W S
Gen 31 2,28 1,03 0,47 1,78 0,50 31,86 14,64 31,86 70,61 Feb 28 3,06 1,69 0,69 2,56 0,89 47,44 19,44 47,44 85,56 Mar 31 3,42 2,56 1,03 3,22 1,53 79,22 31,86 79,22 105,92 Apr 15 2,94 3,08 1,50 3,28 2,22 46,25 22,50 46,25 44,17 Mag 0 2,83 3,75 2,17 3,47 3,03 0,00 0,00 0,00 0,00 Giu 0 2,75 4,06 2,61 3,53 3,42 0,00 0,00 0,00 0,00 Lug 0 3,06 4,47 2,58 3,94 3,61 0,00 0,00 0,00 0,00 Ago 0 3,28 3,86 1,81 3,86 2,83 0,00 0,00 0,00 0,00 Set 0 3,50 2,97 1,17 3,53 1,86 0,00 0,00 0,00 0,00 Ott 17 3,25 1,97 0,81 2,81 1,06 33,53 13,69 33,53 55,25 Nov 30 2,50 1,19 0,50 2,00 0,58 35,83 15,00 35,83 75,00 Dic 31 2,33 1,00 0,42 1,81 0,44 31,00 12,92 31,00 72,33
Tabella 4 : valori di Irradianza relativi alla provincia di Brescia
L'area di captazione solare effettiva di un componente vetrato dell'involucro Asol,
è calcolata con la seguente formula:
A sol = F sh,gl g gl (1 - F F) A w
Dove: F sh,gl è Il fattore di riduzione degli apporti solari relativo all'utilizzo di
schermature mobili pari a 0,85;
ggl è la trasmittanza di energia solare della parte trasparente del
componente pari a 0,75 per doppio vetro normale;
F F è la frazione di area relativa al telaio, rapporto tra l'area proiettata
del telaio e l'area proiettata totale del componente finestrato pari a 0,2.
A w è l'area del vano finestra.
Il fattore di riduzione per ombreggiatura, F sh, può essere calcolato come
prodotto dei fattori di ombreggiatura relativi ad ostruzioni esterne (Fhor), ad
aggetti orizzontali (Fov) e verticali (F fin). I valori dei fattori di ombreggiatura
clima, dal periodo considerato e dalle caratteristiche geometriche degli elementi ombreggianti. Tali caratteristiche sono descritte da un parametro angolare, come evidenziato nelle figure seguenti:
I fattori di ombreggiatura sono stati determinati attraverso l’interpolazione lineare dei valori riportati nei prospetti dell’appendice della norma. Si riporta la tabella relativa al calcolo:
Espo Is,k Rif. Aw α β γ Fhor Fov Ffin g As*Fk a*FkIk
N 130,1 Fin 1 1,68 12,99 28,30 9,46 0,99 0,92 1,00 0,75 0,77 100,749 N 130,1 Fin 2 1,68 12,99 28,30 9,46 0,99 0,92 1,00 0,75 0,77 100,749 W 305,1 Fin 3 2,52 7,77 21,80 9,46 0,96 1,00 1,00 0,75 1,23 376,94 W 305,1 Fin 4 2,52 7,77 21,80 11,63 0,96 1,00 1,00 0,75 1,23 376,94 E 305,1 Fin5 1,68 16,70 28,30 9,46 0,86 0,94 0,96 0,75 0,66 202,36 E 305,1 Fin 6 0,9 16,70 28,30 12,53 0,86 0,94 0,96 0,75 0,35 108,41 10,98 1266,13
Tabella 5: Calcolo del fattore di ombreggiatura e dell'irradiazione media ricevuta sulle superfici trasparenti
Si vuole ora valutare l’irradiazione media ricevuta sulle superfici dell’involucro trasparenti, pesata secondo la distribuzione delle stesse:
W N E S
ak 0,46 0,31 0,23 0,00 Fk 0,490 0,461 0,395 0,00 IkakFk 68,66 18,35 28,30 0,00
Tabella 6: Irradiazione media pesata
Gli apporti solari valgono dunque:
Qs = 0,1·115,31= 11,85
[
]
Disperdimenti per ventilazione
Il coefficiente di dispersione termica per ventilazione rappresenta il calore asportato dall’ambiente tramite sistema di ventilazione artificiale oppure attraverso ventilazione naturale. Nel caso di studio non sono presenti impianti di trattamento d’aria, quindi ci si riferisce solamente all’aerazione naturale. La portata d’aria di rinnovo dell’edificio vale:
= V·n Dove: V è il volume dello spazio riscaldato [m3];
n è il numero dei volumi d’aria ricambiati in un’ora [vol/h].
L’aerazione naturale dipende dall’utenza e dalle possibili infiltrazioni d’aria che variano a seconda della tenuta degli elementi costruttivi. Per l’edificio in oggetto si assume n= 0,5 vol/h, che porta ad avere
= 317·0,5=54 m3/h.
Il coefficiente di dispersione termica per ventilazione è dato dal prodotto della portata primaria per la capacità termica volumica dell’aria:
Hv =
·
cv = 54 [W/K]Disperdimenti per trasmissione
Il valore del coefficiente di perdita di calore per trasmissione è calcolato in accordo con la ISO 13789 come segue:
HT = b·(ΣSiUi +Σlk·Ψk)
Avendo già calcolato i parametri presenti nella formula possiamo determinare HT nel modo seguente:
HT = Stot + ·L/Stot) = 374,93·(0,7+0,053·
Grafico a torta delle dispersioni
Figura 12: Grafico a torta delle dispersioni
Il grafico mostra le dispersioni per trasmissione e per ventilazione. Si osserva che le dispersioni per trasmissione maggiori si hanno attraverso le pareti, ma anche quelle attraverso il sottotetto sono rilevanti. La percentuale relativa alla somma dei ponti termici risulta negativa perchè sono state adoperate le dimensioni esterne per i calcoli e i ponti termici relativi agli angoli e al solaio contro terra sono negativi.
Fattore di utilizzazione degli apporti termici
Il fattore di utilizzazione degli apporti termici per il calcolo del fabbisogno di riscaldamento si calcola con la formula:
1 1 1 0 1 1 1 , H H H H H a H a H gn H se a a e se H H Dove: ht H gn H Q Q , 14,45% 9,90% 0,87% 38,22% 14,03% 8,58% 17,51% -3,55% Sottotetto Solaio su znr Solaio controterra Muro perimetrale P1 Parete v znr Serramenti VENTILAZIONE Ponti termici
H H H a a , 0 , 0 con
t V m H H H H C a 6 , 3 30 8 , 0 , 0 , 0 Al fine di determinare il fattore di utilizzazione è indispensabile calcolare la costante di tempo τ e i parametri ad essa collegati.
Si procede dunque determinando la capacità termica interna della zona considerata Cm; per edifici esistenti, è possibile l’utilizzo di dati tabellari che
forniscono il valore di capacità termica per unità di superficie di involucro k (UNI/TS 11300-1 Prospetto 16 – Capacità termica per unità di superficie di involucro). Per utilizzare il metodo tabellare si devono conoscere o ipotizzare le caratteristiche costruttive dei componenti edilizi; nel seguente caso vale:
Intonaco in gesso, isolamento assente, pareti esterne in blocchi, pavimentazione in piastrelle.
Numero di piani: 2.
Quindi per i calcoli si considera k =125 [kJ/m2 K].
Si procede calcolando l’area interna della zona riscaldata Aint come riportato in
tabella:
2p hn Aint pareti Asolaio
A
int totPT 22,8 3,2 39,56475 26,6 P1 90,6 2,9 251,76 160,52
276,14 187,12 463,3
Tabella 7: Calcolo dell'area interna della zona riscaldata
Si determina ora la capacità termica interna: Cm= k·Aint =125·463,3= 57908 [
]. Avendo già calcolato i coefficienti di dispersione termica e la capacità termica della zona riscaldata è possibile determinare la costante di tempo τ e il parametro a con le formule viste in precedenza:
τ = 52,11
a = 2,53
ht H gn H Q Q , = = 0,165
Poiché H si determina il coefficiente di utilizzazione come segue:
ηu = 1 1 1 H H a H a H = 0,991
Fabbisogno di energia termica per il riscaldamento qh
Nel paragrafo § 3.3 si sono esplicitati i parametri della formula per il calcolo del fabbisogno di energia termica per il riscaldamento. Nella tabella che segue si riportano i principali parametri:
GGθd n ηv U ψ L/S S/V hint ηu w G risc
Σ IkakFk
2424,6 0,5 0 0,70 -0,05 0,58 0,88 2,97 0,991 3,63 183 115,31
Dunque il fabbisogno di energia termica è pari a:
Qh = 139,56
[
Si riporta in figura 13 l’istogramma rappresentante le dispersioni e gli apporti da cui si deduce l’energia utile necessaria per il riscaldamento:
Figura 13: Istogramma dispersioni e apporti energetici
Nell’istogramma sono riportati nella prima colonna le dispersioni attraverso l’involucro; si nota che le perdite per trasmissione, che dipendono dall’isolamento e dall’estensione dell’involucro, sono piuttosto elevate (c.a 140 kWh/m2/anno). Dalla seconda colonna si osserva che gli apporti gratuiti, solari e interni, compensano per circa il 16% le perdite di trasmissione e di ventilazione.
4.4 Calcolo del fabbisogno di energia primaria per il
riscaldamento EP
HL’EPH è il valore dell’indice di prestazione energetica per il riscaldamento dell’edificio; esso rappresenta il fabbisogno energetico necessario per riscaldare un metro quadrato di superficie utile riscaldata nel corso di un anno.
Gli immobili possono essere suddivisi in 8 classi energetiche per la climatizzazione invernale, da A+ a G, dove A+ rappresenta la classe a consumo energetico più basso. La classe energetica dipende dal valore di EPH, dunque avere valori bassi di questo indice significa avere un edificio energeticamente più efficiente per la climatizzazione invernale.
Il valore di Eph si può ricavare come:
EPH = · ηg
dove: Qh è il fabbisogno di energia termica primaria;
29,4 15,8 137,7 11,7 139,6 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 Dispersioni Apporti kWh /m 2/an n o Trasmissione Ventilazione Energia utile Solari Interni
