1 1. ABSTRACT
Numerose, e in continuo aggiornamento, sono le Direttive Europee emanate in materia ambientale ed energetica, le quali coinvolgono anche il settore edilizio, responsabile di circa il 40% delle richieste energetiche complessive a livello continentale.
In linea con gli obiettivi delle Direttive Europee sull’efficienza energetica, si è analizzato il comportamento di un gruppo di edifici appartenenti ad un campus universitario, caratterizzati da cinque differenti casi di occupazione e altrettanti profili di richieste elettriche e termiche, evidenziando l’importanza di un’accurata progettazione degli impianti meccanici e della loro funzionalità a servizio degli edifici e dei loro utenti.
La tesi sviluppa un aspetto del progetto di fattibilità tecnico-economica che consiste nell’applicazione di un sistema di poligenerazione basato su impianti tradizionali e su fonti rinnovabili. I singoli sottosistemi energetici sono stati modellati dinamicamente, per modellare i fabbisogni energetici della realtà in esame e i profili di produzione elettrica e termica.
La richiesta energetica del caso studio è rappresentata in modo preponderante dai successivi fabbisogni:
- climatizzazione degli ambienti (raffrescamento, riscaldamento, ventilazione); - richiesta di energia elettrica;
- richiesta di acqua calda sanitaria.
Gli impianti fotovoltaico e solare termico, integrati sugli stessi edifici, il sistema di cogenerazione e una caldaia integrativa, la turbina eolica e il collegamento alla rete elettrica nazionale per eventuali scambi di energia elettrica sono risultate le scelte ottimali per la struttura.
L’obiettivo della tesi è la realizzazione di un NZED (distretto ad energia quasi zero) attraverso l’analisi della configurazione ideale e della capacità ottimale del sistema ibrido di poligenerazione e la verifica del bilanciamento dei fabbisogni termici ed elettrici.
Applicando il concetto di NZEB (edificio ad energia quasi zero) ad un livello superiore di progettazione integrata e gestione, si può giungere allo NZED inteso come raggruppamento di edifici con caratteristiche, utenze e fabbisogni specifici spesso non temporalmente sovrapposti.
La metodologia adottata osserva i punti qui riportati:
1. acquisizione dei dati climatici della zona di installazione,
2. identificazione delle fonti di energia rinnovabili disponibili e sfruttabili locali,
3. definizione dei profili di utenza, derivanti da monitoraggi di casi simili descritti in letteratura, 4. definizione e simulazione dei fabbisogni energetici del caso in esame,
5. simulazione del funzionamento della struttura poligenarativa scelta, 6. confronto tra generazione e fabbisogni,
7. analisi economica.
In accordo con gli approcci comunemente utilizzati in letteratura, le analisi hanno un intervallo di simulazione oraria. In base ai risultati ottenuti, la simulazione del distretto si è rivelata positiva dal punto di vista del bilanciamento energetico e risulta fattibile e conveniente anche dal punto di vista economico, risultando quindi un esempio di progettazione e gestione integrata volta all’efficienza energetica.
2
Sommario
INTRODUZIONE ... 6 PREMESSA ... 6 SCENARIO NORMATIVO ... 7 RIFERIMENTI BIBLIOGRAFICI ... 8OBIETTIVI DELLA TESI ... 11
1 IL CASO STUDIO: CAMPUS UNIVERSITARIO ... 12
1.1 DESCRIZIONE DEL CASO STUDIO ... 12
1.2 SCELTA DELLA LOCALITA’ ... 12
1.3 CARATTERIZZAZIONE DEL DISTRETTO ... 13
1.4 CARATTERISTICHE DELLE SINGOLE TIPOLOGIE DI EDIFICIO ... 14
1.5 CARATTERISTICHE COSTRUTTIVE DEGLI EDIFICI: COMPONENTI OPACHI E TRASPARENTI ... 19
1.6 CARATTERISTICHE COSTRUTTIVE DEGLI EDIFICI: COMPONENTI OPACHI E TRASPARENTI ... 22
2 SIMULAZIONE PROFILI ENERGETICI ... 30
2.1 PROFILI DI OCCUPAZIONE ... 30
2.2 PROFILO DI DOMANDA DI ENERGIA TERMICA ... 35
2.3 PROFILO DI DOMANDA DI ENERGIA ELETTRICA ... 40
3 SIMULAZIONE ENERGETICA ... 44
3.1 CARICHI TERMICI INVERNALI ... 44
3.3 CARICHI TERMICI ESTIVI ... 50
3.4 CARICO ELETTRICO ... 55
4 ELEMENTI IMPIANTISTICI PRINCIPALI- PARAMETRI DI FUNZIONAMENTO ... 64
4.2 TERMINALI: VENTILCONVETTORI ... 66
4.3 SISTEMA DI RISCALDAMENTO E RAFFRESCAMENTO A PANNELLI RADIANTI ... 67
4.4 RETE DI TELERISCALDAMENTO ... 73
4.5 IMPIANTO PANNELLI SOLARI PER PRODUZIONE ACS ... 80
4.6 IMPIANTO ACQUE PIOVANE ... 82
4.7 IMPIANTO FOTOVOLTAICO ... 85
4.8 TURBINA EOLICA ... 88
4.9 SISTEMA COGENERATIVO ... 92
5 BILANCIO ELETTRICO E TERMICO ANNUALE ... 95
6 ANALISI ECONOMICA ... 114
7 SINTESI DEI RISULTATI, CONCLUSIONI E SVILUPPI FUTURI ... 131
APPENDICE ... 137
BIBLIOGRAFIA ... 141
SITOGRAFIA ... 143
3
LISTA FIGURE
Figura 1 Definizione sistema edificio (fonte UNI/TS 11300-5) 8
Figura 2 Funzionamento della distribuzione energetica con smart grid 10
Figura 3 Schema microgrid (fonte Rong, 2017 ) 10
Figura 1.1 Disposizione di ciascuna unità all’interno del campus 12
Figura 1.2 Disposizione piano edificio residenziale 15
Figura 1.3 Configurazione appartamento tipo I 24
Figura 1.4 Configurazione appartamento tipo II 24
Figura 1.5 Configurazione appartamento tipo III 16
Figura 1.6 Configurazione intero edificio residenziale 16
Figura 1.7 Disposizione piani edificio aule 16
Figura 1.8 Configurazione intero edificio aule 17
Figura 1.9 Configurazione intero edificio uffici 17
Figura 1.10 Configurazione intero edificio palestra 18
Figura 1.11 Configurazione intero edificio mensa 18
Figura 1.12 Configurazione intero edificio bar 18
Figura 1.13 Struttura completa di dimensioni del parcheggio Error! Bookmark not defined.
Figura 1.14 Suddivisione radiazione solare rispetto all'orientamento dell'edificio 23
Figura 1.15Diagramma solare polare ricavato dall'Atlante Italiano della radiazione solare (Lat. 45°16'-Log 13°47') 24 Figura 1.16 Diagramma solare cartesiano ricavato dall'Atlante Italiano della radiazione solare (Lat. 45°16'-Log 13°47') 24 Figura 1.17 Caratteristiche geometriche per la determinazione della zona d'ombra (fonte Grassi, 2017b) 15
Figura 1.18 Diagramma solare con maschera d’ombra per gli uffici 15
Figura 1.19 Diagramma solare con maschera d’ombra per le aule 26
Figura 1.20 Diagramma solare con maschera d’ombra per il residenziale 16
Figura 1.21 Diagramma solare con maschera d’ombra per il bar 27
Figura 1.22 Situazione ombreggiamento campus 21 Dicembre ore 8 27
Figura 1.23 Situazione ombreggiamento campus 21 Febbraio ore 7 27
Figura 1.24 Situazione ombreggiamento campus 21 Settembre ore 17 27
Figura 1.25 Scala percezione rumore in Decibel 28
Figura 2.1 Coefficiente profilo giornaliero occupazione residenziale feriale 30
Figura 2.2 Coefficiente profilo giornaliero occupazione residenzial festivo 31
Figura 2.3 Coefficiente profilo giornaliero occupazione palestra feriale 32
Figura 2.4 Coefficiente profilo giornaliero occupazion palestra festivo 32
Figura 2.5 Coefficiente profilo giornaliero occupazione mensa feriale 33
Figura 2.6 Coefficiente profilo giornaliero occupazione mensa festivo 33
Figura 2.7 Coefficiente profilo giornaliero occupazioe bar feriale 34
Figura 2.8 Coefficiente profilo giornaliero occupazione bar festivo 34
Figura 2.9 Coefficiente profilo giornaliero occupazione aule/uffici feriale 35
Figura 2.10 Coefficiente profilo giornaliero occupazione aule/uffici festivi 35
Figura 2.11 Profilo consumo giornaliero feriale termico per ACS palestra 36
Figura 2.12 Profilo consumo giornaliero festivo termico per ACS palestra 37
Figura 2.13 Profilo consumo annuale termico per ACS palestra 37
Figura 2.14 Profilo consumo giornaliero feriale termico per ACS residenziale 38
Figura 2.15 Profilo consumo giornaliero festivo termico per ACS residenziale 38
Figura 2.16 Profilo consumo annuale termico per ACS residenziale 39
Figura 2.17 Profilo consumo annuale termico per ACS per palestra e residenziale 39
Figura 2.18 Coefficiente profilo consumi energia elettrica illuminazione esterna 40
Figura 2.19 Coefficiente profilo consumi energia elettrca palestra 41
Figura 2.20 Coefficiente profilo consumi energia elettrica bar 41
Figura 2.21 Coefficiente profilo consumi energia elettrica residenziale 42
Figura 2.22 Coefficiente profilo consumi energia elettrica mensa 42
Figura 2.23 Coefficiente profilo consumi energia elettrica aule-uffici 43
Figura 3.1 Esempio di rientrate di calore (Aermec) 44
Figura 3.2-3.7 Spartizione percentuale delle dispersioni per ciascun edificio 46
Figura 3.8 Firma energetica periodo invernale (caso residenziale) 48
Figura 3.9-3.14 Andamento giornaliero del carico estivo di ciascun edificio 52
Figura 3.15 Firma energetica periodo estivo (caso residenziale) 55
4
Figura 3.17 Andamento annuale fabbisogno elettrico palestra 57
Figura 3.18 Andamento annuale fabbisogno elettrico mensa 57
Figura 3.19 Andamento annuale fabbisogno elettrico aule 58
Figura 3.20 Andamento annuale fabbisogno elettrico bar 59
Figura 3.21 Andamento annuale fabbisogno elettrico uffici 60
Figura 3.22 Andamento annuale fabbisogno elettrico illuminazione esterna 60
Figura 3.23 Andamento annuale fabbisogno elettrico colonnine ricarica 61
Figura 3.24 Percentuale spartizione fabbisogno termico intero campus 61
Figura 3.25 Percentuale spartizione fabbisogno termico soddisfatto dalla rete di teleriscaldamento 61
Figura 3.26 Percentuale spartizione carico elettrico totale 63
Figura 4.1 Confronto andamento COP e temperatura esterna funzionamento invernale 65
Figura 4.2 Confronto andamento COP e temperatura esterna funzionamento estivo 65
Figura 4.3 Descrizione unità (fonte Galletti, catalogo ) 66
Figura 4.4 Circolazione moti convettivi a confronto (fonte Grassi, 2015) 68
Figura 4.5 Distribuzione delle temperature dell'aria in relazione al tipo di corpo scaldante (fonte Grassi, 2015) 68
Figura 4.6-4.7 Sviluppo dei pannelli radianti (fonte Quaderni Caleffi) 69
Figura 4.8 Valori resistenza termica (UNI EN 1264-4) 70
Figura 4.9 Soletta radiante tipo (fonte Quaderni Caleffi) 70
Figura 4.10 Struttura pavimento tipo per impianto di riscaldamento a pavimento 71
Figura 4.11 Rete di distribuzione: rete ramificata 74
Figura 4.12 Sezione di una tubazione di una rete di teleriscaldamento 77
Figura 4.13 Andamento portata complessiva per la rete di teleriscaldamento 79
Figura 4.14 Confronto produzione-fabbisogno giornaliero ACS palestra 82
Figura 4.15 Confronto produzione-fabbisogno giornaliero ACS residenziale 82
Figura 4.16 Schema tipico impianto recupero acque reflue (fonte Rototec, catalogo ) 83
Figura 4.17 Schema dettagliato impianto recupero acque reflue (fonte Rototec, catalogo ) 84
Figura 4.18 Cofficienti k da modello PVGIS (fonte PVGIS) 86
Figura 4.19 Andamento annuale dell'efficienza dei pannelli fotovoltaici 87
Figura 4.20 Andamento annuale della produzione dell'impianto fotovoltaico 88
Figura 4.21 Grafico distruzione Weibull (fonte sito Atlante Eolico ) 89
Figura 4.22 Curva potenza turbina eolica WES250 (fonte:sito produttore) 90
Figura 4.23 Curva potenza turbina eolica WES250 (fonte sito: Atlante Eolico ) 90
Figura 4.24 Andamento produzione da turbina eolica 91
Figura 4.25 Cumulata complessiva fabbisogni termici campus 92
Figura 4.26 Potenza elettrica prodotta dall'impianto cogenerativo 93
Figura 5.1 Percentuale ore spartizione bilancio elettrico 95
Figura 5.2 Andamento bilancio elettrico annuale: in rosso il fabbisogno, in blu la produzione 96
Figura 5.3 Andamenti bilancio termico annuale 97
Figura 5.4 Percentuale ripartizione fabbisogno termico 98
Figura 5.5 Percentuale ore spartizione produzione termica 98
Figura 5.6 Zoom periodo del bilancio termico 99
Figura 5.7 Percentuale produzione energia elettrica 99
Figura 5.8 Confronto produzione-fabbisogno mattina 100
Figura 5.9 Confronto produzione-fabbisogno pomeriggio 100
Figura 5.10 Confronto produzione-fabbisogno sera 101
Figura 5.11 Distribuzione velocità vento 102
Figura 5.12-5.15 Produzione turbina eolica nei diversi periodi stagionali 102
Figura 5.16-5.19 Produzione pannelli fotovoltaici nei diversi periodi stagionali 104
Figura 5.20-5.24 Percentuale produzione mattina 106
Figura 5.25-5.29 Percentuale produzione pomeriggio 108
Figura 5.30-5.34 Percentuale produzione sera 110
Figura 5.35 Confronto tra fattori di carico 113
Figura 6.1 Composizione prezzo energia elettrica (fonte ARERA ) 114
Figura 6.2 Composizione prezzo gas metano (fonte ARERA ) 115
Figura 6.3 Spartizione spesa totale nel caso base 116
Figura 6.4 Spartizione spesa totale nel caso con cogeneratore 116
Figura 6.5 Percentuale di risparmio caso base-caso con cogeneratore 117
Figura 6.6 Percentuale di risparmio caso fonti rinnovabili-caso con cogeneratore 117
5 INDICE TABELLE
Tabella 1.1 Tabella dati climatici anno tipo Trieste ... 13
Tabella 1.2Trasmittanza termica U delle strutture opache verticali, verso l’esterno, gli ambienti non climatizzati o contro terra ... 118
Tabella 1.3 Trasmittanza termica U delle strutture opache orizzontali o inclinate di copertura, verso l’esterno e gli ambienti non climatizzati o contro terra ... 20
Tabella 1.4 Trasmittanza termica U delle strutture opache orizzontali di pavimento, verso l’esterno, gli ambienti non climatizzati o contro terra... 20
Tabella 1.5 Trasmittanza termica U delle chiusure tecniche trasparenti e opache e dei cassonetti, comprensivi degli infissi, opache verticali, verso l’esterno e verso ambienti non climatizzati ... 20
Tabella 1.6 Trasmittanza termica U delle strutture opache verticali e orizzontali di separazione tra edifici o unità immobiliari confinanti ... 118
Tabella 1.7 Tabella riassuntiva angoli ombreggiamento ... 20
Tabella 1.8 Stratigrafia muratura perimetrale esterna ... 20
Tabella 1.9 Stratigrafia pavimento ... 21
Tabella 1.10 Stratigrafia solaio ... 21
Tabella 1.11 Stratigrafia muratura tra locali ... 25
Tabella 3.1 Maggiorazione percentuale dovuta all'orientazione della parete stessa (fonte Bettanini, 1991a) ... 45
Tabella 3.2 In funzione dell'attività svola ripartizione tra qs e ql medi (fonte Bettanini, 1991a) ... 49
Tabella 3.3 Tabella riassuntiva dei carichi invernali ... 50
Tabella 3.4 Configurazione elettrodomestici selezionati per singolo appartamento residenziale ... 56
Tabella 3.5 Configurazione elettrodomestici selezionati per palestra ... 56
Tabella 3.6 Configurazione elettrodomestici selezionati per mensa... 57
Tabella 3.7 Configurazione elettrodomestici selezionati per singola aula ... 58
Tabella 3.8 Configurazione elettrodomestici selezionati per bar... 58
Tabella 3.9 Configurazione elettrodomestici selezionati per uffici ... 59
Tabella 3.10 Configurazione illuminazione esterna ... 60
Tabella 3.11 Configurazione colonnine elettriche ... 61
Tabella 4.1 Sintesi ventilconvettori (fonte Galletti, catalogo ) ... 67
Tabella 4.2 Sintesi potenza assorbita ventilconvettori (fonte Galletti, catalogo ) ... 67
Tabella 4.3 Tabella riassuntiva dimensionamento pannelli radianti ... 73
Tabella 4.4 Termini per stimare la perdita di calore unitaria per coppia di tubazioni ... 75
Tabella 4.5 Termini che compongono il coefficiente di trasmissione ... 75
Tabella 4.6 Termini che compongono la resistenza termica del tubo di servizio ... 75
Tabella 4.7 Termini che compongono la resistenz termica dell'isolamento ... 76
Tabella 4.8 Termini che compongono la resistenza termica del tubo di guaina ... 76
Tabella 4.9 Termini che compongono la resistenza termica del terreno... 76
Tabella 4.10 Termini che compongono la resistenza termica di scambio tra le tubazioni ... 77
Tabella 4.11 Conduttività dei materiali della tubazione ... 77
Tabella 4.12 Parametri caratteristici delle tubazioni ... 78
Tabella 4.13 Resistenza termiche e coefficienti di trasmissione per le tubazioni ... 78
Tabella 4.14 Tabella riassuntiva perdite termiche ... 78
Tabella 4.15 Velocità tipiche di una rete di teleriscaldamento ... 79
Tabella 4.16 Tabella riassuntiva calcolo impianto acque reflue ... 84
Tabella 4.17 Tabella riassuntiva calcolo impianto acque reflue ... 85
Tabella 4.18 Tabella riassuntiva coefficienti di perdita impianto fotovoltaico... 88
Tabella 4.19 Tabella riassuntiva impianto cogenerativo (fonte Tessari, catalogo ) ... 93
Tabella 5.1 Tabella riassuntiva percentuale fattori di carico ... 112
Tabella 6.1 Tabella riassuntiva analisi economica impianto cogenerazione ... 118
Tabella 6.2 Tabella riassuntiva analisi economica impianto fotovoltaico ... 123
Tabella 6.3 Tabella riassuntiva analisi economica turbina eolica ... 123
Tabella 7.1 Confronto tra possibili configurazioni ... 132
Tabella 7.2-7.4 Confronto configurazione elettrica in diversi momenti della giornata ... 133
Tabella 7.5 Confronto configurazione termcia in diversi momenti della giornata ... 134
Tabella 7.6 Confronto fattori di carico ... 135
6
INTRODUZIONE
PREMESSA
La tesi analizza la possibilità di realizzare un distretto a energia quasi zero, sfruttando micro-grid elettriche e termiche gestite centralmente e un sistema energetico di poligenerazione integrato con impianti a fonti rinnovabili ibride (solare termico, fotovoltaico, eolico, pompe di calore). Nello specifico, studia in modo analitico un complesso universitario composto da 14 edifici che sono simulati sia singolarmente sia nelle loro interazioni attraverso i sistemi impiantistici. Le analisi si basano su cinque differenti profili di occupazione che valutano il diverso comportamento degli utenti in base alla tipologia.
La scelta del campus universitario come caso studio deriva dall’entrata in vigore del Decreto Legislativo n.79/991. Tra gli articoli del provvedimento sono elencati i requisiti per partecipare al mercato dell’energia. La realizzazione di una microgrid elettrica, esattamente il caso proposto nella tesi, prevede l’unione di più utenze tra di loro differenti e necessita di scambi bidirezionali con la rete elettrica nazionale. Il Decreto non rende possibile la gestione centralizzata di una struttura così fatta alla quale partecipano soggetti fisici giuridicamente diversi e separati. Il referente legale e giuridico deve essere rappresentato da un unico soggetto fisico. Per questo motivo specifico è stato preferito un campus universitario, per il quale è presente un unico ente legale che raggruppa utenze diverse.
Il lavoro si è articolato in più fasi: dalla definizione dell’involucro edilizio, all’ipotesi di profili di utilizzo realistici, alla definizione di parametri necessari per i diversi calcoli progettuali, alla modellazione degli edifici singoli fino al bilanciamento dei carichi dell’intero distretto.
Nello specifico si è giunti alla definizione della domanda di energia per il riscaldamento e per il raffrescamento e ventilazione, del fabbisogno di acqua calda sanitaria e del fabbisogno di energia elettrica e alla simulazione della produzione dell’energia elettrica e termica all’interno del campus. L’elaborato si suddivide in tre parti distinte e consequenziali, ognuna delle quali analizza i differenti aspetti che concorrono al risultato finale.
La prima parte illustra dettagliatamente i dati utilizzati per la valutazione energetica, quali località, dati climatici, destinazione d’uso e profili di utenza, geometrie e superfici dell’involucro opache e trasparenti con adeguate proprietà termofisiche dei singoli componenti.
La seconda parte, utilizzando i dati esposti nella sezione precedente, simula il comportamento energetico dei singoli edifici nell’arco temporale di un anno, suddiviso in base alle cinque diverse tipologie di occupazione. I servizi simulati sono quelli di riscaldamento, raffrescamento, ventilazione, produzione di acqua sanitaria, e copertura del carico elettrico per illuminazione, dispositivi e altre apparecchiature elettriche.
La terza e ultima parte riporta in modo dettagliato i risultati della simulazione e confronta la domanda di energia con la produzione interna, adottando come regione di controllo l’intero campus, sia riguardo i carichi elettrici, sia quelli termici. Particolare attenzione è stata posta sull’analisi del bilanciamento, proposto su intervallo giornaliero e stagionale.
Un ultimo paragrafo è dedicato ad un’analisi economica dei possibili scenari che possono concretizzarsi per il caso studio presentato.
Il modello utilizzato per l’analisi termica del singolo edificio, limitandosi al fabbisogno dell’involucro edilizio, fa riferimento alla norma UNI/TS 11300-1, realizzando però il bilancio termico su intervallo orario. Per la parte di modellazione dei sistemi impiantistici installati nel campus (impianto fotovoltaico, turbina eolica, impianto dei pannelli solari termici) sono stati adottati simulatori online realizzati per ciascun ambito specifico. Il motore di calcolo è il software MATLAB che ha permesso di operare una simulazione su base oraria durante l’arco temporale di un anno. Per il rendering tridimensionale è stato adottato il software di modellazione SketchUp.
1Decreto Legislativo 16 Marzo 1999, n.79 “Attuazione della direttiva 96/92/CE recante norme comui per il mercato interno dell’energia
7
SCENARIO NORMATIVO
Si apre una parentesi sul sistema normativo, europeo in particolare, alla base delle motivazioni della stesura del presente elaborato e delle scelte progettuali operate.
Il consumo energetico mondiale è in aumento2 e i cambiamenti climatici sono una conseguenza dell’utilizzo, come fonte di energia primaria, dei combustibili fossili. L’attenzione verso questa problematica sta crescendo e il settore edilizio ne è pienamente coinvolto. La risposta è data dalla realizzazione di edifici o loro raggruppamenti altamente performanti, caratterizzati da fabbisogno energetico molto basso o quasi nullo e utilizzo di energia da fonti rinnovabili.
L’Agenzia Internazionale per l’Energia1 prevede, per il 2040, un aumento del 37% della domanda mondiale di energia, anche se il trend di crescita della popolazione e dell’economia mondiale è caratterizzato da una minore intensità energetica rispetto al passato: da una crescita media annua superiore al 2% negli ultimi due decenni all’1% dopo il 2025 (IEA,2018).
La Direttiva Europea principale, declinata nei decreti nazionali, è la Direttiva 2009/29/CE 3, nota come “Pacchetto clima-energia 20-20-20”, con la quale l’Unione Europea ha fissato gli obiettivi per ridurre le emissioni di gas serra del 20%, alzare al 20% la quota di energia prodotta da fonti rinnovabili e portare al 20% il risparmio energetico entro il 2020 rispetto ai valori del 1990.
L’efficienza energetica è uno strumento di cruciale importanza per allentare la pressione che grava sull’offerta di energia e per realizzare i punti sopra elencati. Complementare allo scopo è l’impiego di fonti rinnovabili, che implicano inconvenienti dettati dalla loro natura aleatoria ed intermittente e dalla loro non programmabilità. Questo significa che la loro disponibilità, quindi la relativa produzione, non coincide temporanealmente con il profilo della richiesta istantanea di carico di un sistema.
Il Decreto Legislativo n. 28 del 3 marzo 20114 definisce strumenti, meccanismi, incentivi e quadro istituzionale, finanziario e giuridico, necessari per il raggiungimento degli obiettivi in materia di energia da fonti rinnovabili. Tra i principali argomenti regolamentati si trova la copertura con fonti rinnovabili del 50% del fabbisogno di energia termica per la produzione di acqua calda sanitaria e con la stessa percentuale per il fabbisogno complessivo di riscaldamento e raffrescamento dell’immobile costruito dal 1° gennaio 2017. Per il carico di energia elettrica vige l’obbligo di installare impianti alimentati da fonti rinnovabili, la cui potenza è proporzionata alla superficie in pianta dell’edificio.
Ad oggi, sono numerose le direttive comunitarie e i relativi decreti di attuazione nazionale, il cui fondamentale interesse riguarda la prestazione energetica degli edifici; l’ultima direttiva europea, che condiziona fortemente il modo di progettare e realizzare gli immobili futuri, è la EPDB recast 2010/31/EU5 sull’efficienza energetica degli edifici. Questa prevede l’obbligo del raggiungimento di elevati standard energetici per gli immobili di nuova costruzione dal 31 dicembre 2020 e per quelli occupati da enti pubblici dal 31 dicembre 2018.
In data 23 aprile 2018 il Consiglio Europeo ha approvato la revisione della precedente direttiva, integrando le misure nell’ambito della direttiva sull’efficienza energetica nonché la legislazione dell’Unione Europea in materia emanando il così nominato “Pacchetto sull’energia pulita” presentato dalla Commissione il 30 novembre 2016.
Alla luce dell’esperienza maturata si cita, direttamente dal testo della modifica, l’Articolo 19 appropriato alla tesi in esame “Nell'ambito di tale revisione la Commissione esamina in che modo gli Stati membri possano applicare gli approcci integrati di distretto o di vicinato nella politica immobiliare e di efficienza energetica dell'Unione, assicurando nel contempo che ciascun edificio soddisfi i requisiti minimi di prestazione energetica, per esempio attraverso sistemi di ristrutturazione globale che si applicano a vari edifici in un ambito spaziale, anziché a un singolo edificio”.
2 International Energy Agency (IEA) World Energy Outlook Series, 2018. Lo scopo dell’agenzia è quello di facilitare il coordinamento delle politiche eenrgetiche dei paesi membri per assicurare la stabilità degli approvvigionamenti energetici (principalmente petrolio) al fine di sostenere la crescita economica. Pubblica con cadenza annuale un documento, World Energy Outlook (WEO), in cui sono contenute le proiezioni che si riferiscono al consumo di energia a livello mondiale e regionale, generalmente riferito a un periodo di 20/25 anni futuri. 3
DIRETTIVA 2009/29/CE DEL PARLAMENTO EUROPEO E DEL CONSIGLIO del 23 Aprile 2009 che modifica la direttiva 2003/87/CE al fine di perfezionare ed estendere il sistema comunitario per lo scambio di quote di emissione di gas a effetto serra.
4
Attuazione della direttiva 2009/28/CE sulla promozione dell'uso dell'energia da fonti rinnovabili, recante modifica e successiva abrogazione delle direttive 2001/77/CE e 2003/30/CE.
5
Direttiva Europea 2010/31/UE: riscrive le regole sul calcolo della prestazione energetica che devono soddisfare gli edifici nuovi e quelli oggetto di ristrutturazioni rilevanti. Tra le novità si segnalano: il riferimento alla “prestazione energetica” non più al “rendimento energetico” degli edifici; un metodo di calcolo della prestazione che tiene conto delle caratteristiche termiche dell’edificio, nonchè degli impianti di climatizzazione e produzione di acqua calda; il calcolo dei requisiti minimi di prestazione energetica in modo da consguire livelli ottimali in funzione dei costi; l’obiettivo di edifici a quasi energia zero entro il 2020.
8 Quanto appena esposto si declina nell’introduzione del concetto di “ edifici a energia quasi zero” (Nearly Zero Energy Bulding-nZEB), definito come edificio ad elevata prestazione energetica, il cui fabbisogno, molto basso o quasi nullo, dovrebbe essere coperto in misura molto significativa da energia da fonti rinnovabili. Nonostante le direttive europee non indichino parametri specifici relativi al fabbisogno energetico di un NZEB, la legislazione nazionale (D.I. 26/06/20156 “Adeguamento linee guida nazionale per la certificazione energetica degli edifici”) ha tradotto in parametri ben definiti il concetto di “energia quasi zero”. Devono essere contemporaneamente rispettati i parametri, gli indici di prestazione energetica e delle efficienze definiti nel paragrafo 3.3 del medesimo decreto e gli obblighi di integrazione delle fonti rinnovabili, come indicato nel decreto legislativo 3 marzo 2011, n.28. Nei rispettivi allegati, concernenti "Applicazione delle metodologie di calcolo delle prestazioni energetiche e definizione delle prescrizioni e dei requisiti minimi degli edifici”, sono indicati in adeguate tabelle i requisiti minimi per gli edifici di nuova costruzione, per le ristrutturazioni di quelli esistenti (diversi livelli di ristrutturazione) e per gli edifici NZEB.
RIFERIMENTI BIBLIOGRAFICI
Condizione necessaria per acquisire tali prestazioni energetiche è che i nuovi edifici siano realizzati agendo contemporaneamente su due piani: ridurre al minimo il fabbisogno energetico già durante la costruzione, attraverso un corretto isolamento della struttura, l’adozione di criteri bioclimatici e di strategie passive per il corretto utilizzo degli apporti solari ai fini energetici; e utilizzare le fonti energetiche rinnovabili, anche prodotte in loco, per soddisfare (in parte o del tutto) il fabbisogno energetico dell’edificio.
Lo scopo è la realizzazione di un edificio concepito in modo tale da aver bisogno della minore quantità possibile di energia (termica ed elettrica) sia in inverno sia in estate, e che garantisca al tempo stesso elevate condizioni di comfort ai residenti. La Direttiva, inoltre, introduce anche la valutazione costi-benefici di soluzioni tecnologiche per l’edilizia. Un parametro importante di scelta sarà la convenienza economica dell’intervento, in accordo con la metodologia di valutazione costi-benefici introdotti dalla Direttiva Europea.
Fino ad oggi però l’approccio è essenzialmente relativo al singolo edificio (Fig. 1), adottando come regione di controllo (confine di valutazione) appunto il confine dell’edificio stesso, includendo nel confine di sistema eventualmente sistemi che convertono l’energia rinnovabile in situ ed ex-situ (definizione Confine di sistema da normativa UNI/TS 11300-57).
Figura 1 Definizione sistema edificio (fonte UNI/TS 11300-5)
Invece per quanto riguarda il concetto di NZED (distretto ad energia quasi zero) è presente una letteratura ristretta, pertanto applicare gli obiettivi di “zero energy” per un distretto rimane ancora una
6 DECRETO INTERMINISTERIALE 26 GIUGNO 2015, “ADEGUAMENTO DEL DECRETO DEL MINISTRO DELLO SVILUPPO
ECONOMICO, 26 GIUNGO 2009- LINEE GUIDA NAZIONALI PER LA CERTIFICAZIONE ENERGETICA DEGLI EDIFICI“ AI SENSI DELL’ARTICOLO 6, COMMA 12, DEL DECRETO LEGISLATIVO 19 AGOSTO 2005, N.192, CON RELATIVO ALLEGATO 1 E RISPETTIVE APPENDICI A, B, C E D ALL’ALLEGATO 1 STESSO.
9 sfida in questo ambito. La ricerca, quindi, non può limitarsi all’analisi e al perfezionamento delle prestazioni energetiche del singolo edificio, ma diventa fondamentale estendere gli studi ad un livello maggiore, rappresentato da un gruppo di edifici come possibile modello della gestione futura delle città. Perciò i punti salienti della valutazione di un edificio a energia quasi zero si trasferiscono al distretto. Il termine distretto (Koutra, 2017) indica un’agglomerazione di edifici, in generale di piccola e media dimensione (nessuna ulteriore specifica è fornita), ubicati in un ambito territoriale circoscritto, ospitanti due o più tipologie di utenze e dotati di distinti impianti e servizi. Altra caratteristica distintiva della struttura è l’integrazione e la connessione intrinseca mediante reti energetiche e gestionali, per soddisfare e controllare fabbisogni e produzione.
La domanda di energia di un distretto è funzione dell’utenza, dei fabbisogni dei singoli edifici (riscaldamento, raffrescamento, ventilazione, illuminazione ed elettrodomestici, acqua calda sanitaria) e dei servizi richiesti.
La produzione di energia presente nella definizione di nZED riguarda le fonti rinnovabili e assimilate presenti nel sito (si utilizzano i fattori di conversione definiti nel DI 26/06/2015). Per questo essa è funzione della località geografica in cui è costruito il distretto e le condizioni climatiche esistenti. La scala del distretto è più interessante per le sue interconnessioni e interfacce tra i diversi componenti rispetto alla scala ridotta del singolo edificio. Infatti in questo ambito l’utenza non è unica, ma si trova un cluster di edifici con richieste non allineate temporalmente e tipologie diverse di carico, di energia elettrica e termica. Inoltre il livello “distrettuale” appare interessante in un contesto operativo e multitematico per la modellazione e l’esemplificazione della realizzazione di una “città intelligente” all’interno dell’introduzione e dell’applicazione del concetto di zero energy alla città stessa.
Dalla stessa fonte si ricava la definizione specifica di NZED posto come: “il distretto, dove la produzione di energia in loco eguaglia la richiesta finale da parte degli utenti. Il NZED è strutturato e localizzato in maniera intelligente per assicurare un funzionamento stabile e duraturo.” (Koutra, 2017). Lo stesso concetto può essere enunciato con la seguente espressione :
RICHIESTA ENERGIA ≤ PRODUZIONE ENERGIA
Lo studio in esame ha approfondito la sincronizzazione, resa possibile dall’intrinseca interconnessione, tra offerta e domanda di energia, che va a integrarsi con le diffuse gestioni di scambio con la rete elettrica nazionale.
Dalla letteratura una sola ed unica soluzione alimentata da fonti rinnovabili non risulta essere sufficiente ed energeticamente valida oppure economicamente vantaggiosa. Il miglior compromesso può essere ottenuto ricorrendo all’uso di un sistema di generazione distribuita8 operante con più fonti grazie all’adozione di sistemi integranti fonti tradizionali e fonti rinnovabili: HRES Hybrid Renewable Energy Systems (Shafiullah, 2016). L’integrazione di fonti diverse ha lo scopo di migliorare l’efficienza del sistema globale per ottenere un soddisfacente equilibrio nell’approvvigionamento di energia.
Sul fronte del sistema di generazione, l’idea di simultaneità è espressa dal concetto di sistema poligenerativo (Mancic, 2016 - Piacentino, 2013a - Piacentino, 2013b) o equivalentemente dal termine microgrid (SOL-UP, 2017). La poligenerazione può essere definita come la produzione combinata di due o più vettori energetici (Rong, 2017) da una o più fonti di energia primaria (PES), non sufficienti separatamente.
Prospettiva principale della poligenerazione è l’istituzione delle strutture smart grid (Fig. 2). Si tratta di collegare con un insieme di reti, di informazione (IT Information Technology) e di distribuzione, produttori di energia e utenze con distinti livelli di compenetrazione e ordinazione. Obiettivo principale è consentire una gestione efficiente ed efficace per la distribuzione di vettori energetici (elettrico e termico tra i principali) e, al contempo, realizzare un utilizzo più razionale dell’energia minimizzando eventuali sovraccarichi e variazioni impreviste (Annunziato, 2017 – De Santoli, 2017). Tutto ciò prevede un diverso sistema di generazione, e non presuppone solo la presenza di generazione centrale, come di consueto nelle grandi reti di trasmissione dell’energia, bensì una forte presenza di generazione distribuita, anche di piccola taglia, ubicata in posizioni ideali e convenienti.
La caratteristica “smart” della rete consente un’amministrazione ottimale della produzione di energia, attraverso la gestione locale di eventuali surplus generati e la distribuzione in aree contigue, nelle quali
8
La generazione distribuita si riferisce alla generazione elettrica e termica localizzata vicino al sito di utilizzo, sfruttando le fonti rinnovabili disponibili.
10 si possono presentare deficit (Jayaweera – Keyhani, 2009). Le operazioni sono eseguite in modo dinamico ed in tempo reale, regolando costantemente istante per istante la generazione. Per questo motivo fondamentali per le smart grid sono il monitoraggio e lo scambio continuo di informazioni, regolato da opportuni software.
Permettendo la determinazione in anticipo delle richieste di consumo e l’organizzazione dinamica della rete, una smart grid consente un notevole uso di fonti rinnovabili, rendendo quasi irrilevante la loro natura intermittente ed aleatoria.
Figura 2 Funzionamento della distribuzione energetica con smart grid
Quindi questi sistemi includono sia tecnologie basate su fonti fossili, sia su fonti rinnovabili ed offrono così diversi vantaggi:
In primis, mitigano la dipendenza dalle fonti fossili per migliorare la sicurezza energetica e ridurre gli impatti ambientali
Limitano le perdite energetiche dovute alle distanze, in certi casi elevate, di distribuzione e trasmissione dell’energia, tipiche del sistema a generazione centralizzata
Aumentano la flessibilità del sistema, favorendo gli scambi tra ciascun sistema di generazione locale e i diversi utilizzatori, includendo più RES possibili
Per favorire questo obiettivo prioritaria è la concretizzazione dell’interconnessione, sia a livello di utilizzatori, sia a livello di generazione, che bilancia le distinte generazioni di energia con le altrettante richieste di fabbisogno. La necessità del bilanciamento di energia elettrica causato dai sistemi intermittenti RES può inoltre diminuire grazie all’interconnessione con il vettore termico (Kalaycioglu, 2017).
11 Esperienza concreta della microgrid (Fig. 3) è la realizzazione del Campus di Savona dell’Università degli Studi di Genova (Bracco, 2013). La configurazione interna risulta comparabile con quella scelta nella tesi. Infatti comprende circa quindici strutture con diverse destinazione d’uso, tra cui laboratori e aule, uffici amministrativi, una biblioteca e alcuni edifici adibiti a residenziale, che rappresentano utenze passive sia elettriche che termiche. Le unità di generazione, oltre la fornitura da rete elettrica nazionale e da rete di distribuzione del gas, prevedono:
3 microturbine a gas naturale in assetto cogenerativo (globalmente presentano 160 kWe e 284 kWth con ƞel=29% e ƞel=50%); il calore recuperato dai gas di scarico delle microturbine viene utilizzato per scaldare l’acqua, impiegata per il riscaldamento in inverno e per il raffrescamento estivo attraverso il chiller ad absorbimento (da 100 kW),
3 impianti solari a concentrazione, per produrre energia termica ed elettrica grazie a un motore Stirling collegato ad un generatore elettrico a magneti permanenti (rispettivamente è presente 1 kWe e 3 kWth con ƞel=14% e ƞel=41%),
1 impianto fotovoltaico con moduli al silicio cristallino da 80 kWp (ciascun modulo prevede 240 W di potenza con ƞel=14.5%), installato sul tetto di uno degli edifici del campus
2 caldaie a gas naturali tradizionali (da 500 kWth ciascuna),
Sistemi di accumulo di tipo elettrochimico, costituiti complessivamente da 6 batterie elettriche con tecnologia al sodio-cloruro di nichel ciascuna della capacità di 23,5 kWh, e di tipo termico È gestito da un software di controllo, funzionale alla previsione della produzione elettrica da fonte tradizionale e rinnovabile e del carico, alla programmazione dell’esercizio e al controllo in tempo reale di questo, con l’obiettivo di ridurne i costi operativi e mantenere un profilo concordato di produzione/consumo dei vettori energetici.
L’analisi di fattibilità economica ed ambientale è svolta considerando tra le variabili specifiche condizioni climatiche, quali ad esempio l’irraggiamento solare, la velocità del vento, e il prezzo dell’energia elettrica ceduta dalla rete. La realizzazione della microgrid in esempio e l’utilizzo dei programmi di supervisione e gestione automatizzata, consentono di conseguire benefici in termini di risparmio energetico e di massimizzazione dell’utilizzo di energie rinnovabili.
Le principali barriere all’espansione dei sistemi appena descritti sono i costi relativi elevati dei componenti e le analisi di fattibilità e convenienza che sono ad oggi limitati a casi studio di singoli edifici, considerati individualmente, che non evidenziano effettivi benefici a livello di riduzione di energia e di periodo di ritorno economico utilizzando sistemi di poligenerazione del tipo HRES. Il funzionamento intermittente delle unità di generazione o i periodi temporalmente estesi di inattività riducono il profitto e l’attrazione per nuovi investimenti e ricerche.
OBIETTIVI DELLA TESI
Il caso studio vede protagonista un sistema di poligenerazione che rifornisce un numero limitato di edifici con bassi e distinti livelli di fabbisogni termici ed elettrici. Nella trattazione sono descritte le preferenze impiantistiche e le modalità di valutazione delle loro prestazioni. La scelta presentata per il campus deriva dal compromesso e unione di molteplici valutazioni e scopi. Si tratta di una strategia multiobiettivo: lato energetico, lato del benessere termoigrometrico, lato normativo-legislativo e economico. In particolare la finalità della tesi è stata la dimostrazione della reale possibilità di realizzazione e di fattibilità (sia in termini energetici sia economici) di un distretto ad energia quasi zero. Lo studio ha evidenziato inoltre i benefici derivanti dall’interconnessione di edifici diversi con distinti servizi, utenze e profili di utilizzo. La sincronizzazione è resa possibile dall’intrinseca interconnessione, tra offerta e domanda di energia, che va a integrarsi con la gestione di scambio con la rete elettrica nazionale. Gli accertamenti sono realizzati mediante studi dettagliati del bilancio elettrico e termico ed analisi economiche semplificate sulla spesa complessiva per l’energia considerando scenari diversi di configurazioni possibili.
12
1 IL CASO STUDIO: CAMPUS UNIVERSITARIO
1.1
DESCRIZIONE DEL CASO STUDIO
Il caso studio analizza un piccolo campus universitario (Fig. 1.1), con una capienza massima di 1000 studenti. Per verificare gli obiettivi della tesi, il modello deve essere costituito da un raggruppamento di edifici ospitanti utenze distinte anche su base temporale. Come illustrato nella premessa dell’introduzione, la scelta del campus universitario come caso studio è motivato dal vigente Decreto Legislativo n.79/99: la struttura presenta un unico referente legale e giuridico ma tipologie differenziate di fabbisogni (elettrici e termici).
I calcoli qui effettuati possono essere adattati, attraverso opportuni rapporti di scala, anche a strutture ospitanti un numero maggiore o multiplo di persone. Le proporzioni riguardano sia le dimensioni geometriche dei singoli edifici, sia le taglie degli impianti di generazione.
Il campus universitario oggetto della tesi prevede 5 tipologie di edifici, rappresentanti altrettanti profili di utenza: una palestra, edifici residenziali, edifici adibiti a mensa e bar, edifici adibiti a uffici e aule. In questo modo possono essere esaminati diverse tipologie di richieste (elettrice e termiche) e di destinazione d’uso.
Il complesso può essere schematizzato nel modo seguente:
Figura 1.1 Disposizione di ciascuna unità all’interno del campus
Si riporta in modo sintetico la legenda relativa alla figura precedente (Fig. 1.1), utile per chiarire la disposizione e le proporzioni di ciascun edificio all’interno della superficie complessiva del campus.
il raggruppamento verde racchiude gli edifici del residenziale, il raggruppamento viola la palestra e i campi sportivi esterni, il raggruppamento arancione la mensa e i due bar,
il raggruppamento rosso i due edifici ospitanti le aule, il raggruppamento blu gli edifici adibiti ad uffici,
la zona a Nord-Est del campus è predisposta per l’installazione di una turbina elettrica, mentre a Sud-Est è previsto un parking fotovoltaico.
1.2
SCELTA DELLA LOCALITA’
L’ubicazione prescelta del campus universitario è la provincia di Trieste. I motivi della preferenza sono sia infrastrutturali, sia basati sui dati climatici favorevoli della zona. Nella provincia di Trieste è già presente una realtà universitaria consolidata, perciò l’ipotesi della realizzazione di un nuovo campus è
O
V
EST EST
SUD NORD
13 realistica nell’ottica di uno sviluppo futuro delle strutture e necessità accademiche. La zona non è isolata, bensì presenta collegamenti opportuni ed indispensabili con la rete elettrica nazionale e con altre infrastrutture (come trasporti, rete di distribuzione del gas naturale).
Inoltre Trieste presenta dati storici climatici, reperibili dall’archivio del Comitato Termotecnico Italiano, ideali per un buon sfruttamento della risorsa eolica e solare, componenti fondamentali della struttura impiantistica ipotizzata. Le precipitazioni ricoprono, a livello di giorni sull’arco dell’anno, una percentuale di circa 26 %, le giornate serene (con riferimento al livello di radiazione superiore a 50 W/m2) circa il 43% e quelle con presenza di vento (con riferimento alla velocità del vento superiore a 5 m/s) una quota pari circa al 23%. A livello annuale i valori medi registrati di temperatura esterna (°C), radiazione solare (W/m2) e velocità del vento (m/s) sono rispettivamente 15,6 °C, 137,7 W/m2 e 3,8 m/s. È situata in zona climatica D (1929 gradi-giorno) e si riportano nelle tabella seguente (Tab. 1.1) i principali dati climatici della città in esame.
Tabella 1.1 Tabella dati climatici anno tipo Trieste
MESE
TEMPERATURE MEDIE MENSILI (°C)
RADIAZIONE SOLARE MEDIA MENSILE (W/m^2) 1 5,3 61,7 2 6,1 55,7 3 9,2 91,5 4 13,4 146,5 5 18,0 239,4 6 21,5 242,4 7 24,2 270,9 8 23,8 188 9 20,3 150,9 10 15,4 106 11 10,3 51,7 12 6,7 41,2
MESE VELOCITA' MEDIA MENSILE (m/s) VELOCITA' MASSIMA MENSILE (m/s)
1 5,0 8,0 2 4,7 7,7 3 4,6 7,1 4 4,1 6,2 5 3,7 5,4 6 3,5 4,9 7 3,7 5,5 8 3,7 5,3 9 3,8 5,5 10 4,4 6,7 11 4,5 7,0 12 4,8 7,6
1.3
CARATTERIZZAZIONE DEL DISTRETTO
La struttura di ciascun edificio è stata ipotizzata ex-novo per questo è stato possibile posizionarli ed orientarli nel migliore dei modi (Pultrone, 2014). Gli edifici realizzati sono NZEB, come richiesto dalla normativa vigente per quelli di nuova costruzione. È la Direttiva Europea 31/2010/UE “Direttiva sulla
14 prestazione energetica nell’edilizia”, che all’Articolo 9 tratta l’argomento di edifici a energia quasi zero ed indica: “Gli Stati membri provvedono affinché:
entro il 31 dicembre 2020 tutti gli edifici di nuova costruzione siano edifici a energia quasi zero entro il 31 dicembre 2018 gli edifici di nuova costruzione occupati da enti pubblici e di proprietà
di questi ultimi siano edifici a energia quasi zero”.
La dicitura NZEB si traduce in nearly zero energy building, cioè edifici a energia quasi zero. Si tratta pertanto, di edifici costruiti appositamente per avere un impatto ambientale prossimo allo zero e, dunque, un’alta efficienza energetica. Si riporta la definizione della normativa: possono essere definiti edifici NZEB tutti gli edifici in cui “come risultato di un livello molto alto di rendimento energetico degli immobili, il consumo totale annuale di energia primaria dovrà essere uguale o inferiore alla produzione energetica ottenuta in loco con le energie rinnovabili”.
Nel contesto i diversi edifici NZEB sono stati uniti in un Net Zero Energy District.
La produzione annua del campus, sia elettrica sia termica, partecipa al bilancio finale con una percentuale pari circa al 50%. Le tecnologie di generazione, in entrambi gli ambiti, sono state scelte tra quelle in uso nel periodo e negli anni in cui è prevista la progettazione.
Il carico elettrico è soddisfatto da:
pannelli fotovoltaici, aderenti o integrati, come richieste dal D.Lgs 28/2011, nei tetti degli edifici e del parcheggio, con la stessa inclinazione e lo stesso orientamento della falda
una turbina eolica,
potenza elettrica prodotta dal cogeneratore
rete elettrica nazionale per eventuali scambi di vendita e/o di acquisto
Al contrario, il carico termico per la produzione di acqua calda sanitaria è esaudito, per quanto possibile, da pannelli solari installati sui tetti dei relativi edifici. Per quanto riguarda il carico termico per riscaldamento il campus è provvisto di una rete di teleriscaldamento alimentata da due appositi cogeneratori e da pompe di calore reversibili esclusivamente per il fabbisogno della parte residenziale.
1.4
CARATTERISTICHE DELLE SINGOLE TIPOLOGIE DI EDIFICIO
Si procede con la descrizione di ogni singolo edificio nella sua struttura (Pultrone, 2014). Le dimensioni utilizzate sono state scelte tra i range dei requisiti minimi, igienici-sanitari e di sicurezza, per la progettazione degli ambienti, secondo la tipologia e il relativo utilizzo degli spazi, presenti in linee guida specializzate e su altrettante normative, in particolare alcuni Decreti Ministeriali del 1975 e il D.Lgs 81/80. Inoltre come base di partenza sono stati consultati altri casi studio su strutture già realizzate.
RESIDENZIALE
E’ costituito da 5 edifici ciascuno di 3 piani, ognuno formato da 10 appartamenti ospitanti 2 studenti, per un totale di studenti residenti nel campus pari a 300. Ogni edificio ha dimensioni di 40 m di lunghezza e 18 m di larghezza, considerando ogni appartamento di 8m x 8m e un corridoio centrale di 2,5m compreso il vano scale. Ogni piano ha un’altezza netta di 3m. Di seguito lo schema di un piano dell’edificio residenziale con gli appartamenti secondo la loro relativa posizione (Fig. 1.2) (Università degli Studi di Parma). I tre piani dell’edificio sono identici nella loro disposizione (Fig. 1.6).
15 Figura 1.2 Disposizione piano edificio residenziale
I singoli appartamenti sono stati rinominati con un numero in ordine progressivo, numerazione che sarà utilizzata nel paragrafo successivo del dimensionamento dei pannelli radianti. Inoltre sono disposti in modo speculare rispetto al corridoio.
APPARTAMENTO I
Appartamento che prevede due pareti in contatto con l’ambiente esterno, orientato sul lato Ovest dell’edificio residenziale (Fig. 1.3).
Figura 1.3 Configurazione appartamento tipo I
APPARTAMENTO II
Appartamenti centrali, che espongono all’ambiente esterno un’unica parete (Fig. 1.4). Figura 1.4 Configurazione appartamento tipo II
CORRIDOIO
CAMERA DA LETTO
BAGNO
SALOTTO-CUCINA
16 APPARTAMENTO III
Appartamento che prevede due pareti in contatto con l’ambiente esterno, ma orientato sul lato Est dell’edificio residenziale (Fig. 1.5).
Figura 1.5 Configurazione appartamento tipo III
Figura 1.6 Configurazione intero edificio residenziale
AULE
Le aule sono suddivise in due edifici separati, di dimensioni pari a 24 m di lunghezza e 22 m di larghezza; ciascuno ospita 5 aule, ognuna con capienza massima di 100 studenti circa, disposte su due piani. Le aule, per entrambi i piani con disposizioni differenti, misurano 10m x 12 m. Il corridoio centrale è largo m. 2, mentre l’altezza netta dei piani è pari a m. 3. Di seguito lo schema del piano terra e del primo, la disposizione si ripete per i due edifici (Fig. 1.7) (Cornaglia,2013).
Figura 1.7 Disposizione piani edificio aule
PIANO
PRIMO
17 La disposizione relativa delle finestre sui due piani dell’intero edificio è mostrata nella figura successiva. Sono mostrati solamente due lati, poiché gli altri risultano speculari (Fig. 1.8).
Figura 1.8 Configurazione intero edificio aule
Per gli edifici rimanenti non è stata pensata una particolare disposizione interna, ma quella decisa dipende unicamente da scelte strutturali di divisione degli spazi e di requisiti minimi dei servizi.
UFFICI
Gli uffici complessivi del campus sono suddivisi in 3 edifici di due piani. Le dimensioni di ciascun edificio sono pari a 24 m di lunghezza e 22 m di larghezza, per 3m di altezza. Ogni piano prevede 20 uffici, divisi da un corridoio centrale, di dimensioni pari circa a 5 m x 4 m; pertanto ciascuno ha una superficie totale di circa 20 m2 e può ospitare due persone, tra docenti e personale di segreteria. È rappresentato l’intero edificio, sono mostrati solamente due lati in quanto gli altri risultano speculari (Fig. 1.9).
Figura 1.9 Configurazione intero edificio uffici
PALESTRA
La palestra, unico edificio di due piani, può ospitare circa 30 utenti per piano. I servizi, composti da spogliatoi, servizi igienici e docce, sono dimensionati in base al numero totale di utenti, comprendente anche gli utenti dei campi da gioco esterni. Le dimensioni sono pari a 13 m di lunghezza e 10 m di larghezza, per 3m di altezza. I due piani prevedono ciascuno un’unica sala eccetto lo spazio del blocco servizi distinti per sesso e rispettanti le norme vigenti circa le palestre. È rappresentato l’intero edificio, sono mostrati solamente due lati in quanto gli altri risultano speculari (Fig. 1.10).
18 Figura 1.10 Configurazione intero edificio palestra
MENSA
La mensa è ospitata in un unico edificio, diviso in due piani, di dimensioni pari a 50 m di lunghezza e 35 m di larghezza, con altezza netta per piano di 3m. Il piano terra è composto di una sala comune e la zona cucina, distribuzione, magazzino e conservazione freddo, il primo piano prevede una sala comune con annessa la zona di distribuzione pasti. I posti totali, suddivisi su due piani, sono circa 500, dato che possono essere effettuati più turni del servizio (Archweb). La figura sottostante rappresenta l’intero edificio (Fig. 1.11).
Figura 1.11 Configurazione intero edificio mensa
BAR
Nel campus sono presenti due edifici identici ospitanti l’attività di bar. Le dimensioni sono pari a 12 m di lunghezza e 10 m di larghezza, con altezza netta per piano di 3m. Il piano terra è composto da una sala comune e la zona cucina, distribuzione, magazzino e conservazione freddo. Ciascun spazio ricreativo è pensato per ospitare contemporaneamente circa 150 persone. La figura sottostante rappresenta l’intero edificio (Fig. 1.12).
19 All’interno del campus si ipotizza inoltre la realizzazione di un’area adibita a parking fotovoltaico (Elca) ospitante 100 posti auto riservati al corpo docenti, personale di segreteria e addetti al servizio ristorazione (Fig. 1.13). Può essere installato a SUD, a lato degli edifici del residenziale, disponendo i posti auto su due file. Le caratteristiche tecniche sono descritte brevemente di seguito:
dimensioni in pianta : 5,32m x 145,5m altezza minima : 2,36m
altezza massima : 3,18m inclinazione della falda : 9°
fissaggio al suolo : con plinti di calcestruzzo
Figura 1.13 Struttura completa di dimensioni del parcheggio [III]
1.5 CARATTERISTICHE COSTRUTTIVE DEGLI EDIFICI: COMPONENTI
OPACHI E TRASPARENTI
Il Decreto Requisiti Minimi del 26 giugno 2015, pubblicato inGazzettaUfficiale n.162 del 15 luglio 2015 e in vigore dal 1 ottobre 2015, è il nuovo riferimento per l’efficienza energetica in edilizia (Menchetti, 2017). Recepisce la Direttiva Europea e fissa nuovi metodi di calcolo e requisiti minimi in materia di prestazioni energetiche per gli edifici di nuova costruzione e per le ristrutturazioni.
Direttamente dal testo del Decreto, si riportano le tabelle prese a riferimento nel caso studio, in particolare per la zona climatica D (Tab. 1.2-1.6):
ZONA CLIMATICA U (W/m2 K) 2015 2019/2021 A e B 0,45 0,43 C 0,38 0,34 D 0,34 0,29 E 0,30 0,26 F 0,28 0,24
Tabella 1.2 Trasmittanza termica U delle strutture opache verticali, verso l'esterno, gli ambienti non climatizzati o contro terra
20 ZONA CLIMATICA U (W/m2 K) 2015 2019/2021 A e B 0,38 0,35 C 0,36 0,33 D 0,30 0,26 E 0,25 0,22 F 0,23 0,20
Tabella 1.3 Trasmittanza termica U delle strutture opache orizzontali o inclinate di copertura, verso l'esterno e gli ambienti non climatizzati o contro terra
ZONA CLIMATICA U (W/m2 K) 2015 2019/2021 A e B 0,46 0,44 C 0,40 0,38 D 0,32 0,29 E 0,30 0,26 F 0,28 0,24
Tabella 1.4 Trasmittanza termica U delle strutture opache orizzontali di pavimento, verso l'esterno, gli ambienti non climatizzati o contro terra
ZONA CLIMATICA U (W/m2 K) 2015 2019/2021 A e B 3,2 3,00 C 2,40 2,20 D 2,00 1,80 E 1,80 1,40 F 1,50 1,10
Tabella 1.5 Trasmittanza termica U delle chiusure tecniche trasparenti e opache e dei cassonetti, comprensivi degli infissi, verso l’esterno e verso ambienti non climatizzati
ZONA CLIMATICA U (W/m2 K)
2015 2019/2021
Tutte le zone 0,8 0,8
Tabella 1.6 Trasmittanza termica U delle strutture opache verticali e orizzontali di separazione tra edifici o unità immobiliari confinanti
Le pareti disperdenti a contatto con l’esterno sono composte come da tabella e la loro trasmittanza verifica i requisiti minimi della normativa. I valori sono gli stessi per tutti gli edifici presenti nel campus per questioni di semplicità.
Ogni parete è formata dai seguenti strati (dall’esterno verso l’interno) (Tab. 1.7) (Index, 2010): (𝑊 𝑚 𝐾) Spessore (m) Resistenza ( 𝑚2 𝐾 𝑊 ) INTONACO ESTERNO 0,7 0,01 0,014 ISOLANTE (polistirene espanso) 0,034 0,08 2,353 LATERIZI forati 0,204 0,17 0,833 INTONACO INTERNO 0,7 0,01 0,014
Tabella 1.7 Stratigrafia muratura perimetrale esterna
Sommando le varie resistenze sopra calcolate la resistenza totale vale 3,215 𝑚 2 𝐾
𝑊 e convenzionalmente
si applicano come coefficienti liminari 8 𝑊
𝑚2 𝐾 rispetto all’aria interna e 23
𝑊
21 perciò il coefficiente di trasmissione termica U è calcolabile dalla seguente formula 1 1
𝛼𝑖+ 1 𝛼𝑒+𝑅𝑇𝑂𝑇
=U con 𝑅𝑇𝑂𝑇 = ∑𝑛𝑖=1𝑅 con rispettivamente R di ogni strato della parete pari a
𝑠
= 𝑅. La U risulta pari 0,296 𝑊
𝑚2 𝐾.
Le superfici vetrate sono scelte con doppi vetri con trattamento superficiale basso emissivo di dimensioni 4-20-4 e contenente Argon nell’intercapedine. Per il telaio sono stati usati materiali misti e come distanziatore quello per vetri trattati termicamente. Le superfici vetrate hanno dimensioni 2 m X 1,5 m con spessore di 0,12m (comprensivo del telaio). Applicando la seguente formula, consultando i cataloghi specializzati (ENEA – Bellini catalogo specifico) e la normativa UNI EN ISO 10077 per i valori numerici specifici si calcola la trasmittanza relativa:
𝑈𝑉 =
𝐴𝑔∗ 𝑈𝑔+ 𝐴𝑓∗ 𝑈𝑓+ 𝐼𝑔∗ 𝜓𝑔
𝐴𝑔+ 𝐴𝑓
pari a 1,788 𝑊
𝑚2 𝐾. 𝐴𝑔 è l’area del vetro, 𝐴𝑓 è l’area del telaio, 𝑈𝑔 𝑒 𝑈𝑓 le rispettive trasmittanze, 𝐼𝑔il perimetro del ponte termico e 𝜓𝑔 il coefficiente lineico del ponte termico, in accordo con la norma sopra
citata e i valori di default per le tipiche combinazioni di telai-vetri-distanziatori.
Attraverso le guide alla stratigrafia di coperture (tetti), pavimenti e tramezzi, riportanti gli schemi più comuni delle strutture citate, si ottengono i seguenti risultati:
I pavimenti sono formati dai seguenti strati (dall’alto verso il basso) (Tab. 1.8) (Index, 2010): ( 𝑊 𝑚 𝐾) Spessore (m) Resistenza ( 𝑚2 𝐾 𝑊 ) PIASTRELLE 0,792 0,015 0,0189 SOTTOFONDO 1,023 0,04 0,0391 ISOLANTE (polistirene espanso) 0,034 0,15 3,3333 CLS 0,648 0,04 0,0617 MASSETTO IN CALCESTRUZZO 1,408 0,3 0,2131
Tabella 1.8 Stratigrafia pavimento
Sommando le varie resistenze sopra calcolate e utilizzando le relazioni per il calcolo della trasmittanza termica per pavimenti si è trovato un valore di 0,261 𝑊
𝑚2 𝐾.
I tetti sono formati dai seguenti strati (dall’alto verso il basso)(Tab. 1.9) (Index, 2014): (𝑊 𝑚 𝐾) Spessore (m) Resistenza ( 𝑚2 𝐾 𝑊 ) MEMBRANA IMPERMEABILE 0,17 0,001 0,006 ISOLANTE (LANA ROCCIA) 0,037 0,06 1,622 ISOLANTE (LANA ROCCIA) 0,036 0,12 3,333 TELO FRENO VAPORE 0,22 0,001 0,005 PANNELLO OBS 0,16 0,015 0,094 ASSITO IN LEGNO 0,12 0,02 0,167
22 La resistenza totale vale 5,226 𝑚2 𝐾
𝑊 e attraverso la formula precedentemente citata il coefficiente di
trasmissione termica U risulta pari 0,1854 𝑊
𝑚2 𝐾.
I tramezzi sono costituiti dai seguenti strati (Tab. 1.10) (Index, 2010): (𝑊 𝑚 𝐾) Spessore (m) Resistenza ( 𝑚2 𝐾 𝑊 ) INTONACO 0,7 0,02 0,0286 ISOLANTE (polistirene espanso) 0,034 0,04 1,1765 LATERIZIO PORIZZATO FORATO 0,247 0,12 0,4858 INTONACO 0,7 0,02 0,0286
Tabella 1.10 Stratigrafia muratura tra locali
Sommando le varie resistenze sopra calcolate la resistenza totale vale 1,7194 𝑚 2 𝐾
𝑊 e applicando i
coefficienti liminari con l’ambiente il coefficiente di trasmissione termica U risulta pari 0,53 𝑊
𝑚2 𝐾. Tutti i valori sopra riportati, sono in linea con i requisiti minimi del decreto interministeriale del 26 giugno 2015 “Applicazione delle metodologie di calcolo delle prestazioni energetiche e definizione delle prescrizioni e dei requisiti minimi degli edifici” descritti precedentemente.
Dopo aver ipotizzato la struttura di ciascuna parete è stata eseguita una successiva verifica riguardo la formazione di condensa sulla superficie interna delle varie strutture. La condensa e quindi l’acqua nelle strutture oltre a determinare degli effetti antiestetici costituisce un ottimo terreno di coltura per microrganismi quali muffe. La normativa cui riferirsi per la condensa interstiziale è costituita da UNI EN ISO 13788 2013. Per ovviare alla formazione della condensa interstiziale è necessario che la temperatura della superficie della parete in esame Ti sia superiore a quella di rugiada. Si è applicato il metodo di Glaser per un calcolo preciso più attento alle situazioni che si verificano stagionalmente, riferendosi alle temperature esterne medie mensili ed alle condizioni di pressione parziale di vapore corrispondenti, cui si aggiungono i valori della pressione di saturazione (dati interpolati da tabella) e di umidità relativa. La temperatura interna è stabilita da normativa per gli ambienti riscaldati, così come il valore di umidità interna, considerata pari al 50%. Dai calcoli effettuati si osserva che adottando le strutture delle pareti così descritte, riferendosi a condizioni di benessere invernale, non si ha rischio di condensa.
1.6 CARATTERISTICHE COSTRUTTIVE DEGLI EDIFICI: COMPONENTI
OPACHI E TRASPARENTI
Per garantire il raggiungimento di adeguate condizioni di benessere termico negli ambienti interni è necessario climatizzare adeguatamente gli edifici, controllando contemporaneamente le dispersioni verso l’esterno (relativamente alla trasmissione attraverso l’involucro), gli apporti interni di calore gratuiti e il carico di ventilazione. In compresenza dei necessari impianti di generazione, questo scopo può essere raggiunto mediante l’adozione di semplici accorgimenti tecnico-costruttivi. Questi sono basati sull’applicazione di alcuni principi di progettazione, in grado di ridurre considerevolmente i consumi energetici, prima fra tutte la radiazione solare incidente sugli edifici.
All’interno del campus sono presenti edifici NZEB, riscaldati e climatizzati attraverso sistemi attivi uniti a tecniche passive di termoregolazione. Tra queste la posizione e l’orientamento dei locali, che permettono di ridurre il fabbisogno termico specifico e il consumo di energia elettrica per illuminazione, perché è sfruttata l’illuminazione naturale negli ambienti.
23 La logica di costruzione e collocazione di ciascun edificio si propone nell’ottica di limitare le dispersioni verso l’esterno e di valorizzare e massimizzare gli apporti solari nel periodo invernale, mantenendo un valore non eccessivamente svantaggioso in estate. Per realizzare questi obiettivi fondamentale risulta l’ubicazione relativa e la forma ideale del fabbricato.
Alle latitudini Italiane in Inverno il lato Sud dell’edificio riceve più radiazione solare rispetto ai lati Est e Ovest. Durante l’estate la situazione è invertita. (Fig. 1.14).
Figura 1.14 Suddivisione radiazione solare rispetto all'orientamento dell'edificio
Pertanto un edificio, che presenta il lato più esteso disposto lungo l’asse Est-Ovest, in inverno espone una superficie maggiore verso Sud da dove riceve la massima quantità di apporti solari gratuiti. In estate invece, grazie ai lati corti disposti ad Est e ad Ovest, non si espongono grandi superfici di parete alla radiazione solare, evitando discomfort termico causato dal surriscaldamento degli ambienti interni e risparmiando sull’utilizzo di ingenti e difficoltosi sistemi di ombreggiamento.
La disposizione precedente è adottata per alcuni edifici del campus universitario. In alcuni casi specifici l’edificio è stato invece progettato a pianta quadrata, perché in primo piano dovevano essere considerati aspetti di semplicità strutturale dello stesso e la disposizione dei locali interni. In particolare si fa riferimento agli edifici adibiti ad aule ed uffici.
Altro aspetto da tener presente nella scelta della disposizione dei fabbricati è la loro distanza reciproca, al fine di evitare l’ombreggiamento delle facciate e degli spazi esterni. Il calcolo indicativo di tale distanza deve essere eseguito considerando l’altezza del sole, ricavata dal diagramma solare corrispondente alla latitudine del sito in esame (Fig. 1.15-1.16). La distanza reciproca tra i fabbricati incide anche sulla lunghezza complessiva della rete di teleriscaldamento che si occupa della distribuzione di energia termica che, per essere accettabile e conveniente economicamente, non deve superare i 2000 m, caratteristica ottenuta attraverso le opzioni adottate nella struttura del campus. Di seguito si riportano i diagrammi solari ricavati dall’Atlante Italiano della radiazione solare (Enea, 2018), ponendo come dati di input la Latitudine e la Longitudine di Trieste (circa rispettivamente 45°40’ e 13°47’).
24 Figura 1.15 Diagramma
solare polare ricavato dall'Atlante Italiano della
radiazione solare (Lat. 45°16'-Log 13°47')
25 I diagrammi riportano le traiettorie del Sole, in termini di altezza e azimut solari, nell’arco di una giornata, per più giorni dell’anno. I giorni, uno per mese, sono scelti in modo che la declinazione solare del giorno coincida con quella media del mese. Nel riferimento polare, i raggi uniscono punti di uguale azimut, mentre le circonferenze concentriche punti di uguale altezza. Le circonferenze sono disegnate con passo di 10° a partire dalla circonferenza più esterna (altezza = 0°) fino al punto centrale (altezza = 90°).
Invece nel riferimento cartesiano, gli angoli azimutale e di altezza solare sono riportati rispettivamente sugli assi delle ascisse e delle ordinate. In entrambi i diagrammi, a tratteggio, sono riportate le linee relative all’ora: si tratta dell’effettiva ora solare.
Si traccia il grafico sul diagramma solare che serve per visualizzare le ombre, utilizzando per semplicità il diagramma polare. In questo modo si verifica se la disposizione scelta per gli edifici, disposti nel campus come da immagini precedenti, crei o no problemi di ombreggiamento reciproco e in caso positivo in quale entità.
Per la vicinanza reciproca tra gli edifici, quelli che potrebbero influenzarsi con le proprie ombre, sono gli uffici, le aule, gli edifici del residenziale tra loro, e il bar con la mensa.
Si procede a calcolare il periodo di ombreggiamento di un muro verticale rispetto al piano ad esso perpendicolare, in modo da verificare se l’ombra, proiettata sul terreno, possa influenzare la parete dell’edificio opposto (Fig. 1.17).
La linea orizzontale superiore del muro determina un angolo di altezza solare al di sotto del quale i punti retrostanti restano in ombra e si calcola con la seguente formula (Grassi, 2017b):
𝛼𝑂𝑆𝑇 = arctan (
ℎ √𝑥2+ 𝑦2)
con x si indica la coordinata generica, alla base del muro, retta di intersezione fra parete e terreno, mentre con y la coordinata, giacente sul piano orizzontale con direzione ortogonale al muro in verso di allontanamento dal muro stesso. Inoltre h e c indicano rispettivamente l’altezza del muro e la sua larghezza.
Per quanto riguarda l’azimut il punto resta in ombra se questo angolo è compreso fra il range determinato dalle seguenti formule (Grassi, 2017b):
𝑎𝑧𝑂𝑆𝑇,𝑒𝑠𝑡 = arctan ( 𝑐 2 + 𝑥 𝑦 ) 𝑎𝑧𝑂𝑆𝑇,𝑜𝑣𝑒𝑠𝑡 = −arctan ( 𝑐 2 − 𝑥 𝑦 )
Tabella riassuntiva (Tab. 1.11) dei risultati ottenuti dai calcoli precedenti per i casi presi in esame:
y (m) x (m) c (m) h (m) 𝛼 𝑂𝑆𝑇 𝑎𝑧𝑂𝑆𝑇,𝑒𝑠𝑡 𝑎𝑧𝑂𝑆𝑇,𝑜𝑣𝑒𝑠𝑡 UFFICI-UFFICI (Est-Ovest) 30 12 24 6 11° 39° 0° RESIDENZIALE-RESIDENZIALE (Sud) 20 20 40 9 18° 63° 0 RESIDENZIALE-RESIDENZIALE (Est-Ovest) 80 9 18 9 6° 17° 0° AULE-AULE (Est-Ovest) 30 12 24 6 13° 40° 0° MENSA-BAR (Est-Ovest) 50 6 12 3 5° 15° 0°
