POLITECNICO DI MILANO
Corso di Laurea
ANALISI ED OTTIMIZZAZIONE
DI UNA PALAZZINA RESIDENZIALE DEGLI ANNI '70
Relatore
Prof. Niccolò Aste
POLITECNICO DI MILANO
Corso di Laurea Magistrale in Architettura
TESI di LAUREA
ED OTTIMIZZAZIONE ENERGETICA IN REGIME DINAMICO
DI UNA PALAZZINA RESIDENZIALE DEGLI ANNI '70
A cura di Mattia Ferrari
Anno accademico 2014/2015
ENERGETICA IN REGIME DINAMICO
DI UNA PALAZZINA RESIDENZIALE DEGLI ANNI '70
A cura di Mattia Ferrari
matr. 815992
Indice
1. ABSTRACT INTRODUTTIVO.………... 5
2. INTRODUZIONE E SCOPO DELLO STUDIO……… 6
2.1 Il regolamento energetico nell'edilizia………. 8
2.2 Cosa si intende per efficienza energetica……….. 11
2.3 Consumi energetici nell’edilizia residenziale……… 12
2.4 Agevolazioni economiche ad oggi……… 15
2.5 Edifici in cui è preferibile intervenire……… 16
3. METODOLOGIE DI CALCOLO ADOTTATE……….. 17
3.1 Descrizione degli strumenti d'analisi………. 17
3.1.1 Meteonorm……….. 17
3.1.2 La simulazione energetica in regime dinamico e stazionario……… 21
3.1.3 Energy Plus……… 23
3.1.4 BESTenergy……… 25
3.1.5 Sketchup………. 25
4. CASO STUDIO - PROGETTO MIGLIORATIVO DI UNA PALAZZINA DEGLI ANNI '70………. 27
4.1 Localizzazione e clima……….. 27
4.2 Descrizione dell'edificio oggetto di studio..……….. 29
4.3 Descrizione del sistema di riscaldamento……….. 36
4.4 Metodologie di calcolo della prestazione energetica dell'edificio……… 37
4.5 Monitoraggio dei consumi……… 38
4.6 Calcolo dell'efficienza del sistema di riscaldamento……… 40
4.7 Determinazione del fabbisogno netto di energia termica per riscaldamento riferito al monitoraggio dell'edificio ……….. 42
5. COSTRUZIONE DEL MODELLO DI SIMULAZIONE E SUA TARATURA……… 43
5.1 Rappresentazione geometrica del modello virtuale………. 43
5.1.1 Le zone termiche………. 44
5.1.2 Gestione zone termiche………. 45
5.2 Assunzione delle proprietà termofisiche dell'edificio………. 46
5.2.1 la trasmittanza termica di elementi opachi……….. 46
5.2.2 il calcolo della trasmittanza termica……….. 46
5.2.3 Definizione dei componenti d’involucro……….. 46
5.2.4.1 La trasmittanza termica del vetro………. 59
5.2.4.2 La trasmittanza degli elementi trasparenti: serramenti doppi…. 59 5.2.4.3 Componenti trasparenti semplificati……….. 61
5.2.5 Definizione del comportamento dell'utenza……….. 62
5.2.5.1 Schedule……… 62
5.2.5.2 Livello di attività degli occupanti………. 63
5.2.5.3 Infiltrazioni……….. 63
5.2.5.4 Portata di ventilazione……… 64
5.2.5.5 Apparecchiature elettriche……….. 65
5.2.5.6 Condizioni interne……….. 65
5.3 Taratura del modello virtuale……… 66
6 SIMULAZIONE DELL'EDIFICIO VIRTUALE CON LE CONDIZIONI AMBIENTALI REALI……… 68
6.1 Costruzione della tabella da inserire in meteonorm - dati ARPAV………. 68
6.2 Generazione del file climatico tramite meteonorm………. 70
6.3 Simulazione del modello virtuale con energy plus……… 76
7. CONFIGURAZIONE DEI SCENARI D'INTERVENTO……..……….. 78
7.1 L’isolamento termico: “fonte di energia” e ambiente confortevole………. 78
7.2 Interventi migliorativi.……… 78
8. ANALISI DEI RISULTATI………. 80
8.1 Scenario 1, isolamento interno……… 81
8.2 Scenario 2, isolamento esterno……… 85
8.3 Scenario 3, sostituzione infissi………. 89
9. SOLUZIONE PROGETTUALE OTTIMALE………. 97
9.1 Comparazione dello stato di fatto e di progetto dei fabbisogni per riscaldamento e raffrescamento……….….. 98
9.2 Comparazione dello stato di fatto e di progetto delle temperature operanti degli appartamenti………... 102
10. VALUTAZIONE ECONOMICA, ANALISI COSTI-BENEFICI……… 109
10.1 Costi da sostenere………... 109
10.2 Tempi di ammortamento………... 111
11. CONCLUSIONI……… 113
Ringraziamenti
Vorrei ringraziare il professore Niccolò Aste per avermi concesso la possibilità di sviluppare questo progetto di tesi ed il professore Manlio Mazzon per le sue competenze in questo campo e per avermi seguito durante la stesura di questo lavoro.
Intendo poi ringraziare l'ARPAV, Azienda Regionale per la Prevenzione e Protezione Ambientale del Veneto, per avermi fornito i dati meteorologici necessari per simulare l'effettiva condizione ambientale.
Vorrei ringraziare i miei genitori, che non mi hanno mai lasciato solo e mi hanno sempre dato la libertà di prendere le decisioni autonomamente, sostenendo sempre ogni mia scelta. Sono stati la mia forza, la scogliera che mi ha protetto dalle mareggiate ed il faro che mi ha sempre indicato la giusta direzione anche quando le onde della vita mi portavano alla deriva.
Desidero ringraziare tutti i miei amici, i quali sono sempre stati presenti e continueranno ad esserlo.
Infine vorrei ringraziare anche me stesso, per averci creduto fino alla fine, anche quando tutto sembrava difficile, permettendomi di raggiungere un traguardo così importante.
1.
ABSTRACT
Gli edifici consumano circa il 40 % dell’energia e a loro viene attributo un terzo delle emissioni di CO₂1. Per questo l’Unione Europea ha individuato nell’edilizia il settore chiave per la crescita intelligente e sostenibile. Pertanto è opportuno progettare ad ex novo e riqualificare gli edifici esistenti mediante strumenti che siano in grado di valutare le prestazioni energetiche degli scenari di riqualificazione, avendo in questo modo un riscontro immediato del comportamento migliorativo che otterrà l'edificio una volta ultimati i lavori di costruzione o di sistemazione.
Nel presente studio è stato analizzato un edificio residenziale costituito da 6 appartamenti serviti da impianti autonomi, collocato a Castelnuovo del Garda, e costruito negli anni '70.
L'obiettivo primario consiste nella riduzione dei consumi, mediante risanamento globale dell'edificio limitatamente al risparmio energetico per il riscaldamento invernale.
Il contenimento dei consumi relativo all'edificio esistente, deve necessariamente prendere in considerazione la situazione di partenza, l'ambiente in cui si trova, per questo motivo è stato fatto un lavoro di recupero e di definizione dei dati climatici degli ultimi tre anni disponibili, grazie all'ARPAV, agenzia che realizza attività di prevenzione e controllo ambientale attraverso le strutture tecniche presenti nel territorio.
Mediante l'utilizzo di EnergyPlus, un modello di calcolo di simulazione dinamica, è stato realizzato un edificio virtuale che permettesse di rappresentare il comportamento il più possibile fedele all'edificio reale. Esso è stato opportunamente tarato sulla base di due appartamenti all'interno della palazzina, dei quali sono note le letture dei consumi relativi agli ultimi tre anni disponibili.
In seguito si è provveduto a sviluppare diversi scenari progettuali che consentissero un buon isolamento all'edificio, atto a consentire una riduzione sensibile del fabbisogno per riscaldamento nel periodo invernale e per raffrescamento nel periodo estivo.
Si è operato quindi ad effettuare varie simulazioni, dall'isolamento interno a quello esterno e sostituendo gli infissi con vetri di diverse tipologie, passando dai selettivi, basso-emissivi, doppi e tripli vetri. Lo studio dei vari isolamenti ed infissi, integrati ad un edificio esistente, ha portato alla definizione di risultati significativamente soddisfacenti, tanto che apportando queste modifiche al modello virtuale, si può riscontrare un miglioramento energetico considerevole rispetto alla situazione reale.
Per finire, una valutazione economica, consente di quantificare in che proporzione un lavoro di recupero di questo tipo può essere giustificato, approfondendo i costi da sostenere e i tempi di ritorno della spesa affrontata.
L'efficienza energetica nell'edilizia sta diventando un requisito necessario ed è un elemento di valutazione che sta assumendo un peso sempre maggiore nel mercato edile.
2.
INTRODUZIONE E SCOPO DELLO STUDIO
"É sempre più evidente come sia necessaria una strategia globale, anche a livello legislativo, al fine di limitare gli effetti del cambiamento del clima per la salvaguardia del pianeta.
Gli edifici sono responsabili del 40% del consumo globale di energia nell’Unione Europea. Il settore delle costruzioni è in espansione e ciò è destinato ad aumentarne il consumo energetico. Pertanto la riduzione del consumo energetico e l’utilizzo di energia da fonti rinnovabili nel settore dell’edilizia costituiscono misure importanti necessarie per ridurre la dipendenza energetica dell’Unione e le
emissioni di gas a effetto serra" 2.
L'architettura sostenibile, è resa possibile dal legame che esiste con le tecnologie costruttive e si esprime attraverso un approccio consapevole nei confronti delle costruzioni e delle ripercussioni di queste sul mondo circostante.
Nella progettazione di un edificio é necessario considerare tutti gli aspetti che entrano a far parte del suo ciclo di vita, quali il riscaldamento, il raffrescamento, l’illuminazione naturale ed artificiale.
La soluzione ottimale consiste nel permettere il massimo livello di illuminazione all'interno del manufatto, senza andare ad aumentare i guadagni solari durante il periodo estivo, ed allo stesso tempo garantendo un adeguato ammontare di guadagni solari nel periodo invernale riducendo in questo modo i fabbisogni per riscaldamento.
Una progettazione efficiente pertanto deve considerare tutti gli aspetti contemporaneamente, valutando tutte le interazioni tra le diverse fonti di consumo energetico.
Il rapporto con la costruzione deve essere sostenibile sin dalle prime fasi, a partire da una progettazione che riesca a rappresentare una simulazione dinamica del comportamento dell'edificio, valutando in questo modo la condotta reale che può avere una volta ultimati i lavori di costruzione, evitando sgradite sorprese, e che permetta di realizzarlo attraverso materiali e componenti con elevate prestazioni energetiche.
Altro elemento di fondamentale importanza sta nell'utilizzare materiali che possano essere facilmente riciclabili o riutilizzabili una volta arrivata la fine del ciclo di vita dell'edificio.
Con questo si vuole porre una particolare attenzione a tutte le risorse del nostro pianeta e alle questioni relative alla salute, facendo in modo che vi sia il minor impatto possibile sull'ambiente e di conseguenza sui singoli abitanti.
Le possibilità di migliorare le prestazioni energetiche degli edifici esistenti, sono molteplici, ed anche questa categoria appartiene alla cultura del costruire sostenibile, utilizzando le risorse edilizie già presenti sul territorio.
Conoscere preventivamente il manufatto permette di studiarlo e di avere a disposizione dei dati che possono essere utilizzati per un eventuale progetto di recupero e di miglioramento energetico.
Per finire, una valutazione economica, consente di quantificare in che proporzione un lavoro di recupero di questo tipo può essere giustificato, approfondendo i costi da sostenere e i tempi di ritorno della spesa affrontata.
2
Direttiva 2010/31/UE del Parlamento Europeo e del Consiglio del 19 maggio 2010 sulla prestazione energetica nell’edilizia.
Lo scopo dello studio è la valutazione sotto il profilo energetico ed economico di alcuni scenari d'intervento su un edificio residenziale costruito negli anni '70.
La palazzina in questione è collocata a Castelnuovo del Garda, si tratta di un edificio di tre piani fuori terra in cui trovano luogo 6 unità abitative, più uno semi-interrato, adibito alle cantine e garage.
Per determinare quali siano le operazioni più convenienti che consentano un miglioramento energetico della palazzina, si è operato ad utilizzare strumenti atti ad effettuare una simulazione in regime dinamico.
Per poter calibrare opportunamente l'edificio, sono state raccolte le bollette del gas, degli ultimi tre anni disponibili, dei due appartamenti posti al piano superiore. In seguito, grazie all'ARPAV, agenzia che realizza attività di prevenzione e controllo ambientale, sono stati raccolti anche i dati orari ambientali dei medesimi anni, in particolare riguardanti la temperatura dell'aria esterna e la radiazione solare globale. Per mezzo di questi dati, sono stati sviluppati con l'utilizzo di Meteonorm, un programma meteorologico, dei file climatici attendibili riguardo le condizioni atmosferiche degli anni presi in considerazione.
Il modello virtuale della palazzina è stato realizzato mediante sketchup, il quale, integrato ad EnergyPlus, un programma di simulazione dinamica, ha permesso di calibrare il modello secondo l'effettivo comportamento dell'edificio reale.
Dopo la taratura si è valutato il comportamento dell'edifico mediante un file climatico relativo all'anno tipo, investigando i fabbisogni per riscaldamento e raffrescamento. I dati risultanti sono stati successivamente confrontati con quelli ottenuti dalle simulazioni ottenute applicando materiali migliorativi al modello virtuale.
Conclusa la parte di taratura del modello, sono stati ipotizzati tre scenari d'intervento atti ad ottimizzare le prestazioni energetiche. Gli scenari riguardano il posizionamento di pannelli isolanti all'interno dei muri perimetrali, all'esterno, e la sostituzione di tutti gli infissi con elementi più performanti rispetto la situazione attuale.
Le simulazioni dei diversi scenari, hanno permesso di acquisire dati necessari per stabilire quali fossero i materiali più opportuni da utilizzare per il miglioramento delle prestazioni energetiche.
Il modello migliorativo risultante, è stato confrontato con il modello della situazione attuale, ottenendo dei dati che permettessero di mettere in evidenza il miglioramento dei fabbisogni per riscaldamento e per raffrescamento.
Per concludere è stata valutata la fattibilità economica degli interventi da sostenere, determinando i costi di realizzazione, il tempo di ammortamento delle spese affrontate ed i conseguenti risparmi ottenibili sulle bollette delle utenze
2.1 IL REGOLAMENTO ENERGETICO NELL'EDILIZIA
La prima effettiva crisi energetica si ebbe nel 1973, causata principalmente dall'improvvisa interruzione del flusso dell'approvvigionamento di petrolio proveniente dalle nazioni appartenenti all'OPEC (Organization of the Petroleum Exporting Countries) verso le nazioni importatrici.
L'innalzamento fino a più del triplo del prezzo del petrolio portò i governi dei Paesi dell'Europa Occidentale, a presentare provvedimenti per diminuirne il consumo. In Italia il governo, presieduto da Mariano Rumor, varò un piano nazionale di “austerity economica” per il risparmio energetico che prevedeva cambiamenti immediati.
La crisi energetica cambiò indiscutibilmente la mentalità della popolazione e si diffuse consapevolezza dell'instabilità del sistema produttivo e si rivalutò l'importanza del petrolio, che non fu più visto come l'unica fonte di energia possibile. In seguito alla crisi energetica del 1973 si introdussero nel vocabolario comune nuove parole come 'ecologia' e 'risparmio energetico', emblemi di un cambiamento della mentalità europea.
Successivamente, in seguito alla rivoluzione Iraniana del 1979, vi fu una seconda crisi energetica, che causò un brusco aumento del prezzo del petrolio.
Si cominciò quindi ad indicare la preoccupante espansione edilizia, progettata senza prendere in considerazione il contesto e propensa a garantire il comfort interno solo attraverso il grande dispendio di energia dovuto dal sistema impiantistico.
Molti stati cominciarono perciò a stabilire valori limite nelle prestazioni energetiche degli edifici per contrastare il consumo di risorse, ma anche per arginare fenomeni quali I'inquinamento e I'effetto serra.
La prima legge energetica in Italia fu la "30 marzo 1976, n. 373 - Norme per il contenimento del consumo energetico per usi termici negli edifici" la quale venne essenzialmente ignorata; La successiva, la legge "9 gennaio 1991, n. 10 - Norme per l'attuazione del piano energetico nazionale in materia di uso razionale dell'energia, di risparmio energetico e di sviluppo delle fonti rinnovabili di energia", introdusse concetti validi mettendo in relazione nozioni e problematiche differenti, predisponendo misure di pianificazione strategica ed economica e, infine, proponendo la necessità di figure professionali (Energy Manager) per l'organizzazione degli aspetti energetici nei settori con più dispendio di energia.
Con il D.P.R. del 26 agosto 1993, n. 412, si introdussero norme per la progettazione, l'installazione, l'esercizio e la manutenzione degli impianti termici degli edifici ai fini del contenimento dei consumi di energia, in attuazione dell'art. 4, comma 4, della L. 9 gennaio 1991, n. 10.
La successiva integrazione avvenne con il D.P.R. 21 dicembre 1999 n. 551 recante modifiche al decreto del Presidente della Repubblica 26 agosto 1993, n. 412, in materia di progettazione, installazione, esercizio e manutenzione degli impianti termici degli edifici, ai fini del contenimento dei consumi di energia.
Le più recenti modifiche ed integrazioni vennero emanate con il D.M. 27 luglio 2005 "Norme per l'attuazione del piano energetico nazionale in materia di uso razionale dell'energia, di risparmio energetico e di sviluppo delle fonti rinnovabili di energia a pochi giorni dall'uscita dell'ultima legge energetica, tuttora vigente".
In attuazione della Direttiva 2002/91/CE del Parlamento europeo e del Consiglio, del 16 dicembre 2002, sul rendimento energetico nell'edilizia, venne promulgato il 19 agosto 2005 il D.Lgs n. 192, nuovamente modificato, dal D.Lgs. 29 dicembre 2006, n. 311 "Disposizioni correttive ed integrative al
decreto legislativo 19 agosto 2005, n. 192, recante attuazione della direttiva 2002/91/CE, relativa al rendimento energetico nell'edilizia"
Il nuovo decreto disciplinava una serie di principi e procedure basilari:
A. Metodologia per il calcolo delle prestazioni energetiche integrate degli edifici e applicazione di requisiti minimi in particolare, il calcolo delle prestazioni energetiche doveva tener conto di un complesso di fattori;
A.1. clima esterno ed interno,
A.2. caratteristiche termiche dell'edificio;
A.3. impianto di riscaldamento e di produzione di acqua calda sanitaria; A.4. impianto d'illuminazione;
A.5. impianto di condizionamento dell'aria e di ventilazione; A.6. posizione ed orientamento dell'edificio;
A.7. sistemi solari passivi e loro protezione; A.8. ventilazione naturale;
A.9. utilizzo di fonti energetiche rinnovabili
B. Criteri generali per la certificazione energetica degli edifici. Si riproponeva il concetto di certificazione energetica degli edifici, già accolto nella legge 10/91, per i casi di:
B.1. ristrutturazione integrale degli elementi edilizi componenti l'involucro di edifici esistenti di superficie utile superiore a 1000 m2;
B.2. demolizione e ricostruzione in manutenzione straordinaria di edifici esistenti di superficie utile superiore a 1000 m2;
B.3. ampliamento di un edificio, laddove lo stesso ampliamento fosse volumetricamente superiore al 20% dell'intero edificio esistente.
C. Ispezioni periodiche degli impianti di climatizzazione sia invernale che estiva.
D. Criteri per garantire la qualificazione e I'indipendenza degli esperti incaricati della certificazione energetica e delle ispezioni degli impianti.
E. Raccolta delle informazioni e delle esperienze, delle elaborazioni e degli studi necessari all'orientamento della politica energetica del settore.
F. Promozione dell'uso razionale dell'energia attraverso la sensibilizzazione degli utenti finali la formazione e l'aggiornamento degli operatori.
In seguito al D.Lgs. 192/2005, sono entrate in vigore in giugno 2009 le norme attuative di questo decreto con il D.P.R. n. 59 il quale confermava i criteri generali per la prestazione energetica degli edifici implementando i requisiti minimi degli impianti termici di climatizzazione estiva e, limitatamente al terziario di illuminazione artificiale.
Per contenere il fabbisogno energetico per la climatizzazione estiva e per mantenere la temperatura interna degli ambienti, il decreto imponeva i progettisti a:
- sfruttare al meglio le condizioni ambientali esterne e le caratteristiche distributive degli spazi per favorire la ventilazione naturale dell'edificio;
- valutare I'opportunità e I'efficacia di sistemi schermanti delle superfici vetrate, onde ridurre I'apporto solare per irraggiamento;
- effettuare verifiche sulle prestazioni delle pareti verticali opache irraggiate;
Nel 2007, un decreto ministeriale ha aggiunto rilevanti novità riguardo le detrazioni fiscali. Per tutte le spese documentate inerenti la riqualificazione dell’energia di un edificio, è possibile ricevere una detrazione del 55%, le quali hanno dimostrato I'incisività di misure premianti nel facilitare e supportare il cambiamento.
Con il Decreto Ministeriale del 26 giugno 2009 "Ministero dello Sviluppo Economico Linee guida nazionali per la certificazione energetica degli edifici per una applicazione omogenea, coordinata ed immediatamente operativa della certificazione energetica degli edifici su tutto il territorio nazionale" si definivano:
a) le Linee guida nazionali per la certificazione energetica degli edifici;
b) gli strumenti di raccordo, concertazione e cooperazione tra lo Stato e le Regioni.
Fornendo, a livello generalizzato, le regole, i criteri e altre indicazioni utili per produrre atti certificatori affidabili ed adeguati tutelando gli interessi degli utenti.
Più recentemente con la Direttiva 2010/31/UE (che abroga la direttiva 2002/91/CE) del parlamento europeo e del consiglio si è volto a promuovere la prestazione energetica degli edifici, delle loro parti e delle unità immobiliari. Gli Stati membri adottano, a livello nazionale o regionale, una metodologia di calcolo della prestazione energetica degli edifici che tiene conto di determinati aspetti, tra cui:
- le caratteristiche termiche dell'edificio; - le condizioni climatiche interne;
- l'impianto di riscaldamento e di produzione di acqua calda sanitaria; - gli impianti di condizionamento d’aria;
- l'impianto d'illuminazione.
Stabilisce inoltre che entro il 31 dicembre 2020 tutti gli edifici di nuova costruzione dovranno essere a energia quasi zero. Per quanto concerne gli edifici di nuova costruzione occupati da enti pubblici e di proprietà di questi ultimi dovranno rispettare gli stessi criteri a partire dal 31 dicembre 2018.
In Italia, la legge 3 agosto 2013, n. 90 è intervenuta nel settore della riqualificazione ed efficienza energetica del patrimonio immobiliare italiano, pubblico e privato, allo scopo di chiudere alcune procedure d'infrazione avviate dall'Unione Europea nei confronti dell’Italia. Inoltre si sono introdotti con l'Art. 4-bis, gli "Edifici ad energia quasi zero":
1. A partire dal 31 dicembre 2018, gli edifici di nuova costruzione occupati da pubbliche amministrazioni e di proprietà di queste ultime, ivi compresi gli edifici scolastici, devono essere edifici a energia quasi zero. Dal 1° gennaio 2021 la predetta disposizione è estesa a tutti gli edifici di nuova costruzione.
2. Entro il 30 giugno 2014, è definito il Piano d'azione destinato ad aumentare il numero di edifici a energia quasi zero.
3. Il Piano d'azione di cui al comma 2 comprende, tra l'altro, i seguenti elementi:
a) l'applicazione della definizione di edifici a energia quasi zero alle diverse tipologie di edifici e indicatori numerici del consumo di energia primaria, espresso in kWh/m² anno;
b) le politiche e le misure finanziarie o di altro tipo previste per promuovere gli edifici a energia quasi zero, comprese le informazioni relative alle misure nazionali previste per l'integrazione delle fonti rinnovabili negli edifici, in attuazione della direttiva 2009/28/CE, tenendo conto dell'esigenza prioritaria di contenere il consumo del territorio;
c) l'individuazione, sulla base dell'analisi costi-benefici sul costo di vita economico di casi specifici per i quali non si applica quanto disposto al comma 1. d) gli obiettivi intermedi di miglioramento della prestazione energetica degli edifici di nuova costruzione entro il 2015, in funzione dell'attuazione del comma 1.
Inoltre l'obiettivo del governo è di rendere stabili gli ecobonus ''almeno fino al 2020'', in vista della data dell' 1 gennaio 2021 quando tutti gli edifici di nuova costruzione dovranno essere edifici ad energia ''quasi zero''.
Secondo i dati Enea nel solo 2013 sono state inoltrate oltre 350 mila pratiche, il 35% in più rispetto al 2012. Altrettanto positivi i risultati in termini di investimenti che raggiungono quasi i 3,5 miliardi di euro, evidenziando un aumento di circa il 20%. Da queste prime anticipazioni sembra chiara l'efficacia dell'innalzamento dell'aliquota incentivante dal 55% al 65%; e ciò risulta ancora più significativo in un contesto di crisi economica del settore dell'edilizia. Senza contare il risparmio energetico, misurato in circa 1.550 GWh/anno e una conseguente riduzione di CO2 emessa stimabile in 338 kt/anno.3
Per quanto enunciato fin'ora, emerge chiaramente un percorso normativo discontinuo e incompleto, non idoneo ad individuare adeguati miglioramenti energetici nel tessuto edilizio, favorito probabilmente anche dal clima temperato, che ha limitato l'urgenza, ma anche da utenti non sufficientemente informati sull'argomento, per cui non consapevoli degli sperperi che un edificio energivoro può causare nell'intero arco di vita del manufatto.
Considerando il patrimonio edilizio esistente, si riscontra inoltre un insoluto rapporto con l'efficienza energetica, in quanto le norme impongono al proprietario, intenzionato a fare importanti ristrutturazioni, di conformarsi al limiti prefissati, ma non di eseguirle e in aggiunta molte volte ci si trova nell'impossibilità di raggiungere determinate prestazioni causate da impedimenti fisici o di altro genere.
2.2 COSA SI INTENDE PER EFFICIENZA ENERGETICA
L’efficienza misura il rapporto tra la quantità di energia necessaria all'edificio e la quantità di energia fornita al sistema tecnologico/impiantistico. L’intervento di miglioramento energetico, si avvale della diagnosi energetica dell'edificio e del contesto e consiste nel migliorare i rendimenti del sistema impiantistico, in particolare dei sistemi per la generazione di energia, la distribuzione e i terminali impiantistici. In ultimo, una volta ridotto il fabbisogno energetico e utilizzate le migliori tecnologie, si
può scegliere di integrare o sostituire il sistema impiantistico con soluzioni da fonti energetiche rinnovabili o assimilate.
La semplice applicazione di fonti energetiche rinnovabili su un edificio non costituisce un progetto energetico e non consegue gli obiettivi di sostenibilità che I'intervento si prefigge.
Il progetto energetico riunisce e coordina diversi aspetti:
- la progettazione architettonica, la conoscenza delle caratteristiche climatiche del luogo e delle tipologie edilizie, del contesto urbano, delle caratteristiche costruttive dell'edificio e I'inquadramento nel contesto urbano;
- la progettazione del sistema tecnologico e costruttivo: dettagli costruttivi, sistemi a secco e ad umido, interventi di ristrutturazione, nonché il quadro legislativo in cui operare e I'uso di sistemi passivi;
- la progettazione termotecnica degli impianti di climatizzazione da fonti energetiche rinnovabili o assimilate, e dei sistemi di gestione e controllo.
2.3 CONSUMI ENERGETICI NELL’EDILIZIA RESIDENZIALE
L'unione Europea, in seguito a diversi studi, ha dimostrato che l'efficienza energetica dei nostri edifici è molto bassa, considerando che, rispetto all'energia consumata totale, quasi il 40% viene proprio dalle costruzioni in cui abitiamo.
Il settore usi civili assorbe il 39,1% dell’energia destinata agli impieghi finali, in crescita annualmente. Il secondo settore per importanza è il settore trasporti con una quota del 29,9%, seguito dal settore industria, la cui quota del 22,3%.
L’energia finale rimanente è utilizzata dal settore agricoltura (2,2%), nei bunkeraggi (scorte di carburante per il trasporto marittimo internazionale: 1,9%) e negli usi non energetici (4,7%), in particolare nel petrolchimico4 (Fig.2.1).
- Fig.2.1, Impieghi di energia per ogni settore in % -
In Italia sono esistenti circa 13 milioni di edifici,5 (di cui circa 32 milioni di unità abitative) di questi circa 11 milioni sono anteriori alla legge 373/73 il restante è stato costruito con criteri di efficienza energetica, di queste, solo il 5-7% è stata costruita in classe energetica almeno C. Il problema energetico rimane, almeno nel nostro paese, comprensibilmente legato all'edilizia antecedente a questa legge, e quindi agli anni '70.
In Italia, un edificio costruito prima della legge 373/76 consumava, per il riscaldamento, oltre 180 kWh/m²anno, con l'introduzione della legge 10/91 si è passati a circa 140 kWh/m²anno, e poi attualmente con il D.Lgs. 311/2006 si è arrivati attorno ai 70 kWh/m²anno. In germania una passivhouse consuma meno di 15 kWh/m²anno (Fig.2.2)
- Fig.2.2, Andamento storico del consumo energetico di un edificio in Italia -
L’energia consumata nell’edilizia residenziale per riscaldare gli ambienti e per l’acqua calda sanitaria rappresenta circa il 40% dei consumi energetici nazionali, e rappresenta circa il 25% delle emissioni totali nazionali di anidride carbonica, una delle cause principali dell’effetto serra e del conseguente innalzamento della temperatura del globo terrestre.
Nel secondo rapporto sui condomìni del 2006 era emerso il notevole impatto economico del riscaldamento sulla vita dei condomìni. I risultati del sondaggio su quasi 200 amministratori e l’analisi dei bilanci di oltre 50 condomini indicavano che le spese sostenute per il riscaldamento degli stabili risultavano essere la prima voce di spesa con un’incidenza del 26,8% sul totale delle spese pari a circa 4,0 miliardi di euro.6 (Fig.2.3)
5 Fonte libro Bianco ENEA: "Energia, Edificio, Ambiente"
Voci di spesa % costi energetici 26.8 manutenzioni ordinarie 12.9 servizi 10.4 ristrutturazione 8.3 manutenzione ascensore 7.8 polizze assicurative 7.4 acqua 7.3 portiere/giardiniere 7.2 altro 6.1 imposte/tasse 3.1 consulenze 2.6 totale 100
Fig.2.3, Tabella e grafico di riassunto delle spese di gestione dei condomìni
-Avviare interventi di risparmio energetico porta a:
- Ridurre le spese di riscaldamento durante il periodo invernale e condizionamento nel periodo estivo,
- Ottimizzare il livello di comfort all'interno dell'appartamento, e di conseguenza il benessere di chi vi abita,
- Ridurre sensibilmente i consumi di combustibile da fonti fossili e non rinnovabili, - Contribuire alla riduzione dell’inquinamento dell’intero pianeta,
- Investire in modo produttivo ed intelligente i risparmi.
Intervenendo con azioni mirate, le nostre spese di riscaldamento e condizionamento diminuiranno sensibilmente. Una buona parte dell'energia utilizzata in una stagione per riscaldare a 20°C e condizionare a 26 ° C un edificio, viene dispersa una parte dall'impianto e una parte dalle strutture (tetto, muri, finestre). Sul consumo totale di combustibile consumato per riscaldare un edificio, si può risparmiare anche dal 20% al 50% fin dal 1° anno, con benefici notevoli sulla bolletta energetica.
Per fare ciò dobbiamo:
- ridurre le dispersioni di calore in inverno isolando opportunamente le pareti perimetrali della casa, i solai e la copertura verso gli ambienti non riscaldati o esterni
- sostituire gli infissi con elementi a bassa trasmittanza termica
- sfruttare al meglio l’energia utilizzata, regolando bene l’impianto di riscaldamento e condizionamento, e in casi estremi sostituendolo.
Tutto questo significa spendere del denaro; ma questo investimento, a sua volta, porta ad un risparmio immediato sulle nostre bollette.
2.4 AGEVOLAZIONI ECONOMICHE AD OGGI
La legge di stabilità, entrata in vigore il 1° gennaio 2015, ha stabilito che le spese legate al settore dell'edilizia e del risparmio energetico ora vengano rese detraibili seguendo questo schema:
- detrazione Irpef del 50% per il recupero edilizio delle parti comuni condominiali, nel limite massimo di 96mila euro per unità immobiliare, per le spese sostenute dal 1° gennaio 2015 al 31 dicembre 2015; dal 1° gennaio 2016, l'agevolazione continuerà a operare nella misura ordinaria del 36%. (articolo 16-bis del Dpr 917/1986);
- proroga, per le spese sostenute dal 1° gennaio al 31 dicembre 2015, della detrazione Irpef del 50% per l'acquisto di mobili ed elettrodomestici - compresi i grandi elettrodomestici dotati di etichetta energetica, di classe non inferiore alla A+ (A per i forni) - destinati alle abitazioni ristrutturate (la portineria o altre parti comuni abitative), fino a un massimo di 10mila euro e indipendentemente dalle spese per opere di recupero o risparmio energetico.
- proroga della detrazione Irpef/Ires del 65% per la riqualificazione energetica degli edifici esistenti, per le spese sostenute dal 1° gennaio al 31 dicembre 2015, su parti
comuni condominiali ( o su tutte le unità che compongono il condominio). Inoltre, l'ambito applicativo del bonus viene esteso, per le spese sostenute dal 1° gennaio 2015 al 31 dicembre 2015, a ulteriori tipologie di interventi agevolabili, quali: l'acquisto e la posa in opera di schermature solari, nel limite di detrazione di 60mila euro; l'acquisto e la posa in opera di impianti di climatizzazione invernale dotati di generatori di calore alimentati da biomasse combustibili, nel limite di detrazione pari a 30mila euro.
- proroga, dal 1° gennaio al 31 dicembre 2015, del “bonus antisismica”, ossia della detrazione del 65% nel limite massimo di spesa di 96mila euro, per interventi di messa in sicurezza statica delle “abitazioni principali” e degli immobili a destinazione produttiva, situati nelle zone sismiche ad alta pericolosità.
Infine, per le spese sostenute dal 1° gennaio 2015, agevolabili con le detrazioni per il recupero edilizio e la riqualificazione energetica, è previsto, sempre dal 1 gennaio 2015, l'aumento, dal 4% all' 8%, della ritenuta operata dalle banche al momento dell'accredito dei bonifici di pagamento delle spese agevolate, a titolo di acconto delle imposte sul reddito dovute dall'impresa esecutrice. Sparisce, quindi, la possibilità di ottenere la detrazione per il risparmio energetico, anche se ridotta al 50%, per il periodo dal 1° gennaio al 30 giugno 2016 (l'ampliamento era previsto dal Dl 63/2013). Per questo, ci sono sei mesi di tempo in meno per programmare ed eseguire questi interventi con detrazione al 50% ma ci sono sei mesi in più per poter fare spese detraibili al 65 %. 7
2.5 EDIFICI IN CUI È PREFERIBILE INTERVENIRE
Esistono varie tipologie di edificio in cui è più opportuno intervenire tempestivamente rispetto ad altre:
- Edificio realizzato prima del 1991
Prima di questa data non esisteva una normativa sul contenimento dei consumi energetici. Per cui è proprio su questi edifici che conviene intervenire per ridurre le dispersioni di calore verso l’esterno, cercando di sfruttare al massimo anche le agevolazioni fiscali previste.
- Edificio realizzato dopo il 1991 e prima del 2006
L’edificio è stato costruito rispettando la normativa sul contenimento dei consumi energetici allora in vigore (Legge n. 10/91 e suoi decreti attuativi). Anche questi edifici hanno notevoli carenze ed è necessario intervenire. Si otterrà una sostanziale riduzione dei consumi energetici.
- Edificio realizzato dopo il 2006
L’edificio deve rispettare la normativa sul contenimento dei consumi energetici (Decreto Legislativo 29 dicembre 2006). Tali norme impongono limiti alle dispersioni di calore in inverno, limiti ai consumi energetici degli impianti, requisiti di inerzia termica delle pareti e solai di copertura per evitare fenomeni di surriscaldamento estivo degli ambienti.
Da non dimenticare poi che un appartamento con minori consumi energetici avrà necessariamente un valore di mercato maggiore. Risulta chiaro da tali indicazioni come la riqualificazione energetica di un edificio, anche solo risalendo la scala delle classi energetiche di una posizione, sia comunque più conveniente che non intervenire affatto.
Una ulteriore indicazione a supporto di tale tesi sono le percentuali di risparmio fornite dall'Enea e riguardanti gli interventi più usuali e semplici ai fini della riqualificazione stessa: la sostituzione degli infissi può tagliare i consumi del 10%, a cui si può aggiungere un risparmio del 24% applicando un sistema a cappotto sulla facciata, oppure del 12% isolando la copertura: l'intervento rivaluta l'immobile più delle spese sostenute. E i risparmi possono anche superare il 50% se l'intervento globale (involucro e impianti) è capace di incidere anche sulla climatizzazione estiva.8
3.
METODOLOGIE DI CALCOLO ADOTTATE
3.1 DESCRIZIONE DEGLI STRUMENTI D'ANALISI
Per lo sviluppo di questa tesi sono stati accoppiati tre software:
- Meteonorm 6.0, per realizzare file climatici partendo da dati misurati; - EnergyPlus 7.1, per la simulazione energetica dinamica degli edifici;
- BESTEenergy, plugin per SketchUp che utilizza il motore di calcolo EnergyPlus 7.1; - Sketchup, per la modellazione dell'edificio.
3.1.1 METEONORM
Meteonorm è un database di informazioni meteorologiche, che prevede dati sempre aggiornati e procedure di calcolo, per ogni località del mondo, indispensabile per tutti i software di calcolo relativi alla stima di produttività di impianti solari termici e fotovoltaici e, più in generale alla valutazione delle prestazioni energetiche degli edifici in regime dinamico.
Si avvale di una esperienza di oltre 25 anni nello sviluppo di banche dati per applicazioni energetiche. In esso sono presenti i dati climatici di più di 8'300 stazioni di rilevamento, e grazie all'uso di satelliti, si ricavano le informazioni delle località con bassa densità di stazioni meteorologiche.
A partire dai valori mensili (dati di stazioni meteo, dati interpolati o dati importati), Meteonorm elabora i valori orari (8600 valori annui) per tutti i parametri, mediante un modello di calcolo stocastico. La risultante serie temporale di valori corrisponde all’anno standard, utilizzato dai vari programmi di valutazione energetica.
Inoltre vengono calcolati i seguenti ulteriori parametri:
- Azimut ed elevazione solare
- Radiazione globale, diffusa e diretta (perpendicolare), e radiazione su piani inclinati (indispensabile per valutare la resa dei pannelli solari), anche minuto per minuto - Radiazione ad onde lunghe
- Luminanza
- Alba e tramonto di ogni giorno
- Componente della radiazione che influisce sulla pelle umana (eritemica),raggi UVA/UVB - precipitazione, pioggia battente (driving rain)
- parametri relativi all’umidità (temperatura a bulbo umido, ed umidità relativa)
Le località possono essere selezionate usando un’interfaccia grafica. Le mappe possono essere zoomate e filtrate.
- Fig.3.1, Interfaccia grafica di Meteonorm -
La località da prendere in esame può essere scelta ricercando fisicamente il luogo sulla mappa, o può essere caricata definendo altitudine, longitudine e latitudine (Fig.3.1). Per quanto concerne la scelta del luogo si può andare a definire se utilizzare i dati presenti direttamente in meteonorm, oppure andare a selezionare la casella utente (mese od ora in base ai dati che abbiamo a disposizione). Successivamente si andrà allo step successivo.
Importazione dei dati.
Meteonorm offre un collegamento dinamico ad Internet per l’aggiornamento corrente ai dati mensili relativi a temperatura ed irradianza solare. I dati correnti vengono importati da internet e visualizzati. L’utente può anche importare propri dati (orari o mensili) della temperatura ed irradianza solare tramite apposita funzione. Successivamente, si possono utilizzare i modelli e le procedure di Meteonorm per generare serie cronologiche.
Nella schermata seguente si andrà a definire che tipo di valori importare, se mensili oppure orari. Altrimenti si possono sempre utilizzare i valori presenti in meteonorm cliccando sul tasto "valori standard".
- Fig.3.2, Interfaccia grafica di importazione dei valori orari -
Per realizzare il file con i dati orari da importare, bisogna seguire lo schema "mese, giorno, ora, G_Gh" il tutto separato da una tabulazione, ed esportato nel formato .dat.
Nel caso si volessero definire anche altri valori, si vanno a selezionare i parametri supplementari che abbiamo a disposizione (Fig.3.2):
Dh: Radiazione diffusa orizzontale Bn: Direzione normale della radiazione Td: Temperatura del punto di rugiada Ta: Temperatura dell'aria
Calcolo dei valori orari.
Dai valori mensili del software (forniti dalla stazione meteorologica, dati interpolati o importati), Meteonorm è in grado di calcolare valori orari di tutti i parametri usando un modello stocastico (probabilistico). La serie temporale risultante corrisponde agli “anni tipici” utilizzati per la progettazione dell’impianto.
In più, si possono ricavare i seguenti parametri:
- elevazione solare e azimut
- radiazione globale, diffusa e del fascio (per piani orizzontali ed inclinati) - radiazione dell’onda lunga
- luminosità
- spettro dei raggi UVA e UVB - precipitazioni
- parametri relativi all’umidità (punto di condensa, umidità relativa, rapporto di miscelazione, temperatura psicrometrica)
Esportazione dei dati.
Sono disponibili ben 28 differenti formati di esportazione dati compatibili con la maggior parte dei software di simulazione per l’energia solare e di progettazione, inclusi i formati per TSOL/PVSOL, disponibili sia per il calcolo del valore orario, che mensile (Fig.3.3).
- Fig.3.3, Sintassi dei principali formati di file climatici generabili mediante Meteonorm -
Il risultato dell'elaborazione sarà una tabella con i dati definiti, e dei grafici che esprimono la radiazione, la temperatura, le precipitazioni, il soleggiamento, le medie giornaliere di radiazione globale e le medie giornaliere di temperatura (media, minima e massima).
3.1.2 LA SIMULAZIONE ENERGETICA IN REGIME DINAMICO E STAZIONARIO
Durante la progettazione, verificare le prestazioni energetiche è una fase fondamentale indipendentemente che si tratti di nuove costruzioni, o di rivalorizzazione di edifici esistenti. La fase di verifica rappresenta il momento cruciale di controllo del perseguimento degli obiettivi di ecosostenibilità dell’intervento, il quale poi avrà degli effetti positivi a livello ambientale ed economico. Il metodo progettuale si può riassumere sostanzialmente in 3 punti:
- analisi del sito, raccolta delle informazioni climatiche e delle informazione dell'eventuale edificio esistente
- definizione degli obiettivi progettuali - individuazione e verifica delle soluzioni
La fase progettuale vera e propria rappresenta la messa a sistema di tutti gli aspetti ambientali, sociali, ed economici, che riguardano l’intervento edilizio, interessando gli specialisti di diversi ambiti disciplinari.
Le scelte progettuali dovranno essere ripetutamente verificate, modificandone i parametri alle diverse scale, e comunque considerando l'intero ciclo di vita del complesso edilizio, in relazione agli obiettivi generali e a quelli specifici del progetto ecosostenibile.
Dopo aver definito le diverse ipotesi progettuali, e dopo averle verificate, si arriverà a sviluppare il progetto definitivo, che racchiuderà tutti i fattori coinvolti.
Controllare le prestazioni energetiche risulta perciò fondamentale, in quanto consente di ottimizzare le scelte progettuali, prevedendo i benefici ed evitando alcune problematiche che si porterebbero avanti durante tutta la vita dell'edificio.
Per analizzare dinamicamente le prestazioni energetiche di un edificio, si ricorre alle simulazioni energetiche, le quali permettono di prendere coscienza delle relazioni che intercorrono fra i parametri progettuali inerenti l'edificio, l'impianto ed il fabbisogno energetico.
Una modifica progettuale può essere simulata ed osservata in un tempo molto breve, in questo modo è possibile verificare varie situazioni, avendo dati alla mano, con un costo molto ridotto rispetto agli interventi da dover effettuare per migliorare un edificio già costruito.
Si otterranno delle informazioni dettagliate sul comportamento dell'edificio, sulle condizioni ambientali interne e sulle prestazioni degli impianti, in questo modo si avrà la possibilità di prendere le decisioni più opportune.
Grazie alle simulazioni energetiche degli edifici, si possono calcolare le energie e le potenze in del riscaldamento invernale e dell'impianto di raffrescamento durante il periodo estivo.
Il calcolo delle potenze serve per dimensionare opportunamente l'impianto, per definirne la tipologia e per valutarne la potenza necessaria a soddisfare la funzione di benessere.
Con calcolo dell’energia viene valutato il fabbisogno energetico dell'edificio, quindi stimare i costi energetici di utilizzo in relazione ai carichi richiesti.
Per questi motivi si può affermare che le simulazioni energetiche devono essere realizzate affiancando la fase progettuale, in quanto consentono di:
- Determinare diverse scelte progettuali, ottimizzandone una e potendone valutare l’impatto specifico di ogni singolo parametro, componente o sistema, ed avere un quadro completo sulle prestazioni complessive.
- E' possibile successivamente confrontare il progetto finale con gli obiettivi iniziali controllando così il rispetto dei limiti normativi,
- Assegnare all’edificio una classe energetica secondo un definito sistema di classificazione;
- Effettuare analisi economiche sufficientemente attendibili per valutare il tempo di ritorno degli investimenti.
Le maggiori difficoltà riscontrabili da parte dell'utente nell'adoperare strumenti di simulazione energetica riguardano principalmente i seguenti fattori:
- L'accuratezza e la quantità di dati in ingresso. Talvolta durante le prime fasi progettuali non abbiamo tutti i dati a disposizione, per cui bisognerà operare delle ipotesi per poter proseguire con le analisi.
- Gli output di simulazione non sono leggibili istantaneamente, ma richiedono di essere lavorati ed interpretati per essere tradotti in input operativi per la progettazione. - Alcuni programmi di simulazione richiedono una certa esperienza ed uno studio
approfondito prima di poterli utilizzare.
- Alcuni programmi non sono flessibili e possono creare non pochi problemi in caso di simulazione di edifici particolari.
- Alcuni programmi non sono riconosciuti ed accreditati da studi scientifici.
Attualmente sono disponibili diversi strumenti di simulazione, la differenza fra questi, ricade il più delle vote sugli algoritmi di calcolo utilizzati, i quali richiedono dati di ingresso più o meno approfonditi, analizzando in modo proporzionato le prestazioni energetiche dell'edificio.
Le simulazioni si dividono sostanzialmente in regime stazionario e in regime dinamico, le prime consentono di indagare le performance dell'edificio solo in modo parziale, mentre le seconde sono più complesse e consentono analisi più approfondite.
Attraverso le analisi “multi-zona” è possibile determinare le prestazioni di ogni singola zona termica, in questo modo è più facile controllare gli interventi da attuare che potrebbero riguardare solo determinati ambienti.
A seconda degli obiettivi progettuali è necessario orientarsi verso uno strumento di verifica e simulazione piuttosto che un altro.
Durante la progettazione degli edifici, diventa sempre più importante ricercare le prestazioni energetiche ottimali di comfort, operando dall'involucro edilizio all'impianto termotecnico.
I sistemi di calcolo in regime dinamico, come dicevamo sono più complessi ma più precisi.
EnergyPlus è uno dei più affermati programmi di simulazione energetica in regime dinamico di edifici, sviluppato dall'università di Berkeley, per conto del Dipartimento di Energia degli Stati Uniti (DOE), EnergyPlus permette la valutazione di molteplici parametri connessi all’utilizzo reale del sistema edificio-impianto.
Per ogni parametro inserito, come ad esempio isolamento dell'involucro, massa termica utilizzata, ventilazione, controllo della radiazione solare, orientamento dell'edificio, e molti altri, è possibile valutare l'andamento del comfort interno per ogni step temporale stabilito.
E' inoltre possibile confrontare diverse soluzioni, valutandone i consumi energetici, e stabilire i benefici che può portare una soluzione rispetto ad un'altra
La simulazione energetica in regime dinamico consiste in una valutazione in cui le condizioni a contorno sono considerate continuamente variabili e dove il sistema muta il proprio stato in risposta a tale forzante variabile.
In questo modo è possibile valutare l'andamento dei consumi energetici e dei livelli di comfort presenti all'interno dell'edificio. Con queste informazioni è possibile valutare in anticipo il comportamento reale dell'edificio, integrato al sistema d'impianto utilizzato, e capire come reagirà una volta realizzato.
3.1.3 ENERGY PLUS
EnergyPlus, è stato sviluppato a partire dal 1996 dall'università di Berkeley, per conto del Dipartimento di Energia degli Stati Uniti (DOE) e si tratta di uno dei più affermati programmi di simulazione energetica in regime dinamico di edifici.
Esso ha le sue fondamenta in altri due programmi, BLAST (Building Loads Analysis and System Thermodynamics) e DOE-2 sviluppati in seguito alle preoccupazioni legate alla crisi energetica dei primi anni '70, ed il riconoscimento che l'energia di consumo delle costruzioni è una componente importante da controllare.
Rispetto a BLAST e a DOE-2, EnergyPlus include alcune caratteristiche di simulazione innovative: i file di ingresso e di uscita sono semplici file di testo ASCII e l’utente può variare gli intervalli di tempo e configurare i sistemi modulari integrati.
Con EnergyPlus si possono fare simulazioni che ricoprono un certo periodo di tempo selezionato dall’utente (solitamente si esamina un anno), il quale viene ripartito in una serie di intervalli (time step) per ciascuno dei quali il programma calcola nel tempo le prestazioni dell’edificio. E' possibile calcolare carichi termici ed il consumo di energia in un giorno specifico, o per un periodo prolungato. Il programma produce una grande varietà di dati di output, riferiti a determinati periodi di tempo (solitamente orari od annuali) e sono selezionabili dall’utente attraverso ad una libreria interna al programma.
EnergyPlus ha il compito di effettuare simulazioni energetiche di un edificio, calcolando i carichi di riscaldamento e raffreddamento necessario per mantenere il controllo termico all'interno dei valori di riferimento, riproducendo il comportamento reale dell'edificio che si andrà a costruire.
Il concetto su cui si basa è rappresentato da una simulazione integrata, ossia tutti e tre i maggiori aspetti della simulazione energetica e termica (edificio, sistema ed impianti) vengono risolti contemporaneamente. La prima versione del programma conteneva principalmente gli elementi direttamente legati agli aspetti termici degli edifici, mentre nelle versioni successive, includevano anche altre questioni che sono importanti per l'ambiente costruito.
Un altro concetto base di EnergyPlus é la sua struttura modulare, la quale infatti facilita sia l’uso del programma, in quanto permette la modifica di un modulo avendo anche solo una conoscenza limitata della sua struttura, sia la creazione di eventuali collegamenti con altri elementi di programmazione. La struttura complessiva di questo programma è costituita da tre componenti di base:
- un gestore di simulazione (simulation manager);
- un modulo di bilancio di calore e di massa (heat and mass simulation balance); - un gestore di simulazione del sistema dell’edificio (building system simulation
manager).
Il gestore di simulazione controlla l’intero processo della simulazione guidando le azioni dei singoli moduli, rendendo la gestione dei collegamenti semplici ed espliciti, ed è stato creato per affrontare in modo specifico la mancanza di struttura che si aveva in DOE-2 e in BLAST.
Il modulo di bilancio di calore si basa sul presupposto fondamentale che l'aria in ogni zona termica può essere modellata con una temperatura uniforme, anche se questo non riflette la realtà fisica. Esso considera le superfici delle camere (pareti, finestre, soffitti e pavimenti) come superfici radianti diffuse con temperature superficiali uniformi, conduzione di calore monodimensionale e irradiazione uniforme. Inoltre esso simula l’equilibrio termico tra l’interno e l’esterno di una superficie, gli effetti di conduzione, convezione, radiazione e il trasferimento di massa (vapore acqueo).
Il modulo di bilancio di massa invece considera i vari flussi d’aria come la ventilazione e le infiltrazioni. Il gestore di simulazione del sistema dell’edificio, dopo che il modulo di equilibrio termico ha
completato la simulazione per un dato passo temporale, controlla sia la simulazione dei sistemi HVAC che la simulazione dei sistemi elettrici e aggiorna le condizioni di zona.
EnergyPlus è possibile integrarlo ad altri programmi di modellazione, per renderne più intuitivo il suo utilizzo, come ad esempio Sketchup, attraverso il quale è possibile realizzare il modello tridimensionale che verrà poi analizzato dal motore di calcolo di EnergyPlus.
E' da indicare come questo programma non assiste l'utente nella correzione degli errori di introduzione, infatti esso opera ancora sotto la "garbage in, garbage out", cioè elabora i dati immessi in modo acritico, quindi se vengono inseriti dati palesemente insensati, esso produrrà a sua volta un risultato insensato. Per questo motivo architetti e ingegneri avranno sempre un parte indispensabile nel processo di progettazione.
EnergyPlus necessita di vari file di input che descrivono l'edificio da modellare e l'ambiente che lo circonda. Il programma produce diversi file di output, che devono essere successivamente trattati in modo da dare un senso ai prodotti della simulazione, in modo da permettere una lettura semplificata ed immediata dei risultati.
EP-Launch (Fig.3.4) è una componente opzionale dell’installazione di EnergyPlus per Windows (non disponibile per piattaforme Linux e Mac) che fornisce un modo semplice per selezionare i file ed eseguire le simulazioni. Grazie ad EP-Launch é possibile eseguire EnergyPlus in modo più semplice, in quanto permette di aprire un editor di testo per i file di input e di output, di aprire un foglio di calcolo per i file contenenti i risultati della simulazione, di aprire un browser web e di avviare un visualizzatore per il file di disegno selezionato (utilizzando il software Autocad).
3.1.4 BEST ENERGY
Il software BESTenergy è un plugin per SketchUp che utilizza il motore di calcolo EnergyPlus 7.1 al fine di effettuare simulazioni energetiche in regime dinamico su modelli di edifici.
Esso coniuga, pertanto, la facilità ed intuitività della modellazione di SketchUp, con la potenza di calcolo e la sofisticazione di EnergyPlus. Quest’ultimo, infatti, pur essendo uno strumento molto all’avanguardia sulla simulazione energetica in regime dinamico, presenta il limite di essere caratterizzato da una notevole complessità nel suo utilizzo, essendo sostanzialmente sprovvisto di un’interfaccia grafica, se si esclude un semplice editor per la scrittura del file di input.
L’unione di questi due strumenti permette l’accesso da parte della maggior parte dei progettisti alla sofisticata simulazione dinamica, rendendo maggiormente intuitiva la creazione dei modelli di calcolo da processare, per stimare i fabbisogni di energia ed i consumi degli edifici. L’ulteriore pregio della combinazione di questi strumenti è la totale gratuità dell’intero pacchetto, in quanto sia il motore di calcolo, che il modellatore geometrico SketchUp sono liberamente scaricabili dai rispettivi siti internet, previa registrazione dell’utente.
Per quanto sopra esposto, il software sostanzialmente permette la creazione facilitata dei principali oggetti necessari al motore di calcolo per effettuare la simulazione dell’edificio, utilizzando i semplici comandi di modellazione geometrica di SketchUp, oltre alle interfacce appositamente create. Gli oggetti di cui sopra vengono salvati in un file di formato .idf, che rappresenta l’input dei dati di cui necessita EnergyPlus. Successivamente, viene lanciata la simulazione fornendo tale file al motore di calcolo, senza dover uscire dal programma SketchUp.
Tutti gli oggetti che vengono creati nel file di input, pertanto, si riconducono alle sintassi ed alle specifiche contenute nella documentazione del motore di calcolo, alla quale si rimanda sempre per ulteriori approfondimenti, o per analisi molto più particolareggiate di quelle per le quali è stato studiato l’applicativo BESTenergy.
3.1.5 SKETCHUP
SketchUp è un software di modellazione 3D versatile, potente e nel contempo semplice da utilizzare, grazie anche ad un'interfaccia intuitiva (Fig.3.4).
Ha i suoi punti di forza nella creazione di forme bidimensionali e tridimensionali, fornendo al disegnatore uno strumento intuitivo e veloce, in grado di assisterlo dal punto di vista grafico e di consentirgli un'esplorazione dinamica e creativa degli oggetti, dei materiali e dell'impatto della luce solare.
Questa applicazione è caratterizzata da una curva di apprendimento rapida ed è supportata da strumenti per la modellazione particolarmente flessibili. Sketchup è caratterizzato da un motore d'inferenza (inference engine) il quale facilita ed assiste il disegnatore dal punto di vista prettamente grafico. L'applicativo permette anche la realizzazione di semplici animazioni di scena, permette al disegnatore di realizzare con facilità sezioni degli oggetti e di gestire il disegno nelle diverse modalità di rappresentazione (assonometria isometrica, prospettiva a tre fuochi, prospettiva a due fuochi).
Durante la fase di modellazione il disegnatore può contare su strumenti particolarmente efficaci come il push/pull che permette di realizzare figure tridimensionali partendo dall'estrusione di forme bidimensionali.
Una nota particolare merita la possibilità di strutturare l'oggetto in gruppi e componenti, i quali possono essere ripetuti più volte. Attraverso questi elementi è possibile ottenere la ripetizione di particolari del modello, facilitando il lavoro in serie al disegnatore. Le componenti, una volta posizionate correttamente, possono essere modificate simultaneamente agendo solo su una di esse, senza dover aggiornare manualmente e ridefinire ogni singola ulteriore componente inserita. Dalla versione 7 sono state introdotte le componenti dinamiche, che consentono, una volta definiti opportunamente i parametri di esercizio, di ottenere oggetti intelligenti che adattano le componenti interne al contesto in cui vengono collocati.
Con Sketchup è possibile anche ottenere viste in sezione. L'omonimo strumento permette di posizionare i piani di sezione e di ricollocarli nel modello. Una volta posizionate, è possibile esportare le sezioni bidimensionali del modello in un qualunque formato supportato per un loro eventuale successivo impiego.
Il rendering avviene in tempo reale ed è basato sulla tecnologia OpenGL. Il rendering è di tipo non-fotorealistico e vuole fare il verso alle tecniche grafiche dei cartoni animati presentando un segno schizzato a matita o a mano libera, sketchy, da cui il nome. Questa tecnica può essere particolarmente apprezzata nelle fasi iniziali di un progetto, poiché permette al disegnatore di evitare quell'eccesso di precisione che nei disegni concettuali può essere negativo.
Attraverso una serie di plugin prodotti da terzi, è comunque possibile ottenere rendering di tipo fotorealistico (con la possibilità di definire la scena con lampade e luci localizzate).
Sketchup è possibile integrarlo grazie ad un plugin a BESTenergy che utilizza il motore di calcolo EnergyPlus 7.1, in modo da poterlo utilizzare per la realizzazione del modello tridimensionale da simulare.
4.
CASO STUDIO - Progetto migliorativo di una palazzina degli anni 70
4.1 LOCALIZZAZIONE E CLIMAL'edificio oggetto di analisi è collocato a Castelnuovo del Garda
Progetto migliorativo di una palazzina degli anni 70
E CLIMAL'edificio oggetto di analisi è collocato a Castelnuovo del Garda
Castelnuovo dista 18 chilometri da Rispetto al capoluogo
sulla direttrice per Peschiera parte del comune è bagnata dal
Garda separando i comuni di Peschiera e Lazise, ma il territorio si estende soprattutto tra le colline moreniche. Confina a ovest con il comune bresciano di Sirmione.
La località è raggiungibile grazie alla "Milano - Venezia", uscendo al casello di Peschiera. Percorrendo la
al casello di Verona incontrano le località di
entrambe poste sulla direttrice che porta a Castelnuovo, e quindi al lago.
Coordinate Sistema sessagesimale
45°26′00″N 10°46 sistema decimale 45,4397° N 10,7608° E Altitudine 130 m s.l.m. Superficie 34,43 km² Abitanti 12'873 (01-02 Densità 373,89 ab./km²
Frazioni Cavalcaselle, Oliosi, Ronchi, Sandrà, Camalavicina Comuni confinanti Bussolengo, Garda,Sirmione sul Mincio
Progetto migliorativo di una palazzina degli anni 70
Castelnuovo dista 18 chilometri da Verona. capoluogo è in posizione ovest
Peschiera. Una piccola parte del comune è bagnata dal Lago di separando i comuni di , ma il territorio si estende soprattutto tra le colline moreniche. Confina a ovest con il comune bresciano
La località è raggiungibile grazie alla A4 ", uscendo al casello di . Percorrendo la A22 si può uscire Verona Nord, dove si incontrano le località di Sona e Bussolengo, entrambe poste sulla direttrice che porta a
, e quindi al lago. Sistema sessagesimale 10°46′00″E sistema decimale 45,4397° N 10,7608° E s.l.m. 02-2014) km² , Oliosi, Ronchi, Sandrà, Camalavicina Lazise,Peschiera del Sirmione (BS), Sona,Valeggio
- Fig.4.1, Localizzazione del comune di Castelnuovo del Garda, il bollino rosso individua l'edificio oggetto di studio -
Castelnuovo del Garda ha un clima dominante continentale, con un microclima influenzato dall'area urbana e dal sistema prealpino che determina temperature leggermente superiori alle limitrofe zone di pianura. In estate le temperature sono piuttosto elevate mentre in inverno sono rigide, l'umidità relativa è elevata durante tutto l'anno, specialmente nei mesi invernali, quando provoca il fenomeno, sempre meno frequente, delle nebbie, che si verificano per lo più a partire dal tramonto fino a tarda mattina. Le temperature medie di luglio si mantengono superiori ai 24 °C, mentre la temperatura media a gennaio è di circa 2,5 °C.
Le precipitazioni si concentrano tra fine aprile e inizio giugno, e tra ottobre e inizio novembre, con un picco ad agosto, che si è dimostrato in media il mese più piovoso dell'anno. L'inverno, da fine novembre fino a marzo, è il periodo meno piovoso, con una media di poco superiore ai 50mm per mese, nonostante sia il periodo più umido.
Dal punto di vista legislativo, il comune di Castelnuovo ricade nella "Fascia climatica E" con 2.468 gradi giorno, dunque il limite massimo consentito per l'accensione dei riscaldamenti è di 14 ore giornaliere dal 15 ottobre al 15 aprile.
4.2 DESCRIZIONE DELL'EDIFICIO OGGETTO DI STUDIO
L'edificio preso in esame si trova in provincia di Castelnuovo, più precisamente a Cavalcaselle, sulla strada provinciale 11. L'edificio fa parte di un complesso abitativo formato da 6 palazzine, disposte attorno ad una piazza che funge da parcheggio per le automobili. A sud del complesso costruito, passa la ferrovia Verona - Peschiera, mentre a nord si trova la strada provinciale 11.
Tutte e 6 le palazzine di dispongono su 3 piani fuori terra ed uno interrato per i garage. All'interno di ogni palazzina troviamo 6 appartamenti di circa 75 mq.
Il Complesso è stato realizzato negli anni '70, e presenta le caratteristiche costruttive di quegli anni. La struttura portante è in pilastri in C.L.S armato, i muri perimetrali sono realizzati in laterizio forato, rivestito con piastrelle in klinker di una colorazione tendente al marrone scuro. Il piano interrato è realizzato interamente in getto di calcestruzzo. Le finestre sono a vetro singolo, integrate con una doppia finestra di protezione dalle intemperie e dal freddo più rigido. Il vano scala in comune si trova al centro della palazzina e serve i 6 appartamenti disposti su 3 piani. Ogni appartamento è dotato di 2 grandi balconi posizionati nella zona giorno e nella zona notte. Il tetto è a falde, rivestito di coppi in laterizio, con un sottotetto non praticabile.
- Fig.4.2, vista prospetto nord - - Fig.4.3, vista prospetto sud -
Di seguito si riportano i principali elaborati architettonici dell'edificio oggetto di studio
Fig.4.6, Planimetria
-portano i principali elaborati architettonici dell'edificio oggetto di studio
-
- Fig.4.7, pianta piano tipo -
- Fig.4.9, prospetto est -
- Fig.4.11, prospetto nord -
- Fig.4.13, vista 3d sud-ovest -
- Fig.4.15, vista 3d nord-est -
4.3 DESCRIZIONE DEL SISTEMA DI RISCALDAMENTO
Come citata nel paragrafo precedente, la tipologia di risc cui ogni appartamento è dotato di una caldaia c
produzione di acqua calda per usi igienici e s ed utilizza il combustibile gas metano.
E' stata installata nell'estate del 1998. Il contro
ambiente posizionato al centro dell'abitazione. I corpi scaldanti dell'impianto radiatori in ghisa opportunamente dimensionati per il tipo di appartamento.
Di seguito si riportano le caratteristiche tecniche della caldaia Extra 22 tf, rilasciate dal costruttore (Fig.4.17).
- Fig.4.17
DESCRIZIONE DEL SISTEMA DI RISCALDAMENTO
nel paragrafo precedente, la tipologia di riscaldamento utilizzato è del tipo
cui ogni appartamento è dotato di una caldaia che funge sia da riscaldamento degli ambienti sia per la produzione di acqua calda per usi igienici e sanitari. La caldaia è del tipo Immergas, modello Extra 22 tf, ed utilizza il combustibile gas metano.
E' stata installata nell'estate del 1998. Il controllo dell'impianto scaldante è gestito da un termostato dell'abitazione. I corpi scaldanti dell'impianto
radiatori in ghisa opportunamente dimensionati per il tipo di appartamento.
le caratteristiche tecniche della caldaia Extra 22 tf, rilasciate dal costruttore
7, Caratteristiche tecniche delle caldaie installate -
aldamento utilizzato è del tipo individuale, per he funge sia da riscaldamento degli ambienti sia per la mmergas, modello Extra 22 tf,
llo dell'impianto scaldante è gestito da un termostato di riscaldamento sono
