CAPITOLO 4
PROGETTO HABITATENERGIA : LA CASA
BIOCLIMATICA A ROSIGNANO MARITTIMO
Al fine di dare concretezza al tentativo di convertire il nostro sistema energetico all’utilizzo di fonti d’energia rinnovabili, il Comune di Rosignano Marittimo ha in progetto la costruzione di un edificio bioclimatico eco-compatibile, con fine dimostrativo per quanto riguarda l’uso di energie rinnovabili e di tecniche per il risparmio energetico.
La mia analisi sarà centrata innanzi tutto sulla sulla stratigrafia dei componenti opachi e la scelta del materiale isolante della parete, in base alle sue caratteristiche termoisolanti, ecologiche, economiche, evidenziate dal calcolo della trasmittanza attraverso l’involucro. Il fabbisogno termico per il riscaldamento dell’edificio (Qh) sarà poi
calcolato mediante l’utilizzo del software CasaClima. In seguito, in base al consumo energetico della casa, si procederà col dimensionamento dell’impianto fotovoltaico. Infine, sarà fatta una diagnosi energetica dell’edificio con il calcolo del fabbisogno di energia primaria, attraverso l’utilizzo del software DOCET.
Il progetto è stato denominato HABITAT ENERGIA, ed è stato seguito da un team composto da architetti, ingegneri e scienziati ambientali, presso lo studio Ingegneri@mbiente di Livorno, attraverso la loro cooperazione e collaborazione.
FIG 4.2 : Logo di HABITAT ENERGIA (Fonte : Bergonzi, Favilla, Iacomelli)
4.1 ROSIGNANO SOLVAY: INQUADRAMENTO CLIMATICO
Rosignano Solvay si trova sulla costa Livornese circa 25 Km a sud del capoluogo. E’ compreso nel comune di Rosignano Marittimo assieme ad altre 6 frazioni collegate tra loro (Rosignano Solvay, Vada e Castiglioncello sono centri costieri, Nibbiaia, Gabbro, Castelnuovo della Misericordia, Rosignano Marittimo sono centri collinari arroccati sui colli), tra le quali è quella con il maggior numero di abitanti ed è la più accessibile sia con mezzi pubblici che privati. Questa zona, bonificata nel XIX secolo dal governo Granducale, è diventata una vera e propria realtà urbana nei primi decenni del ‘900 grazie alla società Solvay che vi ha costruito uno stabilimento industriale per la produzione della soda.
FIG 4.3 : Immagine satellitare di Rosignano Solvay (Fonte : www.rosignanometeo.altervista.org)
I dati climatici generici del comune di Rosignano Marittimo sono i seguenti:
SUPERFICE 12082 km²
LATITUDINE 43° 24' 30" N
LONGITUDINE 10° 28' 27" E
ALTITUDINE Casa comunale: 147 m slm Min: 0 m slm
Max: 378 m slm
GRADI GIORNO 1640
ZONA CLIMATICA D
INSOLAZIONE MEDIA ANNUA 1466.11 kWh/m²
Il clima è quello classico mediterraneo con inverni mediamente miti e piovosi ed estati calde ma ventilate. Essendo una cittadina costiera, è caratterizzata dall’essere battuta dai venti di mare come il libeccio, il ponente, lo scirocco o il maestrale e quelli di terra come la tramontana e il grecale. Quando batte la tramontana, in inverno, le giornate sono solitamente più rigide perchè si tratta di un vento freddo che gela le articolazioni. Quando invece spirano i venti di mare, il clima è generalmente più mite, anche d'inverno. Mai i venti sono anche la fortuna di Rosignano, dato che fanno vivere una stagione estiva meno afosa che da altre parti, una primavera e un autunno dalle caratteristiche quasi estive e un inverno solitamente mite dove la temperatura raramente scende al di sotto di 0ºC.
Le temperature medie mensili della zona, determinate in base alla norma UNI 10349 sono le seguenti:
Gen Feb Mar Apr Mag Giu Lug Ago Set Ott Nov Dic 6,5 7,2 10,1 12,9 16,3 20,8 23,4 23,1 20,5 16,1 11,7 8
TAB 4.2 : Temperature medie mensili locali (°C ) (Fonte : UNI 10349)
In particolare, il microclima in inverno è influenzato dalle frequenti depressioni che si formano nel Golfo Ligure o del Leone, che richiamano dapprima correnti Sciroccali e poi del fronte Libeccio o Ponente di intensità rilevante (spesso si hanno in inverno burrasche con venti oltre i 90-100 Km/h). Vi sono in inverno anche altri periodi più o meno lunghi con tempo dominato dall’anticiclone Siberiano che porta venti secchi e forti da Est N-E (effetto Fohn) e temperature veramente basse. In Estate al contrario la fanno da padrone in regime di Alta i venti locali di brezza. Durante il giorno si ha un vento da NW costante, che può raggiungere nelle ore del pomeriggio i 25-30 Km/h, per poi calare fino al tramonto. Verso le 22 si ha inversione e passaggio alla brezza di terra con intensità intorno ai 5-10 Km/h. Le temperature massime medie
estive si aggirano intorno ai 27-30° mentre le minime si attestano sui 21-23°.
L’autunno e la primavera sono generalmente caratterizzate da un buon numero di temporali e diversi avvistamenti di trombe marine. Rara la nebbia a parte alcuni casi di nebbie di avvezione marina in primavera o da irraggiamento notturno in inverno.
Per quanto riguarda i dati di radiazione globale annua e giornaliera media mensile su superficie orizzontale, sono presi in considerazione i dati forniti nell’Atlante Italiano della radiazione solare dell’ENEA per la località di Rosignano Solvay:
Mese kWh/m2 Gennaio 1,78 Febbraio 2,51 Marzo 3,89 Aprile 4,82 Maggio 6,07 Giugno 6,61 Luglio 6,51 Agosto 5,54 Settembre 4,28 Ottobre 2,92 Novembre 1,89 Dicembre 1,43 Totale 1474
FIG 4.4 Radiazione solare globale in Italia (Fonte : ENEA)
TAB 4. 3 : Radiazione solare globale giornaliera media mensile e totale su superficie orizzontale (Fonte : ENEA)
Rosignano Marittimo (e quindi anche Solvay) è appartenente alla zona climatica D, in base alla classificazione introdotta dal DPR 412/93, specificatamente nella tabella A. Si tratta di una distinzione indipendente dall’ubicazione geografica, ma individuata in base al quantitativo di gradi giorno (GG) che, come abbiamo già evidenziato,
sono un’unità di misura atta ad indicare il fabbisogno termico di una determinata area, relativa alle vigenti normative sul riscaldamento delle abitazioni. Indicano la somma, estesa a tutti i giorni di un periodo annuale convenzionale di riscaldamento, dei gradi che mancano alla temperatura media giornaliera ad arrivare a 20°C. In base a questo parametro viene stabilito il numero massimo di ore giornaliere in cui è consentita l'accensione degli impianti di riscaldamento. Un valore basso di GG indica un breve periodo di riscaldamento e temperature medie giornaliere prossime alla temperatura fissata per l’ambiente riscaldato (appunto 20°C). Al contrario, valori alti di GG indicano un periodo di riscaldamento prolungati e temperature medie giornaliere nettamente inferiori ai 20°C.
La zona climatica D corrisponde a gradi giorno tra gli oltre 1400 ad i 2100, con accensione degli impianti per 12 ore al massimo nel periodo tra l’1 novembre e il 15 aprile. In particolare Rosignano corrisponde al valore di 1640 GG.
Oltre alle condizioni climatiche del sito, la corretta progettazione di una tipologia edilizia come quella di HABITAT ENERGIA, non deve prescindere da un’attenta analisi degli aspetti riguardanti la localizzazione del sito, il benessere termico ed i consumi di energia necessari per mantenere prefissate condizioni ambientali in particolari situazioni climatiche esterne.
Il sito in cui il progetto dovrà essere realizzato è localizzato appena dietro la barriera acustica della ferrovia, che costeggia la strada Aurelia, all’interno di un’area oggi adibita a parcheggio. In tale punto, l’edificio avrà una posizione centrale e di estrema visibilità, per massimizzare il suo scopo dimostrativo.
FIG 4.5 : Dettaglio di Rosignano Solvay da foto satellitare: localizzazione dell’edificio.
4.2 LA SCELTA DEL MATERIALE ISOLANTE
L’analisi da me effettuata è partita con la scelta del materiale isolante più idoneo, in base ad una valutazione delle sue caratteristiche termoisolanti, ecologiche, economiche.
Innanzi tutto bisogna affermare che sono da preferire materiali di origine naturale, eco-compatibili, senza problemi di disponibilità e rinnovabilità. Tra questi sono però da escludere materiali che provengono da distanze considerevoli (ad esempio le fibre di cocco e lino), poiché provocano notevole impatto a causa del trasporto per lunghe distanze. Bisogna scartare anche materiali che implicano problemi ecologici di produzione: monocolture come il cotone che implicano l’uso di erbicidi, pesticidi e concimi; lana di pecora a causa delle produzioni intensive. Inoltre, per quanto riguarda l’elevata incidenza ecologica delle fasi di estrazione, sono evitati prodotti di origine minerale (estratti da cava) pur avendo un’abbondanza di disponibilità. Per ovvie ragioni sono evitati i materiali di origine sintetica derivati dal petrolio, proprio per la loro provenienza e quindi l’alta
incidenza ecologica. Tuttavia materiali come il polistirolo e il poliuretano sono in genere molto utilizzati per la loro ottima qualità termica e costi ridotti.
Anche materiali come i trucioli, che possono contenere sostanze nocive come colle e solventi (poiché scarti di altri usi e processi di lavorazione del legno) sono da scansare, data l’impossibilità di individuarne la presenza e quindi la pericolosità.
4.2.1 TIPOLOGIE DI MATERIALI ISOLANTI
Viene fornito di seguito un elenco dei materiali da coibentazione che potrebbero essere utilizzati nell’isolamento interno di pareti, scelti in base alle loro buone caratteristiche isolanti ed ecologiche:
¾ ISOLANTE MINERALE (λ = 0.045 W/mK)
Questo materiale è positivo per la sua leggerezza, stabilità dimensionale e prezzo contenuto. I materiali di base sono abbondantemente disponibili (sabbia quarzifera, cemento e idrato di calce). I pannelli minerali hanno medie proprietà isolanti e sono aperti alla diffusione: infatti l’assorbimento dell’acqua è molto basso rendendoli resistenti all’umidità.
Questo prodotto è ottimale per realizzare pareti ventilate ma la sua rigidità non le rende adatto all’isolamento acustico.
La sua catena di produzione è corta ma comporta un consumo di energia primaria alto. Non segue procedure inquinanti per l’ambiente o aggressive per la salute umana. Non è un materiale infiammabile e non sprigiona gas e fumi. I pannelli possono essere riciclati se non sono legati con colla alla parete.
¾ SUGHERO (λ = 0.042-0.055 W/mK)
È un tessuto della periferia radiale del fusto della quercia da sughero che, una volta asportato, si riproduce nell’arco di 10 anni circa. Si tratta di un tessuto spugnoso, morbido e resinoso,
impermeabile all’acqua e insensibile ad insetti e a funghi. Possiede importanti qualità come leggerezza, ottima coibenza ed elasticità. Assorbe l’umidità ma consente la traspirazione delle pareti. Ha buon potere termoisolante, quasi confrontabile con i prodotti sintetici, garantendo una riduzione della trasmissione termiche fino al 50-60 %.
Il sughero (sfuso, in pannelli e come granulato naturale o espanso) è uno dei migliori isolanti acustici presenti in natura e può essere utilizzato in ogni parte della costruzione dalla fondamenta alla copertura.
L’asporto del sughero non danneggia l’albero e sono utilizzati anche i granuli più piccoli. Il suo trasporto ha un ruolo importante per il bilancio energetico finale poiché la quercia da sughero cresce sulle coste di Sardegna, Francia, Spagna Portogallo e Marocco. Non ci sono rischi dal punto di vista sanitaria se i pannelli non so legati con colle di origine sintetica. Possiede un’interessante resistenza al fuoco: è infatti debolmente infiammabile, autoestinguente ed emette nulla o bassissime percentuali di fumi, odori e gas tossici. Ha una stabilità pressoché illimitata all’invecchiamento, è resistente a luce, parassiti e muffe, agenti chimici ed alte temperature. È un materiale totalmente riciclabile fino all’ultimo granulo.
Questo materiale ha un costo molto elevato ed è uno dei motivi per cui non viene utilizzato.
¾ CELLULOSA (λ = 0.045 W/mK)
È presente in tutti i tessuti vegetali dove funge da sostegno. Alcuni materiali come cotone e lino sono costituiti da cellulosa pura e sono utilizzati come fibre. Il legno di abeti e pioppi ne contiene quantità minori e l’estrazione richiede processi complessi e costosi. La materia prima per la produzione di fibre di cellulosa per l’edilizia è la carta straccia proveniente soprattutto da giornali a cui sono aggiunti sostanze ignifughe. Possiede una resistenza termica
costante nel tempo, un buon isolamento dal vento e dal calore. Può essere presente sotto forma di pannelli o materiale sfuso applicato per insufflaggio.
I pannelli di cellulosa non perdono la capacità isolante anche in presenza di umidità e hanno buona capacità di regolazione igrometrica.
Risulta essere molto positivo il riutilizzo della carta da macero (ampiamente disponibile in occidente) che però può contenere metalli pesanti e che viene trattata con acido borico, il quale ha un discreto dispendio energetico e comporta inquinamento.
La lunga durata è garantita se il materiale è posto in opera con tecniche corrette dato che risulta essere inattaccabile da insetti muffe e batteri. Presenta un costo medio.
¾ CANNICCIATO (λ = 0.054-0.055 W/mK)
La canna comune è molto diffusa allo stato spontaneo nelle aree paludose e ai margini di laghi fiumi canali. Come isolanti sono commercializzate sotto forma di panelli, che consistono negli steli legati insieme da fili metallici. Il materiale ha un buon potere termoisolante e favorisce la diffusione del vapore svolgendo funzione di equilibratore igroscopico. Sono utilizzati in edilizia per controsoffittature, portaintonaco termoisolante su tetti pareti solai e isolanti nei varie tipologie di pareti e nel processo di costruzione di mattoni.
La sua materia prima (canna palustre) è velocemente rinnovabile e cresce annualmente in grande quantità e l’incidenza energetica totale è estremamente ridotta. Non vi sono problemi rilevanti sotto l’aspetto sanitario ed ecologico dalla produzione allo smaltimento. ¾ PANELLI IN FIBRA DI LEGNO (λ = 0.04-0.06 W/mK)
Il legno è un materiale da costruzione leggero, resistente e con ampie valenze estetiche. Svolge la sua funzione nelle costruzioni in modo più affidabile del cemento ed è migliore dal punto di vista
dell’efficienza delle risorse. Il legno è permeabile al vapore acqueo e consente perciò diffusione, l’effetto termoisolante e fonoisolante è buono, ha capacità di accumulo del calore e buona stabilità dimensionale. La materia prima è il legno residuo composto dagli scarti di segherie e dai lavori di pulizia forestale cui sono aggiunte colle resine e sostanze ignifughe ed idrorepellenti. I pannelli in fibra di legno hanno varie applicazioni sia all’interno che all’esterno. Il legno è materia prima rinnovabile e disponibile ma il consumo energetico è relativamente alto. Se non sono presenti additivi pericolosi non vi sono problemi per la fase d’uso. Il riciclaggio è possibile salvo che sia presente bitume.
¾ CANAPA (λ = 0.45 W/mK)
È una fibre tessile che si ottiene da una pianta erbacea annua. Presenta un buon potere termo e fono isolante ed è resistente all’umidità, alla muffa e agli insetti. Gli utilizzi possibili in ambito edile sono molteplici: isolamento, materiale di alleggerimento reti di distribuzione delle tensioni all’interno della massa, tavole elastiche e leggere, tessuti filtranti.
La pianta è una specie da rinnovo ed ha una notevole capacità di adattamento a substrati diversi e forte resistenza agli infestanti e quindi non sono necessari interventi chimici.
Il trasporto assume ruolo energeticamente importante solo se la materia prima è importata da grandi distanze. Il processo di produzione è corto, comporta bassi consumi e non vi sono problemi nella fase d’uso.
¾ LINO (λ = 0.04 - 0.45 W/mK)
Poco diffuso come isolante ma interessante per le caratteristiche ecologiche e di coibentazione. La pianta è composta per il70% di cellulosa ed ha quindi capacità di trattenere molta acqua. Ha buona conduttività termica e discrete capacità di isolamento acustico. Possiede, grazie al suo potere traspirante, la capacità di
regolare il microclima degli ambienti. È un prodotto che non si deteriora e con l’aggiunta di borati raggiunge un adeguata resistenza al fuoco. Presente sottoforma di pannelli, materassini e fiocchi o trecce per tappare od ostruire giunture o cavità.
Questo è un prodotto rinnovabile ed in edilizia sono usati scarti della produzione dei tessili. Il trasporto gioca un ruolo importante se importato da zone lontane come l’India.
La coltivazione può essere problematica per l’uso di insetticidi ma il suo riciclaggio è possibile senza riserve.
4.2.2 LA STRATIFICAZIONE DEI COMPONENTI OPACHI
In base alla seguente stratificazione da utilizzare nelle pareti dell’edificio biocompatibile: INTONACO INTERNO : 1,5 cm MATTONE FORATO : 8 cm ISOLANTE : 20 cm MATTONI SEMIPIENI : 12 cm INTONACO ESTERNO : 1,5 cm
è stato effettuato un calcolo semplificato per la valutazione della trasmittanza termica U in base all’uso dei materiali sopra descritti. Per migliorare le prestazioni di isolamento della casa, saranno preferiti intonaci e mattoni ad alte prestazioni energetiche. In particolare ho utilizzato nel calcolo:
¾ INTONACO TERMOISOLANTE CON PERLITE, POLISTIROLO λ = 0,09 W/mK
¾ MATTONI FORATI λ = 0.36 W/mK
¾ MATTONI SEMIPIENI λ = 0.364 W/mK
Considerando come isolante il sughero, che ha un valore di λ = 0.042, il calcolo è il seguente:
strati Spessori [m] λ [W/mK] Rsi Rse R [m²K/W] U [W/m²K]
intonaco 0.015 0.09 mattoni forati 0.08 0.36 strato di isolante 0.2 0.042 mattoni semipieni 0.12 0.364 intonaco 0.015 0.09 0.123 0.043 5.647 0.172
FIG 4.6 : Calcolo della trasmittanza con foglio Exel
Questo valore significa che si perdono 0.172 Watt di potenza termica per metro quadro di superficie e per grado Kelvin di differenza di temperatura tra interno ed esterno del muro.
Per quel che riguarda il pavimento, il massetto presenterà una stratificazione completa di strato isolante (20 cm di sughero), che porta ad un valore totale di U = 0,193 W/m2K.
Si è pensato per la copertura superiore ad un tetto verde: al di sopra della soletta, si utilizzerà il substrato Floratherm (che ha tutte le caratteristiche di impermeabilità, drenaggio, protezione anti-incendio richieste) e 20 cm di terreno, arrivando ad un valore di trasmittanza pari a 0,276 W/m2K.
4.3 IL CALCOLO DEL FABBISOGNO TERMICO
Per la valutazione delle prestazioni termiche dell’involucro dell’edificio, ho utilizzato il software di CasaClima. Tramite il calcolo, si ottiene il valore dell’energia termica necessaria al mantenimento della temperatura di benessere di 20°C. Abbiamo già evidenziato come tale valore è equiparabile alle dispersioni termiche perse attraverso l’involucro.
In primo luogo ho inserito i dati climatici di riferimento riguardanti Rosignano Solvay:
Comune altezza sul mare [m] GG Giorni di riscaldament o [gg] Θe [°C] [°C] Θne IS [kWh/ m²a] IO/W [kWh/ m²a] IN [kWh/m² a] Ihorizontal [kWh/m² a] Rosignano Solvay 47 1640 166 9.4 -5 472 287 125 384 TAB 4.4 : dati climatici di Rosignano utilizzati nel software CasaClima
Dove:
GG = gradi giorno
Θe = temperatura media nei giorni di riscaldamento
Θne = temperatura minima nei giorni di riscaldamento
IS, IO/W, IN, = irradiazione solare media mensile su superficie verticale
con orientamento Sud, Est/Ovest, Nord
Ihorizontal = irradiazione solare media mensile su superficie orizzontale
I valori di irradiazione solare sono stati ottenuti facendo una media tra i dati dei capoluoghi di provincia di Pisa e Livorno, reperiti dalla norma UNI 10349, poiché essi sono i più vicini in linea d’aria e sullo stesso versante geografico di Rosignano.
Per quanto riguarda i dati dell’edificio, sono state necessarie delle semplificazioni riguardanti la sua struttura, in altre parole si è considerato un unico volume riscaldato a forma di parallelepipedo. Si devono considerare la superficie ed il volume lordo dell’edificio, comprensivo cioè delle pareti:
Volume lordo = 648 m3
Superficie lorda = 162 m2
Superficie netta = 138 m2
Il pavimento è in parte appoggiato sul terreno ed in parte confinante con un locale non riscaldato (il locale tecnico adibito all’allocazione degli impianti).
Sono state considerate finestre con un valore di Uw = 0.9 W/m2K (dove
Uw è il valore di trasmittanza totale che tiene conto del vetro, del
serramento e del telaio) che corrispondono a doppi vetri termoisolanti con intercapedine di Xenon. Ho considerato:
¾ 3 finestre sul lato Nord di dimensioni 0,60 x 1,70 m ¾ 2 finestre sul lato Sud di dimensioni 1,50 x 1,50 m ¾ 3 finestre sul lato Ovest di dimensioni 1 x 1,80 m ¾ 3 finestre sul lato Est di dimensioni 1 x 1,60 m
Ho considerato un’unica porta con trasmittanza U = 1,60 posizionata nel lato Nord della casa.
Con l’utilizzo di questi dati semplificati, si è ottenuto che il fabbisogno annuale di energia termica di riscaldamento per metro quadrato di edificio, in riferimento ai dati climatici del comune di Rosignano Solvay è di 23,40 kWh/m2a. L’edificio risulta quindi essere appartenente alla
categoria termica A. In base a tale fabbisogno ed alla superficie utile della casa, si calcola il suo fabbisogno termico annuale:
Qh = 23,4 · 138 = 3229,2 kWh
Il software propone anche la classificazione dell’edificio facendo riferimento ai dati climatici di Bolzano. In questo caso il fabbisogno d’energia per il riscaldamento risulta essere di 62,68 kWh/m2a, che
corrisponde alla categoria termica C.
4.4 GLI IMPIANTI DELLA CASA
L’edificio da realizzare a Rosignano, oltre a prevedere idonee modalità costruttive come sopra indicate, prevede l’installazione al suo interno di impianti a fonti rinnovabili e ad alta efficienza energetica.
¾ impianto fotovoltaico da circa 8 kWp;
¾ impianto solare termico per il riscaldamento (a pavimento radiante)
e la produzione di acqua calda. Alla caldaia a biomassa è affiancato un sistema ausiliario costituito da 6 moduli con superficie captante di 2,36 m2 e serbatoio. Si tratta di un impianto a circolazione
forzata, con il collettore sopraelevato rispetto al serbatoio di accumulo;
¾ impianto geotermico costituito da: una pompa di calore collocata
nell’edificio, un sistema di tubi in polietilene interrati orizzontalmente a profondità opportuna per lo scambio di calore col terreno (sonde geotermiche), un sistema di scambio di calore con l’interno costituito da pannelli radianti posizionati nel pavimento e nel soffitto;
¾ un mini impianto eolico (con potenza da definire);
¾ impianto di recupero e riciclo di acque piovane: l’acqua è
recuperata in un serbatoio di 6000 l posizionato sul tetto e accumulata in un altro serbatoio posizionato nel seminterrato. Verrà poi riutilizzata per lo scarico del WC, lavatrice, irrigazione, lavaggio auto o pavimenti, etc.;
¾ impianto di fitodepurazione per la depurazione o il filtraggio
dell’acqua piovana o proveniente dagli scarichi domestici;
¾ impianto di produzione di biogas da rifiuti organici, mediante
l’utilizzo di diversi gruppi di microrganismi (aerobi, anaerobi, metanigeni). La materia organica è convertita in anidride carbonica e metano: quest’ ultimo può essere utilizzato come gas combustibile.
Oltre a questi impianti, è prevista la sistemazione anche di una serra solare, che può essere utilizzata sia come ambiente frequentato che come collettore energetico: è infatti un volume che accresce il contributo all’edificio della radiazione solare, immagazzinata nella serra stessa sottoforma di energia termica. Il suo orientamento deve essere verso Sud e deve anche essere ventilabile per evitare i surriscaldamenti estivi.
4.4.1 IL DIMESIONAMENTO DELL’IMPIANTO FOTOVOLTAICO
Il sistema fotovoltaico che si vuole installare sul tetto dell’edificio in questione vuole essere caratterizzato dal massimo livello di autonomia e capacità di soddisfare da solo (o quasi) il fabbisogno energetico
richiesto.
4.4.1.1 LA CELLA HIT SANYO
È stata scelta la cella solare denominata HIT SANYO, realizzata
depositando uno strato ultrasottile di silicio amorfo su un substrato di silicio monocristallino ad alto rendimento. Queste celle consentono di ottenere un'efficienza di conversione pari al 17,8%, un fattore tra i più elevati per le celle di tipo commerciale attualmente presenti sul
mercato. Le celle di questo tipo sono più sottili delle normali celle in silicio cristallino (200 micron invece di 350) e in fase di fabbricazione utilizzano meno energia di quelle tradizionali, poiché il processo di giunzione richiede temperature di soli 200°C. queste celle possono essere da 200, 205 o 210 Watt. Noi scegliamo di utilizzare quella da 210 W.
TIPO MODULO HIT 210
TIPO DI CELLA HIT
MISURA CELLA Quadrata da 125 mm
NUMERO CELLE 72 DIMENSIONI 1570 x 798 X 35 mm EFFICIENZA CELLA 18,7% EFFICIENZA MODULO 16,8% EFFICIENZA DI BOS 80% POTENZA NOMINALE 210 W
TENSIONE DI MASSIMA POTENZA 41,3 V
TENSIONE DI CORTO CIRCUITO 50,9 V
ΔV - 0,127 V/°C
4.4.1.2 IL DIMENSIONAMENTO
Il dimensionamento di un impianto fotovoltaico, ossia la determinazione del numero complessivo dei moduli, è calcolato sulla base dell’energia consumata dall’utenza.
I dati di progetto necessari sono i seguenti:
¾ i dati di irradiazione della località nella quale è installato l’impianto (kWh/m2);
¾ il consumo annuo di energia elettrica (kWh); ¾ l’inclinazione della superficie captante (gradi); ¾ l’orientamento della superficie captante.
L’energia solare incidente su un pannello fotovoltaico non viene trasformata integralmente in energia elettrica utile, ma è necessario considerare i vari rendimenti che ne riducono la potenzialità:
¾ il rendimento dei moduli fotovoltaici ηMOD ;
¾ l’efficienza di BOS, ηBOS.
L’energia elettrica fornita per unità di superficie, espressa in kWh/m2
anno, è data dal prodotto dell’energia solare incidente utile per i due rendimenti.
Un impianto fotovoltaico è costituito un certo numero di moduli fotovoltaici che hanno una superficie unitaria compresa tra 0,5 e 1 m2.
La superficie di un modulo è rilevabile direttamente dal catalogo del produttore che fornisce tutte le specifiche tecniche. Il numero dei moduli necessari per realizzare l’area di captazione calcolata si può ricavare semplicemente dal rapporto tra la superficie complessiva richiesta e la superficie unitaria di ciascun modulo.
Un dato caratteristico di un impianto fotovoltaico è la potenza nominale o potenza di picco, definita come la potenza che il sistema fotovoltaico è in grado di erogare quando opera in condizioni fissate da norme
internazionali (condizioni standard di flusso solare pari a 1000 W/m2 e
temperatura delle celle di 25 °C). E’ opportuno sottolineare come le condizioni standard siano difficilmente riscontrabili durante il funzionamento reale di un sistema fotovoltaico. Il valore del flusso solare di 1000 W/m2 infatti, corrisponde al valore massimo di
irraggiamento sulla superficie terrestre e si verifica quindi in condizioni particolari e per brevi periodi durante l’anno.
Il massimo irraggiamento solare è ottenibile, alla nostra latitudine e su base annua, orientando l’impianto fotovoltaico verso Sud e inclinandolo, rispetto all’orizzontale, di circa 30°.
La radiazione solare che raggiunge la superficie terrestre si distingue in diretta e diffusa. Mentre la radiazione diretta colpisce una qualsiasi superficie con un unico e ben preciso angolo d’incidenza, quella diffusa incide su tale superficie con vari angoli. Quando la radiazione diretta non può colpire una superficie a causa della presenza di un ostacolo, l’area ombreggiata non si trova completamente oscurata grazie al contributo della radiazione diffusa.
Una superficie inclinata può ricevere inoltre il contributo della radiazione riflessa dal terreno o da specchi d’acqua o da altre superfici orizzontali; tale contributo è chiamato albedo.
4.4.1.3 DISPOSIZIONE E ORIENTAMENTO DEI PANNELLI
Nel nostro caso l’installazione è prevista su un tetto piano, quindi i moduli dovranno essere montati su strutture portanti che garantiranno la più corretta inclinazione ed il più corretto orientamento.
Per questione di spazio, non sarà possibile disporre i pannelli su un unico filare, ma si dovrà ricorrere alla disposizione a file parallele, limitando i fenomeni di ombreggiamento reciproco tra moduli. La distanza minima da mantenere tra filari successivi dovrà essere determinata in base all’inclinazione dei pannelli e alla latitudine della località in cui essi sono installati. Prima di tutto bisogna considerare l’altezza massima del sole nei vari mesi dell’anno:
mese Max altezza sole (ore 12.00) Gennaio 25°41’ Febbraio 25°41’ Marzo 44°11’ Aprile 56°01’ Maggio 54°47’ Giugno 69°41’ Luglio 67°47’ Agosto 60°03’ Settembre 48°49’ Ottobre 37°00’ Novembre 27°41’ Dicembre 23°33’
TAB 4.6 : Massime altezze medie mensili del sole (Località Rosignano Solvay – Latitudine 43°24’)(Fonte : www.navigazioneastronomica.it)
Viene presa come altezza di riferimento del sole quella di 25°, tenendoci quindi vicini al valore dell’altezza massima del sole che si può raggiungere tra il mese dicembre e quello di gennaio, i mesi vale a dire in cui il sole è più basso nel cielo. Questo viene fatto per ottimizzare il mese dell’anno con l’insolazione peggiore. Se avessimo scelto la massima altezza del sole raggiunta nell’arco di tutto l’anno, i calcoli avrebbero portato a un dimensionamento dell’impianto in cui file successive di pannelli sarebbero state molto più ravvicinate tra loro, ma per gran parte dell’anno tale distanza avrebbe determinato fenomeni di ombreggiamento e quindi una riduzione dell’efficienza dell’impianto. In ogni caso ci saranno sempre dei momenti e in cui i pannelli, anche se parzialmente, si ombreggeranno l’uno con l’altro, ovvero durante tutte le ore del giorno in cui l’altezza del sole sarà inferiore ai 25°. Ma se dimensionassimo l’impianto affinché tale fenomeno non si verificasse dovremmo disporre i pannelli troppo distanti tra loro occupando quindi una superficie molto maggiore e senza ottenere un eccessivo vantaggio considerando che nelle ore dell’alba e del tramonto l’irraggiamento del sole è minore e quindi meno produttivo.
FIG 4.7 : Ombreggiamento tra pannelli
Il valore che quindi dobbiamo determinare per valutare lo spazio effettivamente occupato da un modulo è “d”.
L’ipotesi di partenza è che i pannelli siano inclinati di 30° e disposti in direzione Sud. Per eseguire i calcoli abbiamo usato le dimensioni del pannello reale le cui caratteristiche sono sopra indicate.
Altezza del modulo = AB = 1570 mm ≈ 1,6 m Larghezza del modulo = 798 mm ≈ 0,8 m Area del modulo = 1,6 m · 0,8 m = 1,28 m2
Potenza di picco = 210 Wp AE = 1570/2 = 785 mm EB = (AB2 – AE2)1/2 = (15702 – 7852)1/2 = 1359,66 mm FE = (AF2 – AE2)1/2 AF = AE/(sen 25°) = 785 /(sen 25) = 1857,46 mm FE = (1857,462 – 7852)1/2 = 1683,43 mm d = FE + EB = 1683,43 + 1359,66 = 3043,09 mm ≈ 3 m Area effettivamente occupata = 3 · 1,6 = 4,8 m2
Secondo questi calcoli la superficie effettivamente occupata da ciascun pannello, tenendo conto dell’inclinazione e dell’effetto ombreggiamento, sarà quindi di 4,8 m2.
4.4.1.4 NUMERO DI PANNELLI NECESSARI E SUPERFICIE TOTALE OCCUPATA
Il dimensionamento dell’impianto fotovoltaico viene in genere fatto in base al valore dell’energia elettrica richiesta dall’utenza e l’energia fornita per unità di superficie.
Nel caso del nostro studio la quantità di energia consumata l’anno è stata assunta essere di circa 10000 kWh l’anno, che corrisponde ad un quantitativo assorbito giornalmente di circa 27 kWh. Questi valori sono stati presi come riferimento, considerando la richiesta energetica media di una famiglia composta da 4 persone.
Considerando una producibilità elettrica media dei pannelli di 1300 kWh/kWp l’anno (che significa che per ogni kWp di pannello fotovoltaico installato nella località di Rosignano Solvay in un anno sono prodotti circa 1300 kWh di corrente elettrica utilizzabile dall’utenza), il rapporto tra l’energia richiesta e quella fornita annualmente risulta quindi:
10000 kWh / 1300 kWh/kWp = 7,69 kWp ≈ 8 kWp 7,69 · 103 Wp / (210 Wp/mod) = 36,63 ≈ 37 moduli
Se ogni pannello occupa una superficie di 1,28 m2, la superficie netta di
moduli necessaria ad ottenere la potenza di 7,69 kWp sarà: 1,28 · 37 ≈ 47,36 m2
La superficie di tetto necessaria ad installare 37 moduli, senza avere fenomeni di ombreggiamento tra loro, sarà:
Per il calcolo del numero massimo di moduli da connettere in serie, si considera l’uso di un inverter PowerOne con tensione massima in entrata pari a:
VMAX (INV) = 600 v
Il valore VOC (-10°C), viene calcolato, considerando i parametri
caratteristici del modulo:
VOC (-10°C) = VO (STC) – 35°C · ΔV = 50,9 – 35 · (−0,127) = 54,45 v
Quindi, il numero massimo di moduli da poter collegare in una stringa sarà:
nMAX = 600 / 54,45 ≈ 11 moduli per stringa.
4.4.1.5 PRODUCIBILITA’ ATTESA La producibilità attesa dell’impianto sarà:
EREALE = ERAD · A · ηMOD · ηBOS
EREALE = 1474 · 47,36 · 0,168 · 0,8 = 9382,28 kWh
Rispetto al valore iniziale di 10000 kWh, si nota che, a causa del rendimento dei pannelli, vengono persi circa 700 kWh. Tale perdita può essere colmata aggiungendo qualche pannello all’ultima stringa, anche se il valore di fabbisogno da cui siamo partiti era comunque una sovrastima.
4.5 CALCOLO DEL FABBISOGNO DI ENERGIA
PRIMARIA
È stato utilizzato il software DOCET dell’ENEA per il calcolo del fabbisogno di energia primaria. Per quanto riguarda i dati di input, sono state necessarie semplificazioni: per i valori riguardanti l’involucro, sono stati inseriti i medesimi utilizzati nel precedente calcolo con CasaClima. Nella sezione riguardante gli impianti dell’edificio, sono utilizzati i dati in possesso e, quando questi mancanti, dati quanto più veritieri. Va segnalato inoltre che non tutti gli impianti sono stati compresi nel calcolo, poiché in una casa reale sarà difficile che possano coesistere tutti i sistemi qui collocati. In base alle possibilità fornite dal programma di calcolo, sono stati inseriti un impianto di riscaldamento a pompa di calore, con pannelli radianti per la distribuzione, impianto solare termico per la produzione di acqua calda sanitaria ed il fotovoltaico per l’energia elettrica. I risultati ottenuti sono i seguenti:
RISCALDAMENTO TOTALE
Dispersioni per trasmissione 47,2 kWh/m2
Dispersioni per ventilazione 20,5 kWh/m2
Apporti interni 12 kWh/m2
Apporti esterni 10,5 kWh/m2
ENERGIA NETTA 45,8 kWh/m2
ENERGIA FORNITA 0
ENERGIA PRIMARIA TOTALE 19,9 kWh/m2
ENERGIA PRIMARIA NON RINNOVABILE 0
EMISSIONI CO2 0
RAFFRESCAMENTO TOTALE
Dispersioni per trasmissione 20 kWh/m2
Dispersioni per ventilazione 8,7 kWh/m2
Apporti interni 11 kWh/m2
Apporti esterni 20,1 kWh/m2
ENERGIA NETTA 12 kWh/m2
ACQUA CALDA SANITARIA TOTALE
ENERGIA FORNITA 0 ENERGIA PRIMARIA TOTALE 15,9 ENERGIA PRIMARIA NON RINNOVABILE 0
EMISSIONI DI CO2 0
ALTRI CARICHI ELETTRICI TOTALE
ENERGIA NETTA 21 kWh/m2
ENERGIA FORNITA 0
ENERGIA PRIMARIA TOTALE 21 kWh/m2 ENERGIA PRIMARIA NON RINNOVABILE 0
EMISSIONI DI CO2 0
TAB 4.7 : Risultati del calcolo con DOCET
Il certificato ottenuto con il programma di calcolo è il seguente:
4.6 DISCUSSIONE DEI RISULTATI
In sintesi, i risultati del lavoro svolto sono i seguenti: ISOLANTE DELLA PARETE Sughero TRASMITTANZA TOTALE DELLA PARETE 0.172 W/m²K FABBISOGNO DI ENERGIA TERMICA PER IL
RISCALDAMENTO
23,4 kWh/m2
3229,2 kWh SUPERFICIE NETTA TOTALE DI PANNELLI FV
NECESSARIA AD OTTENERE 8 kWp
47,36 m2
SUPERFICIE DI TETTO NECESSARIA 177,6 m2
NUMERO DI STRINGHE 3 da 11 moduli, più 2 PRODUCIBILITÀ ATTESA 9382,28 kWh
FABBISOGNO DI ENERGIA PRIMARIA TOTALE PER METRO QUADRATO
56,8 kWh/m2
EMISSIONI DI CO2 0 kg/m2
TAB 4.8 : Sintesi dei risultati
Per quanto riguarda la scelta dell’isolante in sughero, quello che si è ottenuto è un buon compromesso tra le proprietà tecniche ed ecologiche di un materiale. Un materiale come il sughero è molto versatile, rinnovabile ed ha buone capacità termoisolanti. È diffuso in commercio e proprio per la sua facile reperibilità sarà il più indicato per la realizzazione del progetto, nonostante il costo elevato.
Il cannicciato risulterebbe essere ottimale in termini ecologici, ma la sua reperibilità potrebbe essere un limite; inoltre, il valore di trasmittanza è maggiore rispetto agli altri isolanti considerati. I pannelli in fibra di legno, o anche di cellulosa, senza l’aggiunta di additivi di alcun tipo, possono costituire un buon compromesso ecologico-economico (buone proprietà isolanti, costi non troppo eccessivi, versatilità e buon aspetto estetico). Il limite consiste nella loro non sempre conosciuta provenienza. Nella maggior parte dei casi, questi presentano residui di additivi o vernici non ecologiche, potenzialmente tossiche e quindi da evitare. Anche la canapa sarebbe un ottimo isolante, ma non ha una gran reperibilità.
Con l’inserimento, nella stratigrafia della parete, di uno strato di sughero da 20 cm, si arriva ad un valore di trasmittanza di 0,172 W/m2K, che è ben al di sotto del limite di legge riportato nell’Allegato B
del DM 11 marzo 2008 (applicabile dal 1 gennaio 2008) di 0,36 W/m2K.
Anche il valore del fabbisogno di energia termica per il riscaldamento, ottenuto mediante l’utilizzo del software CasaClima, rientra nei limiti di legge. In base al rapporto S/V dell’edificio, che è pari a 0,85, tale cifra deve essere infatti compresa nell’intervallo che va da 34 a 88 kWh/m2 (i
valori limite sono contenuti nell’Allegato A del DM 11 marzo 2008). Il valore calcolato di 23,4 kWh/m2 è addirittura più basso del limite
inferiore del range imposto.
È interessante notare che prendendo come riferimento i dati climatici di Rosignano Solvay, la casa viene classificata come appartenente alla classe A, mentre se si considerano quelli di Bolzano, la casa apparterebbe ad una classe C. Ciò risulta essere ragionevole data la differenza di condizioni climatiche esistente tra le due località, ma bisogna evidenziare che il software utilizza nella classificazione un’unica scala, mentre sarebbe utile che questa si adattasse di volta in volta a ciascuna situazione climatica considerata.
Prendendo come valore di riferimento un fabbisogno di energia elettrica di circa 10000 kWh in un anno, è stato dimensionato l’impianto fotovoltaico: sono risultati necessari 47,36 m2 netti di superficie
fotovoltaica, che corrispondono ad una superficie di tetto di 177,6 m2,
se si vogliono evitare fenomeni di ombreggiamento tra pannelli. Occorrendo 37 moduli, ciascuno di potenza di 210 Wp, potranno essere disposte 3 stringhe da 11 moduli più una da 2. Il carico totale di potenza sarà suddiviso in tre inverter, uno per ogni stringa, per evitare sbilanciamenti e sovraccarichi.
Considerando i rendimenti di modulo e di BOS, la producibilità attesa dell’impianto sarà di 9382,28 kWh. Tenendo presente che il valore di 10000 kWh rappresenta una sovrastima dei fabbisogni reali dell’edificio, l’impianto fotovoltaico dovrebbe essere sufficiente a coprire la richiesta di energia elettrica.
Data la presenza, oltretutto, dell’impianto solare termico, la caldaia a biomassa, la sonda geotermica ed il mini eolico, sarà possibile soddisfare tutti i fabbisogni energetici della casa grazie all’uso di fonti rinnovabili.
Mediante i calcoli effettuati dal software DOCET, sono risultati necessari 45,8 kWh/m2 di energia netta per il riscaldamento, 12
kWh/m2 per il raffrescamento, 15,9 kWh/m2 per l’acqua calda sanitaria
e 21 kWh/m2 per gli altri carichi elettrici. Il valore di fabbisogno di
energia per il riscaldamento è diverso dal risultato ottenuto con CasaClima, probabilmente a causa delle semplificazioni che utilizza DOCET nei calcoli. Tuttavia, non discostano nemmeno di un ordine di grandezza, quindi possono essere considerati confrontabili: se si procedesse qui con una classificazione in base all’energia termica per il riscaldamento (45,8 kWh/m2), l’edificio risulterebbe in classe B. In
questo caso, DOCET utilizza una scala pesata sui dati climatici della località di riferimento, quindi il risultato ottenuto è ragionevole. Se invece si considera il fabbisogno di energia primaria, in altre parole di energia direttamente proveniente dalla fonte utilizzata (rinnovabile e non), questo risulta essere di 56,8 kWh/m2, che corrisponde addirittura
ad una classe C. Quello su cui è importante porre l’accento, è che non si ha necessità di utilizzare energia primaria non rinnovabile, data la presenza degli impianti sopra descritti. Quindi, le emissioni di CO2 sono
pari a zero, cosa che fa automaticamente passare questa casa in classe A+.
4.7 CONCLUSIONI
In base a quanto sopra appurato, il progetto HabitatEnergia propone un concreto modello di architettura ecologica, dimostrativo dell’efficienza energetica che può essere raggiunta nelle case.
L’edifico che si vuole realizzare, presenterà al pubblico non solo le strategie costruttive proprie della bioedilizia, ma anche le tipologie di impianti che potrebbero essere installati in una casa.
Si vuole insegnare che, se la linea guida è la sostenibilità, mediante semplici accorgimenti da adottare prima e durante la costruzione, si possono ottenere ottime performance energetiche, che peraltro oggi sono obbligatorie per legge. Costruire consapevolmente è il passo verso un approccio lungimirante, che preferisce impiegare qualche mezzo in più nelle prime fasi piuttosto che dover riparare poi a difetti e mancanze. Tutti gli impianti collocati in questo edificio non potranno coesistere in una casa, più che altro a causa degli investimenti elevati che sarebbero necessari. Qui si vogliono semplicemente mostrare al pubblico concrete applicazioni e soprattutto i benefici, ecologici ed economici, che ne derivano.
In definitiva, HabitatEnergia è un edificio con ottime peculiarità costruttive, è ben coibentato, utilizza materiali a basso impatto ecologico, è alimentato ad energie rinnovabili. Esso minimizza l’impronta ecologica dell’edificio e le emissioni di CO2, che qui sono
addirittura pari a zero. Il risparmio energetico sarà massimo, così come quello economico; quest’ultimo si otterrà a lungo termine, tramite i risparmi sulle bollette, che porteranno prima al rientro del capitale investito, e poi ad un risparmio continuo negli anni.
Le caratteristiche che si ritrovano in HabitatEnergia dovranno essere adottate in tutti gli edifici di nuova fattura, in modo da contenere da un lato le emissioni di CO2 ed aiutare il paese a rientrare nei limiti previsti
nel protocollo di Kyoto, e dall’altro avvicinare gli edifici ad un modello di “casa ecologica”, in cui il risparmio energetico coesiste col benessere abitativo, ed anzi ne è una prerogativa fondamentale.
