Riferimenti normativi), dei fabbisogni energetici dell’edificio.

Parallelamente all’acquisizione dei dati di consumo elettrico e termico degli anni presi in considerazione, si è proceduto al calcolo, mediante i metodi descritti in normativa (v.

Riferimenti normativi), dei fabbisogni energetici dell’edificio.

A ciascuno dei due vettori (energia elettrica e gas) fanno capo diversi sistemi energetici.

In particolare, i sistemi alimentati da energia elettrica sono il sistema di illuminazione interna ed esterna, il sistema di produzione acqua calda sanitaria, il sistema di climatizzazione estiva e le altre apparecchiature elettriche; ciascuno dei sistemi elencati incide per quote diverse sui consumi energetici complessivi.

I consumi di gas sono attribuibili esclusivamente al sistema di riscaldamento degli ambienti interni; i fattori che influenzano tali consumi sono essenzialmente le dispersioni termiche attraverso l’involucro edilizio (opaco e vetrato) e l’efficienza del sistema di riscaldamento.

La determinazione delle percentuali di incidenza di ciascuno dei sistemi elencati è necessaria per comprendere quali siano le componenti dell’edificio più critiche sulle quali intervenire. È evidente che dall’analisi della fatturazione energetica, relativa all’intero edificio, non è possibile ricavare il dettaglio di tali percentuali di incidenza. Tale valutazione è operabile ipotizzando un modello di simulazione dinamica del sistema edificio-impianto in esame, in riferimento al quale calcolare i fabbisogni energetici relativi a ciascun sistema.

Per fabbisogno si intende la quantità di energia da assorbire dalla rete affinché ciascun sistema sia sfruttato, coerentemente con i limiti imposti dalla normativa, in modo da soddisfare le necessità dell’utenza. Determinare il fabbisogno energetico di ciascun sistema equivale ad attribuirgli un peso in termini di energia consumata; è per questo motivo che dal confronto tra i consumi dedotti dalle fatturazioni e i fabbisogni stimati si può stabilire l’attendibilità dei modelli di calcolo utilizzati: solo in caso di effettiva congruenza tra consumi reali e fabbisogni stimati risulta accettabile utilizzare tali modelli per sviluppi futuri, come la valutazione di soluzioni migliorative delle prestazioni energetiche dell’edificio. In caso contrario, si procede con l’affinamento dei risultati modificando per iterazione le variabili in gioco per ciascun sistema; in tal senso può assumere una certa importanza il comportamento dell’utenza.

6.1 Profilo di utilizzo della Prefettura di Pisa

L’edificio in esame è sede degli uffici della Prefettura; in base ai tempi di occupazione dei locali al suo interno da parte dei lavoratori (considerato un mese tipo, marzo 2013) è stato possibile definire un grafico del profilo di utilizzo dell’edificio (v. Fig. 6.1) e confrontarlo con il profilo di utilizzo standard degli uffici riportato in normativa (v. Fig.

6.2).

Dai due grafici si evince che, mentre nel caso standard c’è una discreta uniformità degli

orari di ingresso ed uscita, nel caso della Prefettura si assiste ad una maggiore autonomia

da parte del personale: alcuni dipendenti entrano più tardi, ma è anche vero che all’ora di

pranzo si denota un’occupazione maggiore rispetto alla media e l’uscita risulta in alcuni

casi posticipata.

Figura 6.1- Profilo di utenza Prefettura di Pisa (marzo 2013)

Figura 6.2- Profilo di utenza standard uffici (UNI EN 15232/2012).

6.2 Fabbisogno energetico per la climatizzazione invernale

Dai sopralluoghi effettuati all’interno dell’edificio della Prefettura è emersa la presenza di due impianti di riscaldamento; ciò evidenzia la suddivisione dell’edificio in due zone termiche: il corpo centrale (zona 1) e la palazzina (zona 2). Si tratta di impianti tradizionali ad acqua calda alimentati da due caldaie basali a gas metano; i terminali di emissione sono radiatori in ghisa e in alluminio (v. Fig. 6.3).

Il calcolo del fabbisogno termico per riscaldamento degli ambienti (climatizzazione invernale) è stato condotto secondo il metodo semplificato descritto nel D.M. 26/06/2009.

Figura 6.3- Esempi di radiatori in ghisa e in alluminio

a) Sintesi dei dati di ingresso (input)

Per il calcolo del fabbisogno energetico e dell’indice di prestazione energetica è stato necessario precisare i seguenti parametri (v. App. AP1):

• GG=1694 gradi giorno Comune di Pisa;

• f x =0,95; coefficiente di utilizzazione degli apporti gratuiti;

• U=1,75 W/m ² K trasmittanza termica della muratura esterna;

• U=4,17W/m ² K trasmittanza termica media delle finestre;

• U=2,10 W/m ² K trasmittanza termica delle porte;

• U=1,86 W/m ² K trasmittanza termica del solaio controterra;

• U=1,66 W/m ² K trasmittanza termica del solaio di interpiano;

• U=1,66 W/m ² K trasmittanza termica del solaio di copertura;

• S EC =1620 m ² superfici opache verticali che racchiudono il volume lordo riscaldato dell’edificio centrale;

• S P =221 m ² superfici opache verticali che racchiudono il volume lordo riscaldato della palazzina;

• S EC =253 m ² superfici finestrate che racchiudono il volume lordo riscaldato dell’edificio centrale;

• S P =33 m ² superfici finestrate che racchiudono il volume lordo riscaldato della palazzina;

• b tr,x =1 fattore di correzione dello scambio termico verso ambienti non climatizzati o verso il terreno;

• n=0,4 vol/h numero di ricambi d’aria;

• V nEC =7727 m ³ volume netto riscaldato (edificio centrale);

• V nP =733 m ³ volume netto riscaldato (palazzina);

• n gg =166 numero di giorni di riscaldamento per la zona climatica D;

• h g =12 h numero di ore giornaliere di accensione dell’impianto di riscaldamento

• I sol,i (MJ/m ² ) irradianza totale stagionale (nel periodo di riscaldamento) sul piano verticale per ciascuna esposizione (edificio centrale e palazzina) v. Cap. 5, Tab. 5.3;

• S sol,i,g (m ² ) superfici dei serramenti per ciascuna esposizione (edificio centrale e palazzina) v. Tab. 6.1;

• S sol,i,d (m ² ) superifici dell’involucro opaco per ciascuna esposizione (edificio centrale e palazzina) v. Tab. 6.1;

• S uEC =1755 m ² superficie utile edificio centrale;

• S uP =167 m ² superficie utile palazzina;

• V EC =9654 m ³ volume lordo riscaldato edificio centrale;

• V P =911 m ³ volume lordo riscaldato palazzina;

• η gEC =0,68 rendimento globale medio stagionale edificio centrale;

• η gP =0,64 rendimento globale medio palazzina;

• PCI=9,5 m ³ /kWh potere calorifico inferiore gas metano.

Tabella 6.1- Superfici finestrate e opache per esposizione

Ssol,i,g [m²] Ssol,i,d [m²]

Esposizione Corpo centrale Palazzina Corpo centrale Palazzina

S 31 10 118 59

SO-SE - - - -

E-O 215 7 1364 89

NO-NE - - - -

N 8 16 138 73

b) Sintesi dei risultati di calcolo con metodo semplificato

I risultati ottenuti col metodo di calcolo riportato nell’App. AP1 sono i seguenti:

• Q h =312317 kWh/anno fabbisogno energetico totale per riscaldamento;

• Q p =48525 m ³ /anno fabbisogno di energia primaria.

Tale fabbisogno calcolato col metodo semplificato riportato in Appendice al D.M.

26/06/2009 risulta superiore del 21% rispetto al valore rilevato dai consumi per l’anno 2013.

c) Sintesi dei risultati di calcolo con software

Successivamente il calcolo del fabbisogno termico è stato ripetuto con l’utilizzo del software professionale Logical Soft “TERMOLOG EPiX 4”, programmato secondo le indicazioni dei decreti legislativi 192/05, 311/06, del D.P.R. 59/09, del D.M. 26/06/2009 (Linee Guida Nazionali per la certificazione energetica) e delle norme UNI/TS 11300 parti 1, 2, 3 e 4. Con il software è stato inoltre possibile determinare la classe prestazionale conseguente l’indice di prestazione invernale EPi come definito dal DM 26/06/2009.

I dati di input effettivamente inseriti sono analoghi a quelli precisati al punto a); il software ha provveduto autonomamente alla definizione degli altri parametri necessari per il calcolo del fabbisogno energetico e dell’indice di prestazione energetica.

Ripetuti i calcoli in maniera più sofisticata mediante l’utilizzo del software, si è riscontrato un valore più coerente con i dati di fatturazione energetica; infatti i fabbisogni di energia termica e primaria ottenuti sono i seguenti:

• Q h =352400 kWh/anno fabbisogno energetico totale per riscaldamento;

• Q p =37095 m ³ /anno fabbisogno di energia primaria.

Il fabbisogno di energia primaria si discosta di appena il 7% rispetto al valore dei consumi dell’anno 2013. Lo scarto risulta più che accettabile, perciò i risultati che vengono presi in considerazione per le successive analisi sono quelli forniti dal software Termolog. Si noti tuttavia che la differenza percentuale con la stima preliminare (risultati punto b)) è di appena il 14%.

Utilizzando i risultati complessivi ottenuti con il software sono stati calcolati gli indici di prestazione energetica per climatizzazione invernale (EP _i ) relativi alle due zone termiche:

Zona termica 1: EP i,EC =44 kWh/m ³ anno Zona termica 2: EP _i,P =83 kWh/m ³ anno

Entrambi gli edifici (corpo centrale e palazzina) risultano in classe energetica G (si noti che per la zona termica 1 EP lim = 13 kWh/m ³ anno e per la zona termica 2 EP lim = 18 kWh/m ³ anno). Tale risultato non deve sorprendere considerato quanto già affermato relativamente alle prestazioni energetiche degli edifici storici (v. Introduzione).

6.3 Fabbisogno energetico per l’illuminazione artificiale

I consumi elettrici dovuti ai sistemi di illuminazione degli edifici sono normati a livello internazionale dalla Direttiva Europea 2002/91/CE inerente le prestazioni energetiche degli edifici, mentre la valutazione dei fabbisogni energetici è trattata nella normativa tecnica specifica UNI EN 15193/2008 che introduce l’indice di efficienza energetica del sistema di illuminazione LENI (Lighting Energy Numeric Indicator).

A partire dall’indice LENI è possibile ricavare l’indice di prestazione energetica per l’illuminazione artificiale EP ill .

6.3.1 Illuminazione interna

Il sistema di illuminazione interna è costituito da un totale di 294 apparecchi di

illuminazione (suddivisi in 32 diverse tipologie) contenenti complessivamente 699

lampade (v. Fig. 6.4).

Figura 6.4- Esempi di apparecchi di illuminazione interna Sintesi dei dati di ingresso (input)

Per il calcolo del fabbisogno energetico e dell’indice LENI è stato necessario precisare i seguenti parametri (v. App. AP2):

• P N =27720W potenza elettrica complessivamente installata per l’illuminazione dell’edificio (o dell’ambiente) (v. AL. 5);

• F C =1 coefficiente di correzione per valutare l’effetto della presenza di eventuali sistemi di controllo per mantenere livelli di illuminamento costanti nel tempo (sistemi CTE);

• F O =1 coefficiente di correzione per valutare l’effetto della presenza di persone all’interno dell’edificio (o dell’ambiente);

• F D =1 coefficiente di correzione per valutare il contributo dell’illuminazione naturale nell’edificio (o nell’ambiente);

• t D =2277 h/anno tempo di accensione del sistema di illuminazione durante le ore diurne nel periodo di calcolo considerato;

• t N =250 h/anno tempo di accensione del sistema di illuminazione durante le ore serali e notturne nel periodo di calcolo considerato;

• S u =1922 m ² superficie utile dell’edificio;

• f=2,17 coefficiente di conversione dall’energia elettrica in energia primaria;

• V=10562 m ³ volume dell’edificio.

Sintesi dei risultati di calcolo (output)

I risultati ottenuti col metodo di calcolo riportato nell’App. AP2 sono i seguenti:

• W=81580 kWh/anno fabbisogno energetico per illuminazione interna;

• P=14 W/m ² potenza specifica installata;

• LENI=42 kWh/m ² anno indice di efficienza energetica;

• EP ill =74 kWh/m ² anno indice di prestazione energetica per illuminazione.

6.3.2 Illuminazione esterna

Il sistema di illuminazione interna è costituito da un totale di 42 apparecchi di illuminazione (suddivisi in 1 diverse tipologie) contenenti complessivamente 50 lampade (v. Fig. 6.5).

Sintesi dei dati di ingresso (input)

Per il calcolo del fabbisogno elettrico per illuminazione esterna è stato necessario precisare i seguenti parametri (v. App. AP2)::

• P N =6860 W potenza elettrica assorbita complessivamente dalle lampade contenute negli apparecchi di illuminazione esterna (v. All.

AL6);

• t Y =2920 h/anno tempo di accensione del sistema di illuminazione nel periodo di calcolo considerato;

• S p =2336 m ² superficie totale dei prospetti dell’edificio.

Sintesi dei risultati di calcolo (output)

I risultati ottenuti col metodo di calcolo riportato nell’App. AP2 sono i seguenti:

• W=20030 kWh/anno fabbisogno energetico per illuminazione esterna.

Figura 6.5- Esempi di apparecchi di illuminazione esterna 6.4 Fabbisogno energetico per la produzione di acqua calda sanitaria

La produzione di acqua calda sanitaria è deputata agli scaldabagni elettrici (v. Fig. 6.6).

Figura 6.6- Scaldabagni elettrici per produzione ACS a) Sintesi dei dati di ingresso (input)

Per il calcolo del fabbisogno elettrico e dell’indice di prestazione energetica è stato necessario precisare i seguenti parametri (v. App. AP3)::

• ρ=1,0 kg/l; densità a pressione costante dell’acqua;

• c p =4186 J/kgK; calore specifico a pressione costante dell’acqua;

• n gg =253; numero di giorni del periodo di riferimento;

• V W =351 l/giorno; portata in volume di ACS edificio centrale;

• V W =33 l/giorno; portata in volume di ACS palazzina;

• ∆T=25°K. salto termico tra la temperatura dell'acqua fredda in ingresso dalla rete e la temperatura dell'acqua calda sanitaria;

• V EC =9654 m ³ volume lordo riscaldato dell’edificio centrale;

• V P =911 m ³ volume lordo riscaldato della palazzina;

• η wEC =0,29 rendimento globale medio stagionale edificio centrale;

• η wP =0,21 rendimento globale medio stagionale palazzina.

b) Sintesi dei risultati di calcolo (output)

Il fabbisogno di energia primaria ottenuto col metodo di calcolo riportato nell’App. AP3 è:

• Q W =10069 kWh/anno fabbisogno di energia primaria per produzione ACS Anche in questo caso il calcolo del fabbisogno energetico è stato ripetuto con l’utilizzo del software professionale Logical Soft “TERMOLOG EPiX 4”, programmato secondo le indicazioni dei decreti D. Lgs.vo 192/05, 311/06, D.P.R. 59/09, D.M. 26/06/2009 (Linee Guida Nazionali per la certificazione energetica) e delle norme UNI TS 11300 parti 1, 2, 3 e 4. I dati di input effettivamente inseriti sono analoghi a quelli precisati al punto a).

Il calcolo elaborato mediante utilizzo del software ha fornito dei risultati più coerenti con i dati di fatturazione energetica; infatti il fabbisogno di energia primaria ottenuto è:

• Q W =9500 kWh/anno fabbisogno di energia primaria per produzione ACS.

Lo scarto tra i due risultati è irrilevante; i risultati che vengono presi in considerazione per le successive analisi sono quelli forniti dal software Termolog in quanto strumento di calcolo più sofisticato.

Utilizzando i risultati complessivi ottenuti con il software sono stati calcolati gli indici di prestazione energetica per climatizzazione invernale (EP i ) relativi alle due zone termiche:

Zona termica 1: EP _acs,EC =1,24 kWh/m ³ anno Zona termica 2: EP acs,P =1,68 kWh/m ³ anno

L’indice di prestazione energetica è elevato per entrambe le zone termiche: la zona termica 1 risulta in classe energetica A, la zona termica 2 risulta in classe energetica B.

6.5 Fabbisogno energetico per la climatizzazione estiva

I sopralluoghi effettuati nell’edificio hanno rivelato la presenza di due tipi di sistema di raffrescamento, uno idronico ed uno ad espansione diretta, collegati ad unità interne per l’emissione dell’aria in parte installate a incasso (bocchette inserite nel controsoffitto) ed in parte installate a parete (split) (v. Fig. 6.7).

Figura 6.7- Esempi di unità interne per l’emissione dell’aria Sintesi dei dati di ingresso (input)

Per il calcolo del fabbisogno elettrico e dell’indice di prestazione energetica è stato necessario precisare i seguenti parametri (v. App. AP4):

• η C,gn =0,42; coefficiente di utilizzazione delle dispersioni termiche dell’ edificio centrale;

• η C,gn =0,47; coefficiente di utilizzazione delle dispersioni termiche della palazzina;

• U=1,75 W/m ² K trasmittanza termica della muratura esterna;

• U=4,17W/m ² K trasmittanza termica media delle finestre;

• U=2,10 W/m ² K trasmittanza termica delle porte;

• U=1,86 W/m ² K trasmittanza termica del solaio controterra;

• U=1,66 W/m ² K trasmittanza termica del solaio di interpiano;

• U=1,66 W/m ² K trasmittanza termica del solaio di copertura;

• S EC =47038 m ² superfici che racchiudono il volume lordo raffrescato dell’edificio centrale;

• S P =32263 m ² superfici che racchiudono il volume lordo raffrescato della palazzina;

• b tr,x =1 fattore di correzione dello scambio termico verso ambienti non climatizzati o verso il terreno;

• n=0,4 vol/h numero di ricambi d’aria;

• V nEC =7722 m ³ volume netto raffrescato (edificio centrale);

• V nP =730 m ³ volume netto raffrescato (palazzina);

• I sol,i (MJ/m ² ) irradianza totale stagionale (nel periodo di raffrescamento) sul piano verticale per ciascuna esposizione (edificio centrale e palazzina), v. Cap. 5, Tab. 5.3;

• S sol,i,w (m ² ) superfici dei serramenti per ciascuna esposizione (edificio centrale e palazzina), v. Tab. 6.1;

• S sol,i,d (m ² ) superfici dell’involucro opaco per ciascuna esposizione (edificio centrale e palazzina), v. Tab. 6.1;

• S raffrEC =1755 m ² superficie utile edificio centrale;

• S raffrP =167 m ² superficie utile palazzina;

• V EC =9651 m ³ volume lordo raffrescato edificio centrale;

• V P =911 m ³ volume lordo raffrescato palazzina.

Sintesi dei risultati di calcolo (output)

L’indice di prestazione energetica EP _e,invol è stato calcolato sia per l’edificio centrale che per la palazzina con l’ausilio del software “TERMOLOG EPiX 4”.

Utilizzando i risultati complessivi ottenuti con il software sono stati calcolati gli indici di prestazione energetica per climatizzazione invernale (EP _i ) relativi alle due zone termiche:

Zona termica 1: EP _e,invol,EC =0,69 kWh/m ³ anno Zona termica 2: EP _e,invol,P =2,20 kWh/m ³ anno

I risultati dell’analisi riportati sono ampiamente inferiori al valore limite di normativa (EP e,invol,lim =10 kWh/m ³ anno).

6.6 Fabbisogno energetico per utilizzo altre apparecchiature elettriche di servizio Per poter completare in maniera corretta la ripartizione dei consumi energetici occorre considerare la presenza di altre apparecchiature (v. Fig. 6.8) l’utilizzo delle quali necessita di fornitura di energia elettrica.

Sintesi dei dati di ingresso (input)

L’analisi del fabbisogno di energia elettrica per l’utilizzo delle altre apparecchiature elettriche di servizio, per comodità, è stata condotta sulle apparecchiature più energivore o delle quali si sia rilevata una presenza più rilevante. In particolare si tratta di: pc fissi, stampanti, fotocopiatrici, server e pompe di circolazione dell’impianto di riscaldamento principale (v. Tab. 6.2).

Sintesi dei risultati di calcolo (output)

Le ipotesi fatte sulle potenze di assorbimento e i tempi di funzionamento di ciascun dispositivo hanno condotto al calcolo dei fabbisogni energetici delle principali apparecchiature elettriche di servizio (v. Tab. 6.3).

Il risultato ottenuto è:

• Q as =46659 kWh/anno fabbisogno energetico totale per le principali apparecchiature elettriche di servizio.

Figura 6.8- Esempi di apparecchiature elettriche: computer, fotocopiatrici, server Tabella 6.2- Potenza e tempo di utilizzo delle principali apparecchiature elettriche di servizio

Apparecchiature elettriche di servizio

Potenza media

(W)

n°

elementi

Tempo di utilizzo

ore/gg gg/sett sett/mese mesi/anno

Computer 150 91 6 5 4 11

Stampanti 50 91 6 5 4 11

Fotocopiatrici 307 10 6 5 4 11

Server 400 5 24 7 4 12

Pompe impianto

riscaldamento 850 2 12 5 4 6

Tabella 6.3- Fabbisogni elettrici delle principali apparecchiature elettriche di servizio Apparecchiature elettriche di servizio Q as

(kWh/anno) %

Computer 18018 39%

Stampanti 6006 13%

Fotocopiatrici 4059 9%

Server 16128 35%

Pompe impianto riscaldamento 2448 5%

TOTALE 46659

6.7 Confronto tra consumi e fabbisogni energetici dell’edificio della Prefettura Il consumo energetico di gas metano è da attribuire esclusivamente al riscaldamento dell’edificio: l’ACS, infatti, è prodotta elettricamente da scaldabagni.

Quindi, per valutare l’attendibilità del modello energetico ipotizzato basta confrontare fabbisogno e consumo per la climatizzazione invernale. Dalla Tab. 6.4 si osserva che consumi di gas dell’anno 2013 equivalgono a 39.968 m ³ , mentre dall’analisi del modello edificio-impianto è emerso un fabbisogno annuo di gas metano pari a 37.095 m ³ (vedi ripartizione Fig. 6.9); lo scarto tra i due valori è accettabile perché inferiore al 10%.

Per quanto riguarda il consumo elettrico, la ripartizione dei consumi reali è stata ricavata

in base alle percentuali di incidenza di ciascun sistema energetico sul fabbisogno

complessivo (v. Tab. 6.5).

Tabella 6.4- Confronto tra consumi e fabbisogni gas edificio Prefettura di Pisa ANNO Consumi gas

metano (m ³ )

Fabbisogno energia primaria Q p (m ³ )

Edificio centrale + Palazzina

2013 39968 Edificio

centrale 31140 (84%)

2012 38296

2011 41349

Palazzina 5955 (16%)

2010 39274

2009 48097

TOTALE 37095

2008 38641

Figura 6.9- Modello di ripartizione consumi gas tra edificio centrale e palazzina, anno 2013

Tabella 6.5- Confronto tra consumi e fabbisogni elettrici edificio Prefettura di Pisa, anno 2013

FABBISOGNI CONSUMI

Sistema energetico (kWh) Consumi (kWh) % Illuminazione

interna 81580 Illuminazione

interna 82097 51%

Illuminazione

esterna 20030 Illuminazione

esterna 20926 13%

Produzione ACS 9500 Produzione ACS 9659 6%

Altre

apparecchiature elettriche di servizio

46659

Altre

apparecchiature elettriche di servizio

48293 30%

Totale 157769 Totale 160975

Per l’anno 2013 (non comprendente la quota legata alla climatizzazione estiva), si ottiene una ripartizione energetica (v. Fig. 6.10) che evidenzia i sistemi elettrici più incidenti sul consumi. Complessivamente i consumi elettrici per illuminazione equivalgono al 64% dei consumi elettrici complessivi. Il sistema di illuminazione interna sarà oggetto di analisi più approfondite al fine di individuare gli interventi più efficaci per la riduzione dei consumi elettrici.

Figura 6.10- Modello di ripartizione dei consumi elettrici, anno 2013 Edificio centrale 84%

Palazzina 16%

Illuminazion e interna

51%

Illuminazion e esterna

13%

ACS 6%

Altri dispositivi

elettrici

30%