MASTER PROGETTAZIONE URBANA SOSTENIBILE. Metabolismo di edificio

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1 MASTER PROGETTAZIONE URBANA SOSTENIBILE Metabolismo di edificio

2 Metabolismo di edificio: misure della sostenibilità Le misure elementari che compongono il consumo di energia di un edificio sono: 1 Energia incorporata 2 Energia per uso 3 Exergia: efficienza energetica assoluta 4 Durabilità 5 Esternalità Queste unità di base possono essere composte in strumenti complessi di valutazione: Valutazione del ciclo di vita LCA Eco-labeling

3 1. Energia incorporata L energia incorporata è una misura dell energia utilizzata nel ciclo di produzione dei materiali fino al loro utilizzo finale. Negli edifici possiamo distinguere due forme di energia incorporata: - energia incorporata iniziale - energia incorporata per manutenzione e ricambio dei materiali nel ciclo di vita dell edificio

4 1. Energia incorporata L energia incorporata iniziale rappresenta l energia non rinnovabile consumata nell estrazione di materie prime, nell elaborazione, nella manifatturazione, trasporto in sito e costruzione. Essa ha due componenti: - energia diretta usata per trasportare i prodotti nel sito e per la costruzione - energia indiretta usata per estrarre, lavorare e manifatturare i materiali edili, incluso il trasporto relazionato a queste attività. L energia incorporata per manutenzione rappresenta l energia non rinnovabile consumata per: manutenzione, ripristino, restauro e rimpiazzo di materiali, componenti e sistemi durante tutto il ciclo di vita dell edificio.

5 1. Energia incorporata Energia incorporata iniziale -:L energia incorporata è misurata come la quantità di energia non rinnnovabile per unità di materiale edile, componente o sistema, essa può essere espressa in Mega Joul per Kg o Kwatt/ora per kg. Impliciti nell energia incorporata sono: implicazioni ambientali per l esaurimento delle risorse, per i gas serra emessi, per il degrado ambientale e la riduzione di biodiversità. materiale consumo di energia MJ/kg kwh/kg 1 alluminio 215,00 59,72 2 alluminio (riciclato al 30%) 160,00 44,44 3 neoprene 120,00 33,33 4 smalti organici ecologici 100,00 27,78 5 smalti organici 100,00 27,78 6 polestirene espanso EPS 100,00 27,78 7 polestirene estruso XPS 100,00 27,78 8 rame 90,00 25,00 9 polipropolene PP 80,00 22,22 10 polivinilcloruro PVC 80,00 22,22 11 polietilene PE 77,00 21,39 12 poliuretano PUR con HCFC 70,00 19,44 13 poliuretano con CO2 70,00 19,44 14 acciaio (riciclato al 20%) 35,00 9,72 15 fibra di vetro 30,00 8,33 16 argilla per bagni 27,50 7,64 17 alluminio (riciclato al 100%) 23,00 6,39 18 pittura ad acqua, ecologica 20,00 5,56 19 pittura ad acqua 20,00 5,56 20 vetro piano 19,00 5,28 21 acciaio (riciclato al 100%) 17,00 4,72 22 legno (senza formaldeide) 14,00 3,89 23 legno (con formaldeide) 14,00 3,89 24 argille (ceramica vetrificata) 10,00 2,78 25 tessuto asfaltico 10,00 2,78 26 fibrocemento (da fibre o legno) 9,00 2,50 27 cemento 7,00 1,94 28 fibrocemento (da amianto) 6,00 1,67 29 legno (laminato) 5,00 1,39 30 argilla (mattoni, tegole) 4,50 1,25 31 gesso 3,30 0,92 32 legno (clima temperato) 3,00 0,83 33 legno (clima tropicale) 3,00 0,83 34 mattoni forati 2,96 0,82 35 mattoni pieni 2,86 0,79 36 malta M-80/a 1,34 0,37 37 cemento armato H ,10 0,31 38 cemento armato H ,03 0,29 39 malta M-40/a 1,00 0,28 40 cemento armato H ,99 0,28 41 sabbia 0,10 0,03 42 inerti 0,10 0,03 Fonte: Universitˆ di architettura di Val encia Valutazione energetica dei materiali I materiali sono ordinati numericamente da quello che consuma pi energia nella produzione del prodotto finito, n.1 alluminio, a quello che ne consuma meno n. 42 inerte. Il consumo di energia calcolato in MJ/kg e Kwh/kg, misurando quanta energia necessari (MJ, Kwh) per produrre 1 k g di materiale.

6 1. Energia incorporata Energia incorporata iniziale Involucro, strutture e impianti contribuiscono nella stessa misura e ammontano a 3/4 dell energia incorporata iniziale. Le finiture che contano solo per il 13%, avranno maggiore peso nell energia incorporata per manutenzione. Involucro 26% Struttura 24% Interessante il rapporto fra energia incorporata in fase di cantiere e per gli impianti: per esempio il passaggio da impianti idrici a rete convenzionali a sistemi di gestione delle acque piovane, con un relativo riallocamento dell energia incorporata e del budget, può portare ad un innalzamento dell energia incorporata iniziale, ma ad un sensibile abbassamento dell energia incorporata per manutenzione. Finiture Impianti 13% 24% Costruzione Cantiere 7% 6% Energia incorporata iniziale di un edificio per uffici costruito in legno, acciaio e cemento

7 1. Energia incorporata Energia incorporata per manutenzione In un edificio per uffici l energia incorporata iniziale: - in 25 anni, aumenterà del 57% a causa principalmente di involucro, finiture e impianti; - in 50 anni l energia incorporata per manutenzione sarà pari al 144% dell energia incorporata iniziale - in 100 anni sarà pari al 325%. Questi andamenti nel consumo di energia corrispondono alle diverse durabilità di materiali, componenti e sistemi. Cantiere Struttura Involucro Finiture ImpiantiCostruzione Rapporto fra energia incorporata continua in un edificio con struttura in legno in 100 anni Ad un costo di costruzione inizialmente basso può corrispondere un costo di esercizio molto alto sia in termini monetari, che di consumo di energia e di conseguenza di impatto ambientale.

8 2. Energia per consumo Gli edifici, nel loro ciclo di vita, consumano energia per: riscaldamento, condizionamento, ventilazione, illuminazione, attrezzature e impianti. Vi sono 2 tipi di energia per uso: - energia di consumo primario - energia di consumo secondario L energia primaria rappresenta tutti i consumi di energia, inclusi: energia utilizzata dal consumatore finale, consumi non energetici, intermedi, di trasformazione da un energia ad un altra (da carbone a energia), utilizzata per trasportare energia (oleodotti). L energia secondaria è quella consumata dall utente finale per funzioni residenziali, agricoli, commerciali, industriali e di trasporto. L energia per consumo rappresenta una sensibile misura della sostenibilità ed implica il confronto fra tecnologie edilizie alternative.

9 2. Energia per consumo Sostanzialmente diversa è l energia consumata da edifici destinati a servizi (uffici, scuole, ospedali, centri commerciali, negozi, ristoranti, alberghi e strutture per il tempo libero) e residenze (periodo considerato: 50 anni) Illuminazione Riscaldamento acqua 15,1% Riscaldamento 21,7% Riscaldamento Motori ausiliari 59,3% 50,3% 12,7% Attrezzature Riscaldamento acqua Per cucinare 0,6% 14% Illuminazione 4,4% Condizionamento 6,5% 8,0% Attrezzature ausiliarie 7,4% Consumi finali di energia per uso residenziale Consumi finali di energia per uso a servizi

10 2. Bilancio energetico Energia totale 100% Energia per consumo 85,5% Energia incorporata per manutenzione 8,3% Energia incorporata iniziale 6,2% Consumi di energia per un ciclo di vita di 50 anni di un edificio per uffici

11 2 Bilancio energetico Nel ciclo di vita dell edificio la maggior parte dell energia consumata (85%) è generata dai consumi quotidiani, i quali vengono soddisfatti attraverso l utilizzo degli impianti. L energia incorporata per le fasi di costruzione, quindi, è una quota nettamente minoritaria dell energia totale consumata, alla pari dell energia incorporata per le fasi di manutenzione e rinnovo (15%) Energia Incorporata iniziale 6,2% Incorporata per manutenzione 8,3% Per consumo 85,5%

12 2 Bilancio energetico Le relazioni fra energia incorporata ed energia per i consumi porta a sottolineare la rilevanza di quest ultima. Se viene aumentata l efficienza dell energia utilizzata per i consumi, il contributo dell energia incorporata sul totale diventa più significativo. In un ciclo di vita di 100 anni, l energia utilizzata per la manutenzione può superare quella utilizzata per i consumi, in edifici che hanno un basso consumo di energia per il funzionamento. Quando, in futuro, verranno utilizzate fonti rinnovabili di energia per far funzionare i nostri edifici allora l energia incorporata in materiali, componenti e sistemi, ritornerà al centro della progettazione.

13 3. Exergia_Efficienza energetica assoluta Il termine exergia o efficienza energetica assoluta è utilizzato per definire la combinazione di quantità di energia (conservata secondo il 1 principio della termodinamica) e qualità dell energia (consumata seguendo il 2 principio della termodinamica) Exergia=quantità di energia x qualità di energia L energia è efficientemente usata quando la qualità della fonte si unisce alla qualità dell uso finale. Ad esempio: l elettricità è lo strumento, termodinamicamente parlando, per far funzionare il motore che agita i vestiti nella lavatrice, non è lo strumento per scaldare l acqua della lavatrice. Coniugando termodinamicamente la fonte e l uso finale, possiamo evitare di sprecare grandi quantità di energia utilizzando energia ad alta qualità per utilizzi a bassa qualità, e minimizzare i costi sociali ed economici per la produzione di energia che sono in continuo aumento

14 3. Exergia_Efficienza energetica assoluta -basandoci sui dati esposti nella tabella a fianco si nota che: - la tradizionale tecnologia di illuminazione ha un efficienza exergetica pari a 0,8%, il 99,2% dell energia elettrica è disperso in calore e non produce luce; -il condizionamento meccanico ha un efficienza exergetica pari a 8,7%; -progettando edifici che non si surriscaldano e utilizzando i ventilatori che hanno un efficienza pari al 24%, si potrebbe ridurre di 2/3 l energia utilizzata per il condizionamento.

15 3. Exergia_Conclusioni L architetto ha davanti a se un infinita serie di opportunità per aumentare l efficienza exergetica della maggiorparte di attrezzature e impianti che fanno funzionare gli edifici oggi, abbassando il consumo energetico totale. Molti di questi miglioramento nell efficienza exergetica provengono da campi e settori esteri all architettura, è quindi necessario che l architetto sia cosciente delle scelte di appropriate fonti energetiche, attrezzature e impianti. Le tecnologie di edificio che si basano sulle fonti energetiche da sole, vento e biomassa, accompagnate da involucri termicamente efficienti, strategie di bucature appropriate, ventilazione e raffrescamento naturali, diventano gli elementi di base con i quali l architetto può modulare consumo di energia ed espressione formale dell edificio.

16 4. Durabilità La durabilità degli edifici è il cuore dell architettura sostenibile, anche se non si è ancora riusciti a misurarla come indicatore di sostenibilità. L involucro è l elemento più importante per la durabilità dell edificio; per proteggere strutture e materiali. La progettazione di involucri di diversi materiali potrà assicurare durabilità alta ed efficienti scambi di calore fra interno ed esterno dell edificio. In Canada le linee guida per la durabilità degli edifici hanno definito gradi di durabilità per l edificio e per le sue componenti, seguendo i seguenti parametri: carico, performance e durabilità La relazione fra durabilità e sostenibilità è lineare: più è durevole, più è sostenibile.

17 4. Durabilità Carico Il carico sulle componenti e sull edificio che risulta dal funzionamento degli impianti dovrebbero essere considerato come come carico ambientali e strutturali Performance Il livello di servizio fornito da un materiale, componente o sistema, in relazione alla qualità attesa. Durabilità Da un punto di vista sostenibile, un materiale, componente o sistema può essere considerato durevole quando la sua performance (vita di servizio utile) è uguale al tempo necessario all ecosistema per assorbire gli impatti ambientali associati.

18 5. Esternalità Gli impatti ambientali causati dalla realizzazione e gestione dell edificio sono classificati come esternalità ambientali. Essi coinvolgono anche coloro che non sono direttamente interessati alla realizzazione o gestione dell edificio.. Gli impatti vengono abitualmente valutati in termini di costi e benefici Esempi di esternalità: Inquinanti atmosferici che impattano sulla salute umana, su flora e fauna, materiali edili, tempo libero e visibilità Gas serra sospettati di contribuire ai cambiamenti climatici e a impatti su agricoltura e salute umana Uso di acqua: sottrazione, perdita di qualità, ecc.. Usi del suolo: sottrazione, discariche, ecc..

19 5. Esternalità Rapporto fra consumi di energia ed esternalità: emissioni di gas serra

20 5. Esternalità Per valutare le esternalità si possono seguire diversi metodi: - Valutazione qualitativa - Ponderazione e ranking - Costo del controllo - Calcolo del danno - Scostamento rispetto a un danno medio - Monetizzazione delle emissioni - Analisi multi criteria costi-benefici

21 6. Valutazione del ciclo di vita LCA La valutazione del ciclo di vita dell edificio è una misurazione di sostenibilità trasversale che prende in considerazione molti dei fattori che abbiamo trattato fino a qui: - valuta i carichi ambientali associati alla realizzazione e gestione dell edificio, attraverso l identificazione e la quantificazione di energia e materiali consumati e rifiuti rilasciati nell ambiente; - valuta l impatto ambientale di energia e materiali usati; - identifica e valuta opportunità per migliorare l ambiente interessato dall impatto. (Guidelines for Life-Cycle Assessment: A Code of Practice, Society for Environmental Toxicology and Chemistry, SETAC, Brussels, 1993.)

22 6. Valutazione del ciclo di vita LCA L analisi del ciclo di vita quantifica consumo di energia e uso di materiali, rifiuti nell ambiente, in ogni fase del ciclo di vita dell edificio, includendo: - estrazione delle risorse - manipolazione - costruzione - funzionamento - dismissione LCA Concept

23 6. Valutazione del ciclo di vita LCA In una tipica valutazione del ciclo di vita sono inclusi i seguenti parametri: - uso di materiale - energia incorporata - emissioni di CO2 - inquinamento atmosferico - generazione di rifiuti solidi - inquinamento dell acqua - costi ambientali - riduzione di biodiversità Abitualmente la valutazione del ciclo di vita è effettuata in modo automatico on line usando eco-profili o eco-label, che standardizzano le elaborazioni e le relative scelte di alternative di progetto.

24 6. Valutazione del ciclo di vita LCA: Eco-profili/eco-label Eco-profilo che rappresenta gli impatti ambientali di un edificio Adapted from: Life Cycle Assessment Applied to the Comparative Evaluation of Single Family Houses in the French Context by B.L.P. Peuportier, Energy and Buildings Vol. 33, 2001.] ARUP: Eco-profilo per valutare la sostenibilità dell intervento

25 Bibliografia Measures_of_sustainablity: Overview blity/measures_of_sustainablity_intro.htm Toolsust, Household metabolism in european countries and cities, Center for energy and environmental studies, Groningen 2003 Vital signs, Building balance point, Institute for environmental quality in Architecture, University of Winsconsin, Milwaukee, 1997