Materiali tradizionali dell architettura e del risparmio energetico (8 cfu)

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1 UNIVERSITA DEGLI STUDI MEDITERRANEA DI REGGIO CALABRIA CdL SCBAA Corso di Storia e Conservazione dei Beni Architettonici e Ambientali-Classe L-43 DASTEC Dipartimento "Arte Scienza e Tecnica del Costruire" Anno Accademico Materiali tradizionali dell architettura e del risparmio energetico (8 cfu) Docente: Cherubina Modaffari EFFICIENZA ENERGETICA NEGLI EDIFICI Paradigmi progettuali, le tecnologie rilevanti ed esempi di intervento 01/06/11 1

2 EFFICIENZA ENERGETICA NEGLI EDIFICI Ripartizione del fabbisogno energetico In Europa i consumi complessivi di energia per riscaldamento superano di poco il 40% del totale, con grande influenza sulle emissioni di CO2, responsabile del 50% dell effetto serra. Questo quadro vede i consumi dell Europa al 15% del totale mondiale e l Europa stessa ha il non invidiabile primato di essere il maggior importatore di energia. Sulla base delle tendenze attuali, entro il 2030 l UE dipenderà per il 90% dalle importazioni per coprire il suo fabbisogno di petrolio e per l 80 % per quello di gas naturale. 01/06/11 2

3 EFFICIENZA ENERGETICA NEGLI EDIFICI Consumi energetici per settore d uso finale Attraverso lo studio degli usi finali e del settore di trasformazione è possibile individuare i settori maggiormente energivori per definire successivamente politiche mirate ad un uso razionale dell energia. 01/06/11 3

4 EFFICIENZA ENERGETICA NEGLI EDIFICI Consumi finali italiani per settore e per fonti I consumi del settore civile sono spesso dovuti ad un alto grado di inefficienza energetica delle utenze, sia per il fabbisogno termico che per quello elettrico. Il primo dovuto alla necessità di riscaldamento degli ambienti abitativi e alla produzione di acqua calda sanitaria mentre il secondo legato principalmente alla illuminazione e alimentazione di utenze termiche. Pur mantenendo gli stessi comfort è possibile ridurre drasticamente i consumi termici attraverso interventi che rendano efficiente l involucro dei fabbricati. Altri interventi riguardano la sostituzione di utenze termiche con sistemi a fonte rinnovabile come il solare termico o utilizzo di pompe di calore e caldaie a condensazione o per l illuminazione interventi che indirizzino verso una migliore tecnologia per i corpi illuminanti (lampade ad alta efficienza). 01/06/11 4

5 EFFICIENZA ENERGETICA NEGLI EDIFICI Consumi elettrici finali italiani Incrociando i risultati ottenuti con i dati relativi ai consumi elettrici finali si ottiene un dato che deve far riflettere: i consumi dovuti a stand-by, carica batterie e simili ammonta al 10% circa. Appare chiaro che nel settore terziario occorre intervenire su illuminazione e condizionamento mentre nel residenziale i consumi sono + articolati e in gran parte costituiti dal riscaldamento. I principali consumi elettrici sono suddivisi in: Motori 45-50% Illuminazione 12-15% Elettrodomestici 12-15% Stand-by, carica batterie, 10%!! (Cesi Ricerca, 2006) 01/06/11 5

6 EFFICIENZA ENERGETICA NEGLI EDIFICI Tecnologie rilevanti nel settore civile Le tecnologie rilevanti ai fini dell efficienza energetica individuate sono: GENERAZIONE DI ENERGIA ELETTRICA COGENERAZIONE/TRIGENERAZIONE (compresa la microcogenerazione e generazione distribuita) CLIMATIZZAZIONE COIBENTAZIONE E/O ALTRI INTERVENTI EDILI ILLUMINAZIONE ELETTRODOMESTICI ICT/AUTOMAZIONE (BUILDING AUTOMATION) Di particolare interesse gli interventi riguardanti la climatizzazione, coibentazione e illuminazione, settori che danno da subito i maggiori ritorni con le tecnologie esistenti 01/06/11 6

7 EFFICIENZA ENERGETICA NEGLI EDIFICI Direttiva Comunitaria 2002/91/CE: rendimento energetico in edilizia Fine principale: riduzione delle emissioni di CO2 in atmosfera e dei consumi Logica della Direttiva 2002/91/CE Inizialmente gli obiettivi di risparmio energetico si sono concentrati sulla promozione di tecnologie di produzione energetica alternative e rinnovabili (solare termico e fotovoltaico) ponendo l attenzione sulla riduzione dei consumi di combustibili fossili per la continua scarsità delle risorse mentre oggi appare importante la riduzione dell inquinamento e quindi è fondamentale contenere il fabbisogno energetico in modo da non dover produrre energia. 01/06/11 7

8 EFFICIENZA ENERGETICA NEGLI EDIFICI In Italia, il D.Lgs 192/2005, modificato dal D.Lgs 311/2006 ha recepito la direttiva 2002/91/CE stabilendo i criteri, le condizioni e le modalità per migliorare le prestazioni energetiche degli edifici al fine di favorire lo sviluppo, la valorizzazione e l integrazione delle fonti rinnovabili e la diversificazione energetica. Il decreto contribuisce a conseguire gli obiettivi nazionali in termini di emissioni di gas aeffetto serra posti dal Protocollo di Kyoto. Si sono poste le basi per la Certificazione energetica in edilizia dettando i procedimenti di calcolo e le verifiche da effettuare. L ambito di applicazione è quello delle nuove costruzioni, delle ristrutturazioni totali e parziali, nuova installazione o ristrutturazione integrale di impianti termici e sostituzione di generatori di calore. Il D.Lgs 311/2006 prevede l installazione di impianti solari termici per l acqua calda sanitaria e gli impianti fotovoltaici per la produzione di energia elettrica. Decreto Ministeriale 26/06/2009- Linee guida nazionali per la certificazione energetica degli edifici Direttiva Ue 2010/31/Ue sulla prestazione energetica nell edilizia Incentivi: Finanziaria 2008 per la riqualificazione energetica degli edifici. Quarto Conto Energia /06/11 8

9 EFFICIENZA ENERGETICA NEGLI EDIFICI Prestazione energetica di un edificio In Italia, gli edifici costruiti prima della L. 10/91 hanno consumi energetici di kwh/m²a; quelli dopo la L. 10/ kwh/m²a il D.Lgs 192/05 impone per un edificio in classe C valori che non superino i 70 kwh/m²a. Prenderemo in esame il bilancio energetico dell edificio che deve tener conto di: Conduzione attraverso l involucro; Scambio di aria Guadagno solare attraverso le superfici vetrate Guadagno interno Risorse energetiche ausiliarie Il bilancio energetico dell' intero sistema edificio-impianto è legato al mantenimento delle condizioni climatiche interne. L energia necessaria può provenire dall' energia primaria (combustibile ed energia elettrica) sia da apporti gratuiti come l' irradiazione solare e gli apporti connessi con le attività svolte all' interno dei locali. Si hanno due tipologie di apporti energetici, quelli che hanno un costo (da ridurre) e quelli gratuiti (da massimizzare). In sede di progettazione questo implica un' analisi congiunta delle componenti architettonica, strutturale ed impiantistica. 01/06/11 9

10 EFFICIENZA ENERGETICA NEGLI EDIFICI In inverno il calore dell impianto termico deve compensare la quantità di calore che viene dispersa In estate è necessario bloccare gli apporti di calore esterni per evitare un ulteriore surriscaldamento. 01/06/11 10

11 EFFICIENZA ENERGETICA NEGLI EDIFICI Il calore si disperde attraverso: le pareti opache; i serramenti; le coperture; i solai interpiano che confinano con ambienti a temperatura più bassa; le pareti che delimitano l ambiente verso locali non riscaldati o riscaldati a temperatura inferiore; la ventilazione. Parametri che influenzano le performance energetiche di un edificio Ruolo fondamentale è svolto dall isolamento termico dell involucro e dall impermeabilità all aria 01/06/11 11

12 EFFICIENZA ENERGETICA NEGLI EDIFICI I parametri che entrano in gioco nella progettazione per ottenere un basso consumo energetico perché influenzano le performance di un edificio sono: - la coibentazione termica dell edificio (incremento nell uso di materiali isolanti); -un corretto orientamento dell edificio rispetto al sole; -un corretto rapporto tra le parti vetrate, parti opache dell involucro; -lo sfruttamento passivo dell energia solare tramite vetrate rivolte a sud (schermabili in estate); -l uso di collettori solari per la produzione di acqua calda e di pannelli fotovoltaici per la produzione di energia elettrica (sfruttamento attivo dell energia solare); -l uso di sistemi impiantistici basati su energie rinnovabili o ad alto rendimento energetico 01/06/11 12

13 EFFICIENZA ENERGETICA NEGLI EDIFICI La progettazione deve essere attenta a: Clima locale (temperatura, umidità relativa, ventosità e irraggiamento solare); Sito (ombreggiamento e morfologia); Forma compatta Destinazione d uso Distribuzione e orientamento dei sistemi di protezione dall irraggiamento nel periodo estivo Uso passivo dell energia solare Uso di tecnologie solari attive Uso di tecnologie ad alto rendimento 01/06/11 13

14 EFFICIENZA ENERGETICA NEGLI EDIFICI Fattori determinanti per il profilo energetico di un edificio I requisiti dominanti che un edificio energeticamente efficiente deve avere sono legati a: Condizioni climatiche del sito Forma e orientamento Isolamento termico e assenza di ponti termici Impermeabilità dell involucro Parti finestrate correttamente progettate Illuminazione Ventilazione controllata con recupero di calore Impiantistica Utilizzo di fonti rinnovabili per il riscaldamento e produzione ACS 01/06/11 14

15 EFFICIENZA ENERGETICA NEGLI EDIFICI Condizioni climatiche del sito È importante prendere in considerazione tutti gli elementi che caratterizzano il sito in cui verrà collocato l edificio. I fenomeni metereologici che influiscono maggiormente nella progettazione sono: Temperatura dell aria; Precipitazioni; Umidità relativa; Stato del cielo; Regime dei venti; Radiazione solare. Altri fattori morfologici sono: Altitudine e rilievi; Cliviometria; Orientamento dei pendii; Altri fattori che influiscono sono: Suolo ed effetto albedo; Corsi d acqua; Vegetazione per l ombreggiamento, l effetto frangivento e il raffrescamento estivo naturale 01/06/11 15

16 EFFICIENZA ENERGETICA NEGLI EDIFICI Forma e orientamento La forma di un edificio influisce in maniera determinante sulle dispersioni attraverso l involucro. Maggiore è la superficie che racchiude il volume riscaldato e maggiore sarà lo scambio. Per risultare energeticamente efficiente un edificio deve avere: un basso indice di compattezza ( ) (rapporto S/V); Assenza o bassa % di sporgenze e rientranze Per l orientamento, una buona parte del fabbisogno energetico potrebbe essere coperta dagli apporti solari. Dal punto di vista architettonico ciò implica grosse vetrate verso sud e aperture ridotte sul lato nord. Ne deriva una disposizione interne dei locali opportuna: Ambienti con maggiori esigenze di comfort a sud; Camere da letto a sud-est; Spazi di studio a sud-ovest; Ambienti di servizio a nord. 01/06/11 16

17 EFFICIENZA ENERGETICA NEGLI EDIFICI Caratteristiche termiche dell involucro e isolamento Le caratteristiche che influiscono sul comportamento termoigrometrico degli elementi che compongono un edificio sono: Resistenza termica; Ponti termici; Capacità termica; Inerzia termica; Permeabilità al vapore. L isolamento termico è la soluzione più efficace ed economica per la riduzione del fabbisogno termico. In genere si pensa all isolamento in riferimento all isolamento dal freddo e poco al comportamento nel periodo estivo. L isolamento si valuta tramite la trasmittanza termica unitaria U. Bisogna tener conto anche dell inerzia termica, effetto combinato dell accumulo e della resistenza termica. 01/06/11 17

18 EFFICIENZA ENERGETICA NEGLI EDIFICI Prestazione energetica di un edificio 01/06/11 18

19 EFFICIENZA ENERGETICA NEGLI EDIFICI Diversi sono i sistemi di isolamento di pareti verticali e coperture. Fra questi cappotto esterno e interno, isolamento nell intercapedine, parete ventilata. 01/06/11 19

20 EFFICIENZA ENERGETICA NEGLI EDIFICI Isolamento di coperture piane, solai interpiano e non riscaldati 01/06/11 20

21 EFFICIENZA ENERGETICA NEGLI EDIFICI Applicazioni per coperture a falde 01/06/11 21

22 EFFICIENZA ENERGETICA NEGLI EDIFICI Isolamento delle finestre È importante migliorare la tenuta all aria dei serramenti e ridurre le dispersioni o i rientri di calore attraverso i vetri e i cassonetti. La trasmissione termica attraverso i vetri avviene per: Cessione di calore dalla stanza verso il vetro; Cessione di calore attraverso il vetro; Cessione di calore dalla superficie esterna del vetro verso l ambiente esterno. Il vetro monolitico offre una scarsa resistenza. Un modo per incrementarla è aggiungere un altro vetro con intercapedine che fornisce un ulteriore strato resistente (o utilizzare vetri speciali o gas diversi nell intercapedine o vetri tripli) 01/06/11 22

23 EFFICIENZA ENERGETICA NEGLI EDIFICI Ponti termici Il calcolo delle dispersioni termiche in genere si effettua con ipotesi di regime termico stazionario (temperature int ed est costanti). In realtà questa ipotesi non si verifica per la non omogeneità della parete, per la disomogeneità termica degli strati o geometrica di punti particolari (nodi d angolo, pilastri, giunti,.). La presenza di un ponte termico comporta una diversa distribuzione delle temperature che provoca un aumento del calore disperso e può portare alla formazione di condense superficiali con formazione di muffe. 01/06/11 23

24 EFFICIENZA ENERGETICA NEGLI EDIFICI Ventilazione L enorme incremento della domanda di climatizzazione estiva ha messo in risalto l aspetto della ventilazione, naturale o meccanica, in relazione al comfort e benessere termoigrometrico in quanto influisce sui valori di temperatura, velocità e umidità relativa dell aria. I sistemi di ventilazione vengono normalmente classificati in: Ventilazione naturale (effetto camino); Ventilazione meccanica; Ventilazione ibrida. 01/06/11 24

25 EFFICIENZA ENERGETICA NEGLI EDIFICI In genere l' attenzione dei progettisti è rivolta maggiormente alle nuove costruzioni per le infinite soluzioni tecniche percorribili mentre gli interventi di recupero si devono conciliare con i vincoli posti dal preesistente. La riqualificazione energetica deve tener conto degli aspetti di massima funzionalità (oltre a ridurre i consumi deve assolvere altre funzioni di importanza e interesse); integrazione architettonica, adeguamento alle norme vigenti e convenienza economica. Le tipologie di intervento + ricorrenti riguardano la riduzione dei fabbisogni con interventi sull' involucro; interventi di efficienza sugli impianti convenzionali; utilizzo di fonti rinnovabili. 01/06/11 25

26 EFFICIENZA ENERGETICA NEGLI EDIFICI Esempio di intervento di isolamento / coibentazione per edificio esistente 01/06/11 26

27 Edifici energeticamente efficienti Sono considerati edifici energeticamente efficienti gli edifici a basso consumo energetico, gli edifici passivi e gli edifici a consumo energetico zero. Un indicatore dell'efficienza energetica degli edifici è il fabbisogno energetico per metro quadrato e anno (khw/m 2 a) necessario per il riscaldamento e la produzione di acqua calda. Nelle regioni climatiche caratterizzate da estati caldi sarebbe da includere anche il fabbisogno energetico per il raffrescamento estivo. Includendo inoltre il consumo energetico dell illuminazione e degli apparecchi elettrici, ottenendo così un indicatore energetico complessivo. Edifici convenzionali non corrispondenti alle normative sul risparmio energetico Edifici convenzionali corrispondenti alle più recenti normative Edifici a basso consumo energetico Edifici passivi < 15 Edifici a consumo energetico zero 0 01/06/11 I consumi energetici (riscaldamento) in (khw/m 2 a) 27

28 Progetti Alcuni esempi di progettazione attenta ai consumi energetici e al comfort ambientale, sfruttando la risorsa CLIMA. Fonte: ENEA (Ente per le nuove tecnologie, Energia e Ambiente) 01/06/11 28

29 Progetti CENTRO RICERCHE A GARSTON GB-Feilden Clegg Architects 01/06/11 29

30 Progetti Camino solare 01/06/11 30

31 Progetti SURREY HILLS HOUSE Melbourne, Austrialia 01/06/11 31

32 Progetti SURREY HILLS HOUSE 01/06/11 32

33 Progetti SURREY HILLS HOUSE 01/06/11 33

34 Progetti BERLINO SEDE DEBIS Vista doppiapelle prospetto 01/06/11 34

35 Progetti AMBURGO DEUTSCHER RING 01/06/11 35

36 Progetti Nottingham GB Section Diagram Showing Façade Strategies 1. Integrated lightshelf shades space in the perimeter zone and reflects light into the space. 2. Light-colored ceiling improves reflectance of daylight High ceiling (3.2 m) helps with thermal stratification. Exposed concrete soffit acts as thermal mass, absorbing daytime heat gain. 3. Triple glazing with between-pane adjustable blinds 4. Balcony and shading devices. 5. Fresh-air inlet with occupant-controlled fans allow windows to be closed in winter or to protect outside noise from entering the space. 6. External brick piers provide lateral solar shading. 01/06/11 36

37 Progetti Quartiere Kronsberg - Hannover Obiettivo: Creare un quartiere a basso consumo energetico e ridurre del 60% i consumi e le emissioni di CO 2. 01/06/11 37

38 Quartiere Kronsberg - Niedrigenergiehäuser Consumo massimo ammesso: 55 kwh/m 2 a 01/06/11 38

39 Progetti SOLUZIONI E INTEGRAZIONE 01/06/11 39

40 Progetti SOLUZIONI E INTEGRAZIONE 01/06/11 40

41 Quartiere Kronsberg - Passivehäuser CONSUMO MASSIMO AMMESSO 15kWh/mq 01/06/11 41

42 Energie Plus Haus 01/06/11 42

43 Quartiere Vauban - Friburgo Obiettivo: Creare un quartiere a basso consumo energetico e ridurre del 50% i consumi e le emissioni di CO 2. 01/06/11 43

44 Quartiere Vauban - Niedrigenergiehaus Consumo massimo: 50 kwh/m 2 a 01/06/11 44

45 Quartiere Vauban - Passivehaus Consumo massimo: 15 kwh/m 2 a 01/06/11 45

46 Quartiere Vauban - Passivehaus Consumo massimo: 15 kwh/m 2 a 01/06/11 46

47 Quartiere Vauban - Plusenergiehäuser Producono più energia di quanto ne consumano 01/06/11 47

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49 APPLICAZIONI INTEGRATE DEL FOTOVOLTAICO ESEMPI E PARTICOLARI TECNOLOGICI 01/06/11 49

50 Prototipo di facciata pv 01/06/11 50

51 INTEGRAZIONE PV E VENTILAZIONE filtro aria pannello isolante intercapedine ventilata persiana alla veneziana doppio vetro isolante vetro esterno normale o fotovoltaico semitrasparente ventilazione naturale (effetto camino) o forzata vetro esterno fotovoltaico opaco filtro aria pannello isolante sistema orientamento lamelle lamelle riflettenti doppio vetro isolante vetro esterno trasparente intercapedine ventilata lamelle fotovoltaiche ventilazione naturale (effetto camino) o forzata filtro aria filtro aria ingresso aria 01/06/11 51

52 NICOLAS GRIMSHAW & PARTNERS BRITISH PAVILLON SIVIGLIA, /06/11 52

53 PARTICOLARI 01/06/11 53

54 JOURDA & PARRAUDIN ARCHITECTS MONT CENIS ACADEMY HERNE, Germania 1999 Integrazione in facciata e in copertura 01/06/11 54

55 ROLF + HOTS SOLAR FABRIK FRIBURGO, Germania /06/11 55

56 Riferimenti bibliografici AA.VV., Architettura solare, CLUP, Milano 1985 Benedetti Cristina, Manuale di architettura bioclimatica, Maggioli, Rimini 1994 Butera Federico, Architettura e Ambiente, Etas Libri, Milano 1995 Del Bino Delfo, Di Sivo Michele, Santi Fedelina, Clima ed edilizia, Alinea, Firenze 1984 ENEA, Manuale di risparmio energetico in edilizia, Edizioni ENEA, Roma 1991 ENEA, Promozione del risparmio energetico nel settore civile e nel terziario, Edizioni ENEA, Roma 1990 ENEA, Indirizzi per la progettazione bioclimatica degli edifici, Edizioni ENEA, Roma 1998 Faconti Daniela, Piardi Silvia (a cura di), La qualità ambientale degli edifici, Maggioli, Rimini 1998 Falasca Carmine, Dal clima alla tipologia edilizia, Alinea, Firenze 1984 Gallo Concetta (a cura di), Architettura bioclimatica, Roma 1995 Grosso Mario, Il raffrescamento passivo degli edifici, Maggioli, Rimini 1997 Gruppo Energia Solare dell Università di Napoli, Il clima come elemento di progetto nell edilizia, Liguori, Napoli 1977 Isard Jean Louis, Guyot A., Architettura bioclimatica, CLUP, Milano 1982 Mazria Edward, Sistemi solari passivi, Muzzio, Padova 1990 Olgyay Victor, Progettare con il clima, Muzzio, Padova 1990 Peretti A., Simonetti P. (a cura di), Edilizia e Ambiente, Atti del Convegno febbraio 1998, Trento Wienke Uwe, Manuale di bioedilizia, DEI, Roma /06/11 56