FABBISOGNO E CLASSE ENERGETICA IN UN EDIFICIO RESIDENZIALE CONFRONTO TRA DIVERSE CONFIGURAZIONI IMPIANTISTICHE

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1 FABBISOGNO E CLASSE ENERGETICA IN UN EDIFICIO RESIDENZIALE CONFRONTO TRA DIVERSE CONFIGURAZIONI IMPIANTISTICHE

2 Con l emanazione del D.Lgs. 192/2005 (a sua volta riferito alla direttiva CE 2002/91) e di leggi regionali del settore, sono stati prefissati alcuni obiettivi relativi: al contenimento dei consumi di energia degli edifici mediante il perfezionamento del sistema involucro-impianto termico, al fine della relativa riduzione, in particolare per quella di origine fossile (gas e petrolio); allo sviluppo delle fonti di energia rinnovabili; al miglioramento delle condizioni di sicurezza, benessere abitativo e compatibilità ambientale; all utilizzo dell energia; alla promozione di adeguati livelli di qualità dei servizi di diagnostica energetica, analisi economica, progettazione e installazione, esercizio e manutenzione degli impianti termici. In vista di tale finalità si richiama l esigenza di ridurre le dispersioni di calore, di ottenere migliore efficienza degli impianti tecnologici e di valorizzare l utilizzo delle fonti di energia rinnovabili.

3 La classificazione energetica La classificazione energetica suddivide gli edifici in classi, in base al consumo di energia riferito alla superficie utilizzabile e quindi climatizzata (fabbisogno annuo di energia primaria), espresso con l indice kwh/mq/anno. Essa suddivide gli edifici secondo le relative prestazioni in sette classi rispettivamente denominate A), B), C), D), E), F), G). La base di partenza rimane sempre il fabbisogno di energia primaria e dipende esclusivamente dalle caratteristiche di coibentazione dell involucro. Per la determinazione della classe al fabbisogno vengono detratti gli apporti gratuiti delle fonti rinnovabili. Perciò tale valore potrebbe trarre in inganno sulla reale bontà dell isolamento dell involucro in quanto, grazie alle fonti rinnovabili, un edificio poco isolato potrebbe risultare in classe A o A+.

4 Il Fabbisogno energetico Il calcolo del fabbisogno energetico deve individuare la prestazione energetica di ogni singolo impianto (per esempio: climatizzazione invernale ed estiva atta a garantire un pieno comfort o benessere termico, acqua calda igienico-sanitaria, ventilazione, umidificazione/deumidificazione) per poi procedere alla relativa sommatoria e deve tener conto delle caratteristiche termo-igrometriche dell edificio. Tale valore è la risultanza della bontà dell isolamento termico dell involucro essendo la sommatoria di tutti gli elementi disperdenti del fabbricato. Esso rappresenta la base di calcolo per poter procedere al dimensionamento dei terminali di erogazione per il riscaldamento ambientale.

5 Il fabbisogno energetico specifico dell involucro ( EPi invol) Le prestazioni energetiche dell intero organismo edilizio dipendono dall efficienza dell involucro chiamato a circoscriverlo, se le componenti di chiusura (verticali, orizzontali, trasparenti, opache) non sono state progettate e realizzate in maniera consona alle prestazioni energetiche dell edificio, le dispersioni dei flussi di calore passanti attraverso le stesse ne comprometteranno i consumi energetici finali. I materiali componenti un involucro che separa due ambienti a temperature differenti offrono una resistenza al passaggio del calore che varia in relazione diretta allo spessore del materiale e in relazione inversa alla sua facilità a trasmettere il calore (trasmittanza) La trasmittanza termica (U) (W/m²K), o coefficiente globale di trasmissione del calore interno-esterno è definita dalla norma UNI 7357 come il flusso di calore che passa da un locale all esterno (o ad un altro locale) attraverso una parete per mq di superficie della parete e per K di differenza tra la temperatura del locale e la temperatura esterna, o del locale contiguo. La conducibilità termica (l) (W/(m K)) di un materiale indica il flusso di calore che, in condizioni stazionarie, passa attraverso uno strato unitario di materiale in presenza di una differenza unitaria di temperatura tra le due facce opposte del materiale considerato. La conduttività dipende dalla porosità (densità) e dal contenuto igrometrico del materiale. La resistenza termica (R) (m²k/w) totale di una parete, che è ovviamente l inverso della trasmittanza termica, sarà dunque data dalla somma delle differenti resistenze che il flusso di calore incontrerà lungo il percorso dall elemento più caldo a quello più freddo. Componenti del Fabbisogno energetico

6 Il fabbisogno di energia primaria specifico per la climatizzazione invernale (Epi) rappresenta la quantità di energia primaria globalmente richiesta, nel corso di un anno, per mantenere negli ambienti riscaldati la temperatura di progetto, in regime di attivazione continuo. Calcolato in base alle dispersioni dell edificio nelle modalità specificate dalle Normative vigenti in materia. Tale valore rappresenta l energia necessaria e dipende dalle caratteristiche dell impianto termico realizzato (rendimenti). Non rappresenta le dispersioni del fabbricato, ma l energia necessaria dipendente dalla tipologia di impianto realizzato, a sopperire alle dispersioni dell involucro edilizio. Componenti del Fabbisogno energetico

7 Il fabbisogno energia primaria specifico per la produzione di acqua calda sanitaria (EPacs) rappresenta la quantità di energia primaria per il riscaldamento dell acqua sanitaria determinato, come previsto dalle Normative vigenti, in base alla superficie dell unità immobiliare, destinazione d uso, n. di persone, quantità acqua consumata procapite giornaliera, ecc. Il contributo energetico specifico dovuto alle fonti rinnovabili fonti energetiche rinnovabili o fonti rinnovabili: le fonti energetiche rinnovabili non fossili (eolica, solare, geotermica, del moto ondoso, maremotrice, idraulica, biomasse, gas di discarica, gas residuati dai processi di depurazione e biogas). Tale contributo si distingue principalmente in due settori: solare termico a servizio del riscaldamento dell acqua sanitaria e per l integrazione all impianto di riscaldamento; solare fotovoltaica a servizio di apparecchiature funzionanti ad energia elettrica. Da notare che il contributo dato dalle fonti energetiche rinnovabili solari varia in base alla situazione geografica. Componenti del Fabbisogno energetico

8 Il fabbisogno specifico globale di energia primaria (EPgl) fabbisogno annuo di energia primaria è la somma dei fabbisogni precedentemente elencati, il valore risultante indica la Classe del Fabbricato. Rappresenta la prestazione dell intero involucro (edificio+impianto+ fonti energetiche rinnovabili) Il Fabbisogno Globale di Energia potrebbe trarre in inganno non permettendo all acquirente un esatta valutazione della bontà dell involucro. Il valore fondamentale e la base di partenza deve essere la bontà dell involucro edilizio; solamente in seguito potranno migliorare il sistema con l adozione di soluzioni innovative e tecnologiche atte al miglior sfruttamento dell energia. L energia elettrica (rinnovabile) prodotta dai pannelli fotovoltaici, se presenti, è sottratta al fabbisogno elettrico. Nel caso di utilizzo simultaneo dei pannelli fotovoltaici e sistemi alimentati con energia elettrica, per la valutazione finale si procede alla sottrazione dell energia elettrica da rinnovabile dapprima dall energia netta per il riscaldamento, poi da quella per l acqua calda sanitaria e infine da quella necessaria per soddisfare altri carichi elettrici. Componenti del Fabbisogno energetico

9 Esempio fabbricato residenziale EMISSIONI DI CO kgc O2/m²anno PRESTAZIONE ENERGETICA RAGGIUNGIBILE kwh/m²anno >600 0 PRESTAZIONE ENERGETICA GLOBALE kwh/m²anno LIMITE DI LEGGE >300 0 PRESTAZIONE RAFFRESCAMENTO kw h/m²anno >300 0 PRESTAZIONE RISCALDAMEN TO kw h/m²anno >36 0 PRESTAZIONE ACQUA CALDA kwh/m²anno

10 A+ < kwh/m²anno A < kwh/m²anno kwh/m²anno B < kwh/m²anno C D < kwh/m²anno < kwh/m²anno Riferimento legislativo kw h/m²anno E < kw h/m²anno F < kw h/m²anno G > kw h/m²anno

11 Il calcolo delle dispersioni termiche dell edificio per distribuzione e ventilazione rappresenta il fabbisogno massimo per il riscaldamento ambientale alle condizioni della temperatura interna pari a 20 C ed esterna pari a -5 C (per la zona climatica E). Il valore della temperatura esterna varia a seconda dell area geografica. Tale valore nella relazione tecnica viene espresso con il simbolo Qh (Fabbisogno utile di energia termica per il riscaldamento kwh) Nella progettazione di un impianto la base di partenza al fine del dimensionamento dei terminali è costituita dal fabbisogno energetico del fabbricato dal quale si ricava la potenza necessaria in ogni singolo locale, e non dalla classe energetica, in quanto quest ultima individua il fabbisogno di energia primaria al netto degli apporti positivi delle fonti rinnovabili e non le dispersione termiche reali del singolo ambiente. In fase di dimensionamento dell impianto il valore dovrà essere aumentato per tener conto dell intermittenza del funzionamento, della messa a regime e dell eventuale desiderio del cliente di avere all interno una temperatura ambiente più elevata rispetto a quanto previsto dalla normativa (esempio. 22 C invece di 20 C nella zona giorno, 24 C nei servizi igienici, )

12 Il Coefficiente di Prestazione COP dell'inglese "Coefficient of Performance", ossia "Coefficiente di Prestazione". Capita ormai di incontrarlo spesso quando si parla di freeenergy, mentre sinora era usato perlopiù solo da chi lavora con le pompe di calore (frigoriferi, condizionatori, ecc.). In sostanza, è un modo per misurare le prestazioni di un dispositivo. Per spiegare il COP bisogna tenere bene a mente il concetto di ambiente, cioè dello spazio fisico attorno al dispositivo, perchè il coefficiente di prestazione dà appunto la misura dell'efficienza energetica in rapporto all'ambiente. Pensando un attimo ad una pompa di calore, è evidente che il suo funzionamento risente moltissimo della differenza di temperatura alla quale si trovano i due ambienti tra i quali il calore deve essere trasportato, perchè il lavoro da fare sarà diverso se attorno al dispositivo ci sono 10 o 40 centigradi.

13 Il Coefficiente di Prestazione Infatti il COP medio di una pompa di calore di solito è circa 4, dipendendo dalla differenza delle temperature esterne per pompe di calore ad acqua, del terreno per pompe geotermiche, ecc. Il coefficiente di prestazione (COP) di un generatore può essere definito come l'energia utile totale all'uscita, diviso la sola energia immessa dall'operatore per il suo funzionamento. Viene specificato "dall'operatore" per escludere quella che in varia misura potrebbe entrare in gioco dall'ambiente circostante. Nel caso di un impianto radiante elettrico a pavimento si eliminano i passaggi per arrivare all emissione di energia termica negli ambienti (riscaldamento fluido, ) Ecco perché risulta importante che nella Targa Energetica appaia l indicatore relativo al fabbisogno specifico energetico dell involucro EPi.

14 I dati finali Nella relazione finale per il fabbisogno di energia primaria si deve tener conto delle fonti rinnovabili installate nel fabbricato, esempio: Unità residenziale con superfcie netta di 240 mq Fabbisogno di energia primaria del fabbricato pari a 19,00 kwh/mq anno Installazione di pannelli fotovoltaici per la produzione di kwh dedicati all impianto termico Dalle seguenti formule ricaviamo: L energia rinnovabile dei pannelli fotovoltaici per mq dell unità residenziale 2500 kwh/240mq= 10,42 kw/mq anno Il fabbisogno energetico totale dell unità immobiliare ((19 Kwh/mq x 240 mq) kwh)/240 mq = 8,58 kw/mq anno

15 Tipologie di impianto per ottimizzare il risparmio Confrontando un impianto radiante a pavimento ad acqua calda e un impianto radiante elettrico, si trovano numerosi vantaggi a favore di quest ultima soluzione. Per prima cosa, nel caso di un impianto ad acqua il numero di passaggi da effettuare per passare dall energia primaria (ad esempio gas metano o gasolio per l alimentazione del gruppo termico) è considerevole. Ogni passaggio comporta delle perdite di energia dovute ai vari rendimenti:

16 Rendimento di produzione (ηp): è definito dal rapporto tra energia primaria fornita al generatore di calore ed energia in uscita dal generatore. Esso è condizionato da vari elementi, come le perdite di calore dal mantello (il calore prodotto riscalda anche i vari componenti che compongono il gruppo termico, i quali poi cedono questo calore all ambiente circostante), le perdite di combustione (dovuto al mancato recupero del calore contenuto nei prodotti della combustione), le perdite al camino con bruciatore spento (causate dal tiraggio naturale che si instaura a bruciatore spento, in questo caso l aria che penetra nella caldaia assorbe parte del calore presente nella camera di combustione e lo disperde poi nell atmosfera). Rendimento di regolazione (ηrg): un sistema di regolazione che risponde male e in ritardo rispetto alle richieste genera oscillazioni della temperatura interna, con conseguente aumento della potenza dispersa rispetto a quella teorica definibile in base a una temperatura interna costante. Questo valore dipende dal tipo di regolazione impiegata, dal tipo di regolatore installato e dalle caratteristiche dell impianto di riscaldamento. Rendimento di distribuzione (ηd): tiene conto delle perdite di energia termica della rete di distribuzione (come le tubazioni presenti in centrale termica, le tubazioni di collegamento ai collettori dell impianto a pavimento) verso l esterno e quindi non utilizzabile dagli ambienti. Rendimento di emissione (ηe): stima le dispersioni di energia verso l esterno o verso gli ambienti non riscaldati (come ad esempio il calore ceduto alla parte del solaio sottostante le tubazioni dell impianto a pavimento) provocato dallo stesso terminale di emissione.

17 A causa di tutti questi passaggi l energia necessaria per il riscaldamento con un impianto a pavimento ad acqua è molto superiore a quella poi realmente rilasciata negli ambienti. Nel caso invece di un impianto radiante elettrico l energia primaria è costituita dall energia elettrica normalmente utilizzata nelle situazioni domestiche. L energia elettrica riscalda la resistenza annegata nel pavimento, che cede così il calore all ambiente. Come è facile notare il numero di passaggi è notevolmente ridotto rispetto ad un impianto radiante ad acqua, e di conseguenza l energia primaria necessaria non è condizionata da tutti i rendimenti sopra esposti. La soluzione elettrica comporta quindi tempi di attesa per il riscaldamento dell ambiente molto minori rispetto ad una soluzione con l utilizzo di acqua calda. Basti pensare a tutti i passaggi per il riscaldamento dell acqua, delle tubazioni ed infine del pavimento: il tempo di risposta dell impianto non è veloce come nel caso di una resistenza elettrica, dove in pochi secondi il passaggio dell elettricità nei cavi porta in temperatura il terminale.

18 Inoltre, la resistenza elettrica viene posata appena al di sotto delle piastrelle del pavimento, che costituiscono l unico elemento che si interpone tra il terminale e l ambiente da riscaldare, mente, nell impianto a pavimento ad acqua le tubazioni vengono annegate nel massetto, quindi al momento della richiesta di calore le tubazioni devono riscaldare una massa termica considerevole prima di rilasciare il calore nella stanza. Nella soluzione elettrica è quindi presente un rapporto diretto tra la richiesta di calore e l effettiva emissione di quest ultimo da parte del terminale, rapporto non presente nell impianto ad acqua, nel quale influiscono tutti i tempi necessari per il compimento dei passaggi sopra citati.

19 In generale, i prerequisiti per l adozione di un impianto di riscaldamento totalmente costituito da apparecchi elettrici sono: fabbisogno energetico ambientale per il riscaldamento molto basso (edificio a basso consumo) reattività di erogazione del calore richiesta molto alta (impianto molto reattivo)

20 Un corollario del primo requisito è che, essendo il fabbisogno energetico basso sono richiesti limitati periodi di erogazione del calore (limitato tempo di esercizio dell impianto) e, conseguentemente, il costo dell impianto di riscaldamento deve essere contenuto per garantire un adeguato tempo di ritorno dell investimento.

21 FATTORI DI CONVERSIONE ENERGIA EROGATA - ENERGIA PRIMARA Il valore finale di domanda di energia primaria è fortemente influenzato dal valore assunto dal fattore di conversione da energia erogata e primaria (per esempio considerando l energia elettrica interamente fornita dal sistema produttivo elettrico italiano, il fattore di conversione assume valore superiore a 2,18 in data odierna). E quindi evidente che l impiego di sistemi elettrici risulta fortemente penalizzato per l alto valore del fattore di conversione, questo ancor più acutizzato dal fatto che, erroneamente, le fonti rinnovabili tradizionali (gasolio, metano) sono valorizzate con fattore di conversione pari a 1 (non si considera cioè l energia spesa per il trasporto e del combustibile al punto di erogazione; si fa notare che norma europea EN associa al metano un fattore di conversione pari a 1,36 e associata al gasolio un fattore di conversione pari a 1,48).

22 L' ENERGIA PRIMARIA PER UN IMPIANTO DI RISC. ELETTRICO E' CALCOLATA ALLA FONTE

23 L' ENERGIA PRIMARIA PER UN IMPIANTO DI RISC. A GAS METANO E' CALCOLATA AL CONTATORE In realtà il fattore di conversione alla fonte è pari a 1,36 (NORMA EN 15603)

24 L' ENERGIA PRIMARIA PER UN IMPIANTO DI RISC. A GASOLIO E' CALCOLATA AL SERBATOIO In realtà il fattore di conversione alla fonte è pari a 1,48

25 Comparazione tra un impianto di climatizzazione invernale con impianto radiante a pavimento ad acqua e un impianto radiante a pavimento elettrico In questa analisi è effettuata la comparazione tra un impianto di climatizzazione invernale con impianto radiante a pavimento ad acqua (con gruppo termico funzionante a gas metano) e un impianto radiante a pavimento elettrico, in termini di energia primaria necessaria all impianto.

26 L energia primaria dipende dai rendimenti del sistema impiantistico (emissione, regolazione, distribuzione e produzione) e dal fattore di conversione dell energia erogata in energia primaria, questo proprio della fonte energetica utilizzata e specifico di ogni nazione. Il fabbisogno energetico ambientale diviso per la produttoria dei quattro rendimenti del sistema impiantistico fornisce l energia erogata al sistema; questa, moltiplicata per il fattore di conversione in energia primaria dà come risultato il valore di energia primaria necessario a coprire il fabbisogno energetico ambientale dell edificio. E possibile ottenere uguali valori di energia primaria tra i due sistemi a confronto anche in edifici caratterizzati dallo stesso fabbisogno ambientale, purché parte dell energia erogata al sistema elettrico sia prodotta da fonti rinnovabili (ad esempio un impianto fotovoltaico), le quali non incidono sulla valutazione dell energia primaria. Nelle ipotesi sotto riportate si può notare che l energia erogata al sistema elettrico è nettamente inferiore a quella erogata al sistema idronico, per effetto del miglior rendimento del primo sistema; tuttavia al fine di ottimizzare l utilizzo di energia primaria, circa il 25% dell energia erogata al sistema elettrico è auspicabile venga prodotta da fonti rinnovabili, al fine di conseguire un dovuto risparmio energetico. Aumentando il contributo dovuto alle fonti rinnovabili (nella seconda ipotesi si è portato il contributo del fotovoltaico fino a circa il 50% dell energia erogata), si nota immediatamente che l energia primaria necessaria al sistema si riduce notevolmente in fonte di reddito. La stessa analisi è stata effettuata anche per la singola unità immobiliare. Si ricorda, l obbligatorietà dell installazione di sistemi di energia rinnovabile (in considerazione al regolamento nazionale e/o locale).

27 CONFRONTO FRA IMPIANTI FABBRICATO RESIDENZIALE CON PIU UNITA' ABITATIVE CARATTERISTICHE FABBRICATO Superficie fabbricato - mq Volume fabbricato - mc Unità Immobiliari - n. 35 EPI involucro (indice di prestazione energetica per la climatizzazione invernale solo involucro) - 24 kwh/mq anno

28 Calcolo dell'energia Erogata in base al fabbisogno Energetico e ai rendimenti In base al calcolo dei rendimenti sono necessari kwh per un impianto elettrico TT kwh per un impianto radiante alimentato a gas

29 Seguono quattro ipotesi per il calcolo dell'energia primaria: 1 - Prelievo dell'energia per l'impianto elettrico completamente da rete 2 E' presente un impianto fotovoltaico tale da coprire il 25% del fabbisogno 3 E' presente un impianto fotovoltaico tale da coprire il 50% del fabbisogno 4 Prelievo dell'energia per l'impianto elettrico completamente da rete e considerazione della norma EN nel caso di impianto a gas

30 IPOTESI 1 : FOTOVOLTAICO NON INSTALLATO

31 IPOTESI 2 : FOTOVOLTAICO INSTALLATO PER UN CONTRIBUTO DEL 25% DEL FABBISOGNO ENERGETICO

32 IPOTESI 3 : FOTOVOLTAICO INSTALLATO PER UN CONTRIBUTO DEL 50% DEL FABBISOGNO ENERGETICO

33 IPOTESI 3 : FOTOVOLTAICO INSTALLATO PER UN CONTRIBUTO DEL 50% DEL FABBISOGNO ENERGETICO

34 IPOTESI 4 : CON FATTORE CONVERSIONE METANO SECONDO STANDARD EUROPEI (fotovoltaico non installato)

35 IPOTESI 1 : FOTOVOLTAICO NON INSTALLATO

36 IPOTESI 2 : FOTOVOLTAICO INSTALLATO PER UN CONTRIBUTO DEL 25% DEL FABBISOGNO ENERGETICO

37 IPOTESI 3 : FOTOVOLTAICO INSTALLATO PER UN CONTRIBUTO DEL 50% DEL FABBISOGNO ENERGETICO

38 IPOTESI 4 : CON FATTORE CONVERSIONE METANO SECONDO STANDARD EUROPEI (fotovoltaico non installato)

39 RIEPILOGO VALUTAZIONE ECONOMICA QUESTA SOLUZIONE E' UNA FONTE DI REDDITO NON UN COSTO A PARITA' DI COSTO INIZIALE

40 ESEMPIO UNITA' SINGOLA CONTRIBUTO FOTOVOLTAICO DEL 50%

41 ESEMPIO UNITA' SINGOLA VALUTAZIONE ECONOMICA GESTIONE IMPIANTO A GAS

42 ESEMPIO UNITA' SINGOLA CONTRIBUTO FOTOVOLTAICO DEL 50% VALUTAZIONE ECONOMICA GESTIONE IMPIANTO ELETTRICO

43 ESEMPIO UNITA' SINGOLA CONTRIBUTO FOTOVOLTAICO DEL 50%

44 ESEMPIO ALTRA UNITA' SINGOLA CONTRIBUTO FOTOVOLTAICO DEL 100%

45 ESEMPIO UNITA' SINGOLA VALUTAZIONE ECONOMICA GESTIONE IMPIANTO A GAS

46 ESEMPIO UNITA' SINGOLA CONTRIBUTO FOTOVOLTAICO DEL 100% VALUTAZIONE ECONOMICA GESTIONE IMPIANTO ELETTRICO

47 ESEMPIO UNITA' SINGOLA CONTRIBUTO FOTOVOLTAICO DEL 100% A PARITA' DI COSTO DI IMPIANTO