C. Balocco, G. Grazzini Dipartimento di Energetica, Università degli Studi di Firenze, Via Santa Marta Firenze

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1 TERMODINMIC ED INFORMZIONE ER L USO RZIONLE DELLE RISORSE ENERGETICHE C. Balocco G. Gra Dpartmeto d Eergetca Uverstà degl Stud d Free a Sata Marta Free Rassuto L adooe d ua uova tecologa o d u mx (combaoe d dverse tecologe ovatve) per l rsparmo eergetco e l uso raoale dell eerga co partcolare atteoe alle rsorse rovabl è u processo molto complesso ache a scala rdotta coè a scala urbaa comuale. Coseguetemete è dffcle valutare quato come ed che temp l ovaoe d cu s tratta vee adottata co successo qud rsulta effcace. L ovaoe o è mplctamete coessa alla cooscea: ua tecologa ovatva può essere cooscuta da tempo ma o adottata a causa d u ambete (poltco ecoomco socaleculturale) o favorevole. I questo lavoro presetamo u metodo che cosete d defre e valutare dvers scear d terveto per u pao d aoe falato all uso raoale dell eerga co partcolare atteoe alle rovabl a scala urbaa. Il metodo s basa sull applcaoe della teora dell formaoe. S è defta la sostebltà eergetca base all mpatto ambetale degl us dell eerga espresso term d varaoe dell etropa prodotta ambete comparata alla varaoe dell etropa legata al flusso aturale dell eerga solare. L etropa vee calcolata teedo coto de fabbsog eergetc degl edfc e delle temperature d utlo. Il cofroto fra dvers tervet vee effettuato usado l etropa dell formaoe d Shao. La varaoe d etropa prodotta ambete dal sstema può essere letta come formaoe trasmessa attraverso l cofe del sstema stesso e legata alla sua capactà d rcooscerla ed utlarla. Gl tervet sostebl sarao quell co la more etropa. Itroduoe L orgaaoe urbaa socale e spaale l seme delle ret e delle frastrutture così come le aree edfcate soo sstem compless che dal puto d vsta della termodamca scambao fluss d matera e d eerga co l ambete e possoo essere aalat sa attraverso l rmo che l Secodo rcpo. Compoet baslar de sstem urba soo le persoe l terrtoro gl edfc l seme delle frastrutture fsche e atural la rete d serv e d dspostv tecc gl mpat che teragscoo co l cotoro a sua volta defto da altr sstem compless. Og tpo d processo rchede eerga e questo comporta la sua degradaoe per trasformare materal stat pù utl per le strutture de sstem urba e supportare le loro fuo. Le relao tra la trasformaoe d matera l uso dell eerga la produoe d etropa la geeraoe d scart (calore e matera) e l quameto possoo essere aalat attraverso l approcco forto dalla termodamca: l aals termodamca rchede molta atteoe ella defoe de cofe del sstema term d spao e tempo e la cooscea della forma e della atura de process che avvegoo al suo tero. Molt progett d rcerca e stud el settore hao applcato l secodo prcpo della termodamca all aals de sstem urba soltato poch utlao l approcco suggerto dall etropa d Shao [ ]. Le applcao della teora dell formaoe d Shao dfferet camp soo ote [ ]. Cò è dovuto alla possbltà d defre e quatfcare la coessoe tra l formaoe e l etropa termodamca. Il problema base d tutte queste applcao rguarda l cofroto l aals e l terpretaoe de rsultat. I questo artcolo per defre u metodo utle alla valutaoe della sostebltà d tervet o d loro combao volt all uso raoale dell eerga u area urbaa edfcata utlamo la metodologa proposta da Butera [3 4 5]. Defamo la sostebltà eergetca [6] come basso mpatto ambetale ell'uso cotuato dell eerga. La valutaoe delle varao dell etropa termodamca d u sstema legate alle rreversbltà de process può essere espressa come ua msura della varaoe dell etropa egatva (eg-etropa) o formaoe del sstema stesso. La coessoe tra fluss d etropa e d eg-etropa mostra che uo de pù teressat aspett dell aals de sstem urba eergetc è l cocetto d rsorsa. er u qualsas sstema termodamco le rsorse soo fluss d eg-etropa. Questa lettura derva dall applcaoe della teora dell Iformaoe alle damche d sstem compless seguedo l approcco suggerto da Brllou [7 8] e s rtrova ell area de sstem fsc ed ecologc [3 2]. La metodologa suggerta da Butera [3 4 5] è stata utlata per l aals ed l cofroto d dverse soluo d terveto o combao d soluo progettual specfche da attuars su u area urbaa edfcata falate all uso raoale delle rsorse eergetche. La loro sostebltà eergetca è stata qud msurata term d bassa etropa prodotta. Il cotesto L etropa d Shao può essere usata per quatfcare gl effett d alcue soluo progettual d terveto sugl edfc e sugl mpat d u area urbaa valutado cambamet ella struttura e ella sostebltà eergetca d quest ultma. Da u puto d vsta termodamco cò sgfca dvduare e valutare dfferet soluo d terveto che comportao basso mpatto ambetale e qud pù grade sostebltà eergetca [6]. er l secodo prcpo della termodamca l uverso o qualsas sstema solato spotaeamete tede a stat co pù alta etropa ma sottosstem o solat d esso possoo evolvere verso stat ad etropa more: tal soo ad esempo le pate che costtuscoo sstem compless rcch d formaoe e combustbl fossl che provegoo da process altrettato compless d trasformaoe delle pate. I combustbl fossl soo usualmete utlat come rsorse o rovabl ma dovrebbero essere utlat solo per quegl us fal per

2 qual la qualtà dell eerga mmagaata (formaoe o eg-etropa) è completamete utlata. La dfferee tra la produoe d etropa dovuta ad tervet alteratv sugl edfc ed mpat che può essere ache terpretata come effetto dell fluea atropogeca sulla struttura e sulle fuo d u sstema urbao soo state utlate per stablre la loro sostebltà eergetca. o volte alla programmaoe ed al rsparmo eergetco comportao ua mportate rduoe del flusso d etropa dovuta alle rreversbltà [9 20]. La sostebltà eergetca è strettamete coessa alla pù bassa produoe d etropa d u qualsas progetto e qud alla pù alta etropa egatva (eg-etropy) o formaoe del sstema cu questo deve essere attuato. Esste la ecesstà d u rcooscmeto da parte del sstema delle rsorse eergetche rovabl e strettamete legate al terrtoro e all ambete e delle relatve tecologe perchè questo rappreseta l mglorameto e/o valoraoe della sua capactà d utlarle e d trasferrle ache ell toro (formaoe o eg-etropa). d esempo l eerga solare e la potea dovuta al veto dvetao rsorse eergetche soltato quado l sstema è strutturato per sfruttarl. Questa codoe rchede ua mglore utlaoe de materal e delle rsorse eergetche da parte del sstema e corrspode alla crescta d formaoe che esso corpora. Il cocetto d rsorsa per la teora dell Iformaoe è coesso al cocetto d rcooscmeto e metabolaoe da parte del sstema coè l flusso d etropa egatva che attraversa l suo cofe. I sstem ed l loro ambete soo caratterat da cambamet struttural ed eergetc che l redoo capac d rcooscere uove fot d formaoe rcavate dall ambete: altre parole l ambete camba co l sstema o è percepto come dfferete dal sstema stesso. Og sstema rapporto damco co l ambete è cofltto co quell eccesso d matera d eerga e d formaoe che o possoo essere metabolate od mmagaate: esso deve separare cò che rcoosce come flusso d eg-etropa da cò che o rcoosce come tale coè lo scarto e l rumore. Itedamo qud per sostebltà eergetca la crescta d formaoe complessva d u sstema dovuta all adattameto del coteuto formatvo d ua fote eergetca al coteuto formatvo rchesto dalla sua utlaoe fale: quado questo o accade o c è alcua possbltà d parlare d uso raoale dell eerga co bassa produoe d etropa ambete e qud per l secodo prcpo è approprato parlare d spreco [ ]. oché la fote eg-etropca che almeta l sstema Terra è l eerga solare la reale sostebltà può essere otteuta se la produoe d etropa è pù bassa rspetto al flusso d egetropa proveete dal Sole [23]. Il metodo I rfermeto all applcaoe della teora dell Iformaoe come proposta da Butera [45] ed utlado l approcco d Brllou [78] propoamo u metodo d valutaoe e cofroto d soluo ed tervet progettual che mrao all applcaoe d tecologe d rsparmo eergetco su sstem edfco-mpato ell ottca della sostebltà eergetca d u area urbaa. La modellaoe che s basa sulla tecca matrcale attraverso la programmaoe d fogl d calcolo collegat è lo strumeto utlato el metodo che propoamo e che chameremo metodo d sostebltà etropca ESM. arte fodametale del metodo rguarda la defoe dell obettvo d u progetto e l detfcaoe de compoet del sstema urbao studato covolt ed teressat a questo. La valutaoe degl tervet o mx d soluo progettual per la sostebltà eergetca e qud la coservaoe tegrata dell eerga e la raoalaoe del suo uso può essere realata adado a calcolare l etropa d Shao per cascua teraoe tra attor ao e fattor covolt. Il progetto preso cosderaoe che ha come obettvo la dffusoe ed applcaoe su sstem edfc-mpat d tecologe per l rsparmo eergetco e d stratege (ao) per la coservaoe tegrate dell eerga e l uso delle rovabl covolge dverse combao ed sem d attor operat settor dfferet e d altrettat fattor che rappresetao gl elemet codoat l esto d og aoe ed teressat sa l area edfcata e/o suddvsa oe sa l seme de sstem e sotto-sstem mpatstc. arte crucale del metodo ESM è l detfcaoe de fattor che flueao cascua aoe e degl attor che drettamete o drettamete soo covolt. E stata costruta ua matrce ao-fattor/attor per cascu segmeto cu rsultao collegat eerga/applcaoe/tecologa. Gl attor possoo essere sgol dvdu soggett autoom grupp socal sttuo o rappresetae (ad es. l drettore dell mpresa d costruo l capo catere l drettore de lavor maovalaa specalata e o specalata dvers fortor) che tervegoo ed agscoo drettamete o drettamete u processo o progetto d terveto possoo comuque operare all tero o all estero ed fe possoo ache essere dvers se rfert ad u aoe specfca. La tabella.a mostra le ao quella.b gl attor e fattor che soo covolt ua programmaoe eergetca urbaa. I fattor codoao ed drao l attuabltà delle ao. S soo cosderat come fattor varabl e parametr d carattere strettamete termodamco coess al fabbsogo eergetco degl edfc. I partcolare soo stat cosderat combao d tervet volt alla rduoe del cosumo d eerga per l rscaldameto degl edfc ed alla coservaoe tegrata dell eerga co l applcaoe d tecologe per l mpego delle rsorse rovabl. L seme delle ao de fattor e degl attor covolt el progetto d programmaoe eergetca soo stat accorpat dfferet ma tercoess segmet che collegao eerga/applcaoe/tecologa. La tecca matrcale usata el metodo ESM rchede come secodo passo ua valutaoe quattatva crca l testà delle terao ao/attor e fattor. D solto questa fase vee rsolta attraverso valutao otteute co metod d campoameto statstco ad tervste drette d cosulet edl e d espert del settore mpatstco ed edlo. Queste valutao vegoo qud utlate per assegare u gudo all tero d u campo defto (o peso) a cascua teraoe. La valutaoe quattatva dell mportaa relatva delle terao tra ao e fattor altre parole permette d defre che msura u fattore mplca cascua aoe e quato cde su essa; ovvero quale fattore rsulterà pù o meo crtco per cascua aoe. Nel ostro metodo l testà delle terao ao/fattor (mplcao) è stata msurata co l assegaoe d pes; cascu peso è stato trattato come probabltà d u teraoe tra aoe e fattore cosderat (tab.2). I questo modo è possble valutare l formaoe o eg-etropa (complesstà)

3 d og aoe e d og fattore accordo a quato mostrato tabella 3. I pes che abbamo utlato soo gl dcator termodamc della sostebltà dell uso dell eerga u area urbaa edfcata deft u recete lavoro [6]. ttraverso l applcaoe del secodo prcpo della termodamca soo stat rcavat due parametr admesoal ety ed ety F. Il prmo ety esprme l rapporto tra la varaoe d etropa dovuta alle dsperso termche dell edfco b e la varaoe d etropa al guadago eergetco solare dell area cosderata s. Il secodo ety F è vece defto dal rapporto tra la varaoe d etropa geerate dal sstema d rscaldameto che può utlare dverse fot eergetche b e la varaoe d etropa dovuta al guadago solare dell area. Quest due parametr etropc soo: ety e ety F b s ' b s Quest due parametr atropc soo assut come pes quado le terao tra ao e fattor e comportao la varaoe. Negl altr cas vee utlato come peso la valutaoe d espert. lla fe l valore dell formaoe trasmessa della equvocaoe e dell ambgutà come pure l valore dell formaoe del messaggo e della relatve rsposta soo stat calcolat per og aoe ed og fattore accordo co quato rportato ello schema d tabella 3. Come mostra la tabella 3 () è la probabltà che l aoe -esma (messaggo) vega rcevuta e percepta co u valore del peso dal fattore/attore -esmo. La probabltà è forta dal seguete rapporto: (3) Le terao tra ao e fattor formao ua probabltà codoale che forsce formaoe codoale (tab.3). Cosderado qud tutte le possbltà per le ao e per fattor () rappreseta la probabltà d coessoe dell eveto ( ) l ( ) H ( ) K (4) Il coeffcete postvo dell etropa che corrspode al coeffcete K ell equaoe dell etropa d Shao [4] corrspodete all equaoe (4) è forto da: K (5) () (2) Ua volta calcolata l formaoe assocata rspettvamete a ed la probabltà codoale che forsce l formaoe codoale d cascua teraoe tra aoe/fattore vee calcolata co: ambgutà ( ) l ( ) H ( ) K (6) I prcpal parametr possoo duque essere drettamete calcolat come segue [45]: etropa d tutte le ao Σ H H () (7) etropa d tutt fattor Σ H H() (8) L etropa d cascua aoe cosderata rguarda sa la struttura che l testà delle teraoe tra tutt I fattor/attor e le ao. er ao possbl molto dpedet che hao uguale probabltà codoale l certea (cdea della scelta o crtctà) è pù alta. ertato H è u dcatore d complesstà e sostebltà: rappresetado rsultat co dagramm a barre è possble dvduare le possbl terao tra ao e fattor pù complesse e qud co l pù alto coteuto d ovaoe (coteuto formatvo o egetropa). Queste rappresetao le ao sulle qual sarebbe opportuo tervere prortaramete e pù tesamete. Cooscedo l etropa codoale d cascua teraoe tra ao e fattor è possble calcolare l equvocaoe e l ambgutà coesse: equvocaoe Eq() - ( ) H Σ (9) m() - ( ) H Σ (0) L' formaoe totale trasmessa è forta dall equaoe: T H - H ) H - H () () Σ ( Σ U parametro molto utle da utlare come strumeto decsoale spece ell ambto d u progetto d programmaoe eergetca è la rdodaa R d tutte le terao tra aoe e fattore (process e fas progettual) defta da [5 7 8]: H R - H ( ) 0 (2) dove H() è l valore attuale dell formaoe dell area cosderata e H 0 è l valore massmo of H() come valore otteuto quado tutt fattor e tutte le ao soo equprobabl. Elevata rdodaa mplca alto valore d certea elle terao e qud bassa probabltà d attuaoe d u

4 progetto a meo che l sstema d terao degl attor abba mparato a far frote ad essa. I valor d formaoe de sgol messagg (ao) e delle rsposte (da fattor) soo dc molto mportat. Ess cosetoo d dvduare fattor o gl attor e le ao coesse che potrebbero rsultare pù crtche per l tero progetto. La dstrbuoe de valor d rdodaa per dverse oe urbae cosete d valutare l esto dell tera programmaoe eergetca ache pesado a fas temporal dverse: bass valor d rdodaa dcao la possbltà d alta effcea ed effcaca dell mplemetaoe d u pao d rsparmo eergetco e qud alta probabltà d successo. er questo motvo l prmo obettvo d u progetto d rsparmo eergetco e d uso raoale dell eerga a scala urbaa dovrebbe essere la valutaoe dell testà d quelle terao ao/fattor che permettoo d mmare la rdodaa (coè massmare l formaoe trasmessa) e qud l detfcaoe delle ao pù crtche e meo sostebl. Cocluso Il metodo ESM proposto questo artcolo basato sull applcaoe della teora dell Iformaoe può rsultare uo strumeto utle alla valutaoe d dfferet msure alteratve tervet o loro combao ottmal e programm che putao al trasfermeto/dffusoe d uove tecologe per l rsparmo eergetco e la coservaoe tegrata dell eerga co partcolare atteoe alle rovabl. Questo metodo permetterebbe ad og fase progettuale d cotrollare l esto d tervet e soluo applcatve volte alla rduoe de cosum ed al cotrollo dell mpatto ambetale. ESM forsce oltre ua scala omogeea per la valutaoe d dverse scelte d terveto ed u crtero raoale per collegare ed tegrare queste stesse valutao. Questo metodo o è uo strumeto determstco ma gestoale e decsoale; qud d valutaoe ex-ate per pa d aoe d rsparmo e raoalaoe eergetca. I partcolare l metodo ESM applcato ad aree urbae dversamete edfcate forsce u crtero raoale per cofrotare complesse soluo tecologche che comportao la rduoe delle rreversbltà de process e qud l aumeto dell effcea e della sostebltà. Smbologa m Eq ety H K R S T ambgutà (eq.0) equvocaoe (eq.9) parametro admesoale (eqs.-2) etropa d Shao (formaoe o egetropa) [bt] coeffcete dell etropa d Shao (eq.5) umero (tutte le ao) probabltà rdodaa (eq.2) etropa [J/K] formaoe totale trasmessa (eq.) peso o puteggo umero (rferto a tutt fattor/attor) edc 0 massmo b edfco F rferto alla temperature d combustoe fattore/attore aoe s Sole Bblografa. Gray R.M. Etropy ad formato theory Iteral report Iformato Systems Laboratory Electrcal Egeerg Departmet Statford Uversty New Yor hpps M. Iformato theory ad ladscape aalyss roc.it.cogr. Netherlads Socety for Ladscape Ecology eldhove The Netherlads prl Ruth Matthas Iformato order ad kowledge ecoomc ad ecologcal systems: mplcatos for materal ad eergy use Ecologcal Ecoomcs 3 pp Shao C.E. Weaver W. The Mathematcal Theory of Commucato Uversty of Illos ress Cover T.M. Joy.T. Elemets of Iformato Theory New York Wley Chapma G.. The applcato of formato theory to the aalyss of populato dstrbuto space Ecoomcal Geography 46 (2) suppl. pp Martí M.. Rey J.M. Taguas F.J. etropy-based heterogeety dex for mass se dstrbutos Earth scece Ecologcal Modellg vol. 82 (3-4) pp Takura Y. statstcal measure of complexty wth oextesve etropy hysca Statstcal Mechacs ad ts pplcatos vol 340 (-3) pp Stebor W. Svrehev Y. Etropy as a dcator of sustaablty agro-ecosystems: North Germay case study Ecologcal Modellg 33 pp Ulaowc R.E. Iformato theory ecology Computers ad Chemstry Research Revew 25 pp Wlso E.O. Socobology The ew sythess Zachell Bologa Barras et al. operatoal urba developmet model of Cheshre Evrometal lag 3 pp Barbera G. Butera F.M. Dffuso of ovatve agrcultural producto systems for sustaable developmet of small slads: a methodologcal approach based o the scece of complexty Evrometal Maagemet vol.6.5 pp Butera F.M. Ex ate evaluato of the mplemetato of the Commuty Strategy ad cto la o Reewable Eergy Sources Fal Report MEDE gea Medterraea per le Eerge Rovabl e l cqua Butera F.M. Coflcts betwee physcs ad archtecture solar systems optmato 2d Europea Coferece o rchtecture EC roceedgs of a Iteratoal Coferece held at ars Frace 4-8 December Balocco C. Gra G. Thermodyamc parameters for eergy sustaablty urba areas Solar Eergy ol.69.4 pp

5 7. Brllou L. Scetfc Ucertaty ad Iformato cademc ress New York Brllou L. Scece ad formato theory cademc ress New York fga N.. Carvalho M.G. Hovaa N.. Eergy system assessmet wth sustaablty dcators Eergy olcy 28 pp Ma F. Marte M. Choosg a eergy future: the evrometal mpact of ed use techologes Eergy olcy 27 pp Hammod G.. Towards sustaablty: eergy effcecy thermodyamc aalyss ad the two cultures Eergy olcy pp ye M..O. The cty system ad the use of etropy urba aalyss Urba Ecology 2 pp Kreder J.F. Thermodyamc avalablty of su eergy Eergy olcy vol. () pp Tab.a o u progetto d rsparmo e coservaoe tegrata dell eerga da attuars u area urbaa edfcata ZIONI bbrevaoe 2 3 B B B2 B3 B4 B5 B6 B7 B8 B9 B0 B B2 C C C2 C3 C4 D D D2 D3 D4 D5 D6 D7 E E Descroe Edfc (umerostà e caratterstche d forma) olume edfcato totale araoe della porostà dell area urbaa edfcata Modfcaoe della tpologa d copertura del suolo (varaoe dell albedo) Itervet per guadag termc passv e solare termco Isolameto dell volucro edlo (cobetaoe aggutva d muro tetto e pavmeto) Itervet su festre e serramet o sul tpo d vetro (troduoe d vetr-camera e sosttuoe degl fss) Tecologe solar passve Sosttuoe mpato d rscaldameto (per tutt gl edfc) co caldae ad alta effcea Sosttuoe del geeratore d calore co basse temperature d utlo roduoe d acqua calda per us domestc Sstem collettv ell' area urbaa Rscaldameto degl ambet ell'area urbaa Impato d telerscaldameto all tero dell area urbaa Codoameto dell'ara ell'area urbaa Idustre che usao calore ell'area urbaa Collettor solar roduoe d eerga elettrca da fot rovabl Istallaoe d sstem fotovoltac su tett Istallaoe d sstem fotovoltac tegrat elle faccate degl edfc Istallaoe d mcro-turbe eolche egl edfc Forma aerodamca degl edfc Cogeeraoe CH Sstem d mcrocogeeraoe tegrat CH all tero d uo o pù quarter Sstem d cogeeraoe d meda tagla CH all tero d uo o pù quarter Sstem d cogeeraoe d larga tagla CH all tero d uo o pù quarter Sstem d rscaldameto autoomo per gl edfc d alcue aree e/o quarter Sstem d rscaldameto cetralato per gl edfc d alcue aree e/o quarter Impat d telerscaldameto Grad mpat cetralat per uo o pù quarter Geoterma Us termc drett all tero d uo o pù quarter

6 Tab.b Fattor ttor covolt u progetto d rsparmo e coservaoe tegrata dell eerga da attuars u area urbaa edfcata TTORI BFD M YF MB I Wr SWr MR BD EM ESC EMa me CbO MM FTTORI LCMc BMS Sma BE TB BFF BGF Bex Erwa ol EST Ic Mk R&D Drettore dell aeda/socetà d costruo Drettore ammstratvo / mpredtore Capocatere ropretaro dell edfco Capomastro/stallatore Maodopera semplce/operao Maodopera specalata/operao specalato-tecco affttuaro d macchar ed attreature rodott e materal edl forture per mpat ed apparecch Mauteoe d mpat ed attreature Socetà/aeda d fortura d eerga e/o serv Mercato eergetco Espert d motoraggo dell quameto ropretar/qul e/o utlator degl edfc Me d comucaoe d massa romotore d atve/progett Clma locale e mcroclma Dmesoe dell area urbaa edfcata Coeffcete d albedo del suolo Coeffcete d fabbsogo eergetco termco medo dell edfco dovuto a caratterstche geometrche tpologche e alle propretà termofsche delle superfc dsperdet olume edfcato totale per cascu quartere Fattore d forma dell edfco espresso dal rapporto tra superfce volucrate-dsperdete ed l volume Fattore festra espresso dal rapporto tra la superfce vetrata o trasparete ed l volume Utlaoe della bomassa (compostaggo scart etc) Dspobltà d eerga e d rsorse eergetche rovabl Lvello d quameto Tecologe d rsparmo eergetco Icetv (ecoomc e faar) Marketg Rcerca e svluppo Tab. 2 ssegaoe de pes a cascua teraoe oe-fattore Fattor o ttor o B ( ) 2 ( ) B 2 2 B 2 2 B B 2 B

7 Tab. 3 Etropa codoale delle o (messagg 2.. ) e de Fattor (rsposte B.. ) Fattor o ttor o B H() B l 2 2 B l. B l B l H Σ l B B B l l l l