Incidenza dell involucro edilizio nella riduzione dei costi di esercizio di un edificio residenziale

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1 Incidenza dell involucro edilizio nella riduzione dei costi di esercizio di un edificio residenziale Maria Ferrara, Elisa Sirombo, Alberto Monti Politecnico di Torino, Dipartimento Energia, Gruppo di ricerca TEBE ( ABSTRACT L importanza sempre crescente che il tema dell efficienza energetica sta assumendo nel mercato delle costruzioni, ed in particolare nel mondo del social housing, trova la sua principale ragione nella volontà di promuovere non solo principi di sostenibilità ambientale, ma anche di favorire soluzioni in grado di ridurre il rischio di povertà energetica. Lo studio qui riportato intende valutare la potenzialità di riduzione dei costi energetici per riscaldamento, raffrescamento, ventilazione e produzione di acqua calda sanitaria di un edificio residenziale multi-familiare. La ricerca è condotta tramite la creazione di un modello di simulazione termo-energetica dinamica dell edificio, al fine di calcolarne i consumi in modo dettagliato, ed attraverso l applicazione di un processo automatizzato di ottimizzazione delle prestazioni dell involucro edilizio basato su tale modello. L analisi dettagliata viene condotta su un piano tipo dell edificio e vengono calcolati, per ciascuna unità abitativa del piano, i costi energetici per riscaldamento e raffrescamento associati alla variazione delle variabili progettuali relative all involucro edilizio. L ottimizzazione condotta porta a riduzioni dei costi totali di esercizio degli appartamenti comprese nell intervallo 17%-23%. Viene riportata, inoltre, l analisi della variazione delle quote associate ai diversi usi energetici nel calcolo del costo totale di esercizio, comparando i diversi appartamenti in termini di classificazione energetica e costi di esercizio prima e dopo l ottimizzazione e portando la riflessione sulla necessità di uniformità delle prestazioni degli appartamenti in termini di costi energetici specifici attesi in esercizio a garanzia di equità tra gli inquilini. 1. INTRODUZIONE La valorizzazione del patrimonio edilizio, attraverso il perseguimento di prestazioni di sostenibilità crescenti sia per edifici di nuova costruzione sia per la gestione e riqualificazione di edifici esistenti, assume oggi un ruolo centrale nel mercato delle costruzioni rispetto agli obiettivi di favorire principi di sostenibilità ambientale, sociale ed economica. Nel settore residenziale, la costruzione di edifici ad elevate prestazioni energetiche può assumere molteplici valenze: da un lato il contributo significativo a ridurre le emissioni di gas Novembre

2 climalteranti e il consumo di risorse energetiche non rinnovabili, dall altro il contributo al contrasto della povertà energetica. Alcune ricerche hanno dimostrato come problemi di tipo economico-finanziari inducano le persone a consumare meno energia per ridurre le spese ad esse associate con ricadute negative sulla salute e benessere delle persone. All interno di un approccio allargato al tema della sostenibilità energetica, l obiettivo del lavoro consiste nella valutazione della potenzialità di riduzione dei costi energetici per riscaldamento, raffrescamento, ventilazione e produzione di acqua calda sanitaria di un edificio residenziale, attraverso l applicazione di un processo automatizzato di ottimizzazione delle prestazioni dell involucro edilizio. Tale processo si focalizza dunque sulla riduzione dei costi energetici per riscaldamento e raffrescamento, in quanto usi energetici strettamente correlati alle prestazioni dell involucro edilizio opaco e trasparente. 2. IL CASO STUDIO Il caso oggetto di studio è un complesso residenziale a più piani fuori terra, per il quale sono state eseguite una serie di valutazioni energetiche su un piano tipo illustrato nella Errore. L'origine riferimento non è stata trovata., dove sono presenti 7 appartamenti per una superficie climatizzata complessiva di 466 m 2. Le uniche superfici disperdenti verso l esterno sono le chiusure verticali. Il contesto climatico di riferimento è quello di Milano. L edificio è caratterizzato da una tecnologia costruttiva tradizionale, con telaio in calcestruzzo armato e involucro in laterizio. Il progetto, nello scenario inziale, prevede chiusure verticali esterne in blocchi di laterizio e isolamento termico a cappotto (U=0,26 W/m 2 K), serramenti con telaio in alluminio e vetrocamera bassoemissivo (Uw=1,45 W/m 2 K, g=0,59), schermati in parte sul fronte sud da un sistema di logge. Figura 1 Pianta del piano tipo oggetto di studio Novembre

3 Tutti gli alloggi sono climatizzati sia in periodo invernale sia in periodo estivo. La produzione dell energia termica avviene attraverso una sottostazione della rete del teleriscaldamento urbano (fattore di conversione in energia primaria dichiarato pari a 0,62). L impianto di riscaldamento ad acqua è costituito da pannelli radianti a pavimento con regolazione di zona (rendimento globale medio stagionale pari a 0,88). Il raffrescamento ambientale è garantito da un sistema multi-split con EER pari a 2,05. L edificio è dotato di un impianto di ventilazione meccanica con recupero di calore (rendimento 50%). L acqua calda sanitaria è prodotta attraverso una caldaia dedicata (efficienza complessiva del sistema pari a 0,85, fattore di conversione in energia primaria dichiarato pari a 1,05). I fabbisogni di energia termica utile per riscaldamento e raffrescamento sono stati calcolati attraverso una simulazione termoenergetica dinamica effettuata con il software TRNSYS, mentre il fabbisogno di energia termica per acqua calda sanitaria ed il fabbisogno di energia elettrica per la ventilazione sono stati calcolati secondo le relazioni di cui alle specifiche tecniche della serie UNI TS La Tabella 1 mostra i costi energetici per il riscaldamento, il raffrescamento, la produzione di acqua calda sanitaria e la ventilazione dei singoli appartamenti nello scenario iniziale. Sono stati assunti i seguenti costi specifici: 0,10 /kwht per l energia termica fornita attraverso il teleriscaldamento, 0,08 /kwht per l energia termica prodotta con il gas e 0,20 /kwhe per l elettricità prelevata dalla rete. Sebbene la classe energetica, calcolata secondo le nuove disposizioni di legge, sia per tutti gli appartamenti uguale ad A1, si riscontrano significative differenze nei costi energetici specifici per riscaldamento e raffrescamento in relazione alle caratteristiche geometriche (rapporto S/V) e all esposizione degli appartamenti. I costi energetici medi per riscaldamento, raffrescamento, acqua calda sanitaria e ventilazione sono rispettivamente pari a 3,34 /m 2, 1,22 /m 2, 1,66 /m 2, 1,24 /m 2, con un incidenza relativa sul costo totale pari rispettivamente a 45%, 16%, 22% e 17%. Rispetto al valore medio, la variazione del costo energetico per riscaldamento dei singoli appartamenti può variare da -34% a +30%, mentre per il raffrescamento da -34% a +41%. Analizzando i costi energetici totali, si registra una variazione massima fra il valore minimo (6,70 /m 2 per l appartamento D) e il valore massimo (8,36 /m 2 per l appartamento G) del 20%. Tabella 1 Costi energetici specifici per riscaldamento (H), raffrescamento (C), acqua calda sanitaria (ACS), ventilazione (VMC) nello scenario iniziale Novembre

4 Dato lo stato di fatto, lo studio condotto illustra come sia possibile migliorare la prestazione energetica dell edificio agendo esclusivamente sulle caratteristiche dimensionali e prestazionali dei componenti di involucro. Infatti, tenuto fisso lo scenario energeticoimpiantistico, attraverso un processo automatizzato di ottimizzazione, basato sull accoppiamento dei software di calcolo TRNSYS e GenOpt, sono state valutate 7000 configurazioni alternative che differiscono rispetto alle seguenti variabili: isolamento termico e fattore di assorbimento solare dell involucro edilizio opaco, dimensioni della loggia e introduzione di eventuali schermi fissi orizzontali o verticali sulle aperture, dimensione e tipologia dei serramenti. In particolare, come riportato nella Errore. L'origine riferimento non è stata trovata. sono stati valutati 7 diversi tipi di serramenti che differiscono per le prestazioni del vetro. Tabella 2 Variabili progettuali simulate rispetto al tipo di vetro I risultati del processo di ottimizzazione avente come funzione obiettivo la minimizzazione del fabbisogno di energia primaria per riscaldamento e raffrescamento, mostrano come sia possibile individuare delle soluzioni tecniche che riducono del 35% circa i costi energetici per riscaldamento e raffrescamento rispetto allo stato di fatto. Come desumibile dalla Tabella 3, la soluzione progettuale ottimale è caratterizzata da un maggior livello di isolamento termico. Le chiusure verticali esterne opache presentano, a parità di tecnologia edilizia, un valore ottimale di trasmittanza termica pari a 0,15 W/(m 2 K), le aperture tendono ad avere dimensioni inferiori con una trasmittanza termica media di 0,94 W/(m 2 K). Sul fronte sud, sono preferibili soluzioni con ridotti aggetti e vetri con fattore solare pari a 0,5. Le strategie progettuali ottimali nel caso specifico si avvicinano alle indicazioni dello standard Passivhaus. Novembre

5 Tabella 3 Confronto fra i valori assunti dai parametri di ottimizzazione fra il caso iniziale e il caso ottimizzato. Si riportano i valori di larghezza delle aperture di alcuni casi a titolo di esempio Il processo di ottimizzazione consente la variazione della classe energetica, da A1 a A2 e la riduzione dei costi operativi in un range compreso fra 33% e 40% per il riscaldamento e tra 15% e 46% per il raffrescamento degli ambienti. Aggiungendo anche le voci relative all acqua calda sanitaria e alla ventilazione, il risparmio ottenibile è pari al 18-24%. L appartamento più sfavorevole nel caso ottimizzato risulta essere l A con 6,39 /m 2, il più favorevole l F con 5,40 /m 2. Come attendibile, gli appartamenti con rapporti S/V più alti, con esposizione sud e maggiori costi energetici nello scenario iniziale, ottengono maggiori benefici a seguito del processo di ottimizzazione (Tabella 4). Tabella 4 Costi energetici specifici per riscaldamento (H), raffrescamento (C), acqua calda sanitaria (ACS), ventilazione (VMC) nello scenario ottimizzato in confronto con lo scenario iniziale Novembre

6 Sebbene il risultato specifico, inteso quale definizione progettuale puntuale dello scenario ottimizzato, sia difficilmente trasferibile ad altri casi, lo studio dimostra l importanza del progetto dell involucro edilizio nell ottimizzazione della domanda energetica degli edifici di nuova costruzione o ristrutturazione. Nell ambito dei vincoli progettuali propri di ogni intervento, è fondamentale la valutazione degli effetti combinati di molteplici alternative progettuali attraverso strumenti di simulazione avanzati al fine di definire lo scenario che offre i migliori vantaggi in termini di riduzione dei consumi e costi energetici in fase di esercizio. Nel caso specifico del residenziale, per di più se rivolto a utenze deboli, un ulteriore obiettivo progettuale dovrebbe essere la maggiore uniformità delle prestazioni dei singoli appartamenti in termini di costi energetici specifici attesi in esercizio. 3. BIBLIOGRAFIA [1] Santamouris M. Innovating to zero the building sector in Europe: Minimising the energy consumption, eradication of the energy poverty and mitigating the local climate change. Sol Energy 2016; 128:61 94 [2] Becchio C, Dabbene P, Fabrizio E, Monetti V, Filippi, M. Cost optimality assessment of a single family house: Building and technical systems solutions for the nzeb target, Energ Buildings 2015, 90: [3] Ferrara M, Fabrizio E, Virgone J, Filippi M. A simulation-based optimization method for cost-optimal analysis of nearly Zero energy Buildings. Energ Buildings 2014, 84: [4] Ferrara M, Fabrizio E, Virgone J, Filippi M. Investigating the role of energy systems in the cost-optimal design of nearly Zero Energy Buildings through automated optimization, Automation in Construction 2016, 70: [5] Ferrara M, Filippi M, Sirombo E, Cravino V. A simulation-based optimization method for the integrative design of the building envelope. Energy Procedia 2015, 78: Novembre