Allegato 3. Giovanni Vicentini

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1 Allegato 3 PROCEDURA GIS PER IL CALCOLO DEL FABBISOGNO ENERGETICO DEGLI EDIFIFICI RESIDENZIALI E DEL POTENZIALE SOLARE, GEOTERMICO E DI RIDUZIONE DEL FABBISOGNO di Giovanni Vicentini Agosto 2013

2 INTRODUZIONE... 3 PARTE I. ANALISI DEL FABBISOGNO DI ENERGIA ELETTRICA E TERMICA DEGLI EDIFICI... 5 PARTE II. ANALISI DELLE POTENZIALITA DEI SISTEMI SOLARI FOTOVOLTAICI O SOLARI TERMICI INTEGRATI NELLE COPERTURE DEGLI EDIFICI PARTE III. ANALISI DELLE POTENZIALITA DELLA GEOTERMIA A BASSA ENTALPIA IN PROVINCIA DI TORINO I sistemi a circuito chiuso I sistemi a circuito aperto... 28

3 INTRODUZIONE Questo lavoro nasce nell'ambito del progetto di ricerca europeo Cities on Power (CoP), sviluppato all'interno del programma Central Europe, che coinvolge la Provincia di Torino, Environment Park spa, la Provincia di Ravenna in Italia, la Città e l'energy Conservation Foundation di Varsavia, la città di Klagenfurt, l'ecopower Stock Enchange di Salisburgo, il Research Studios Austria e la Local Agenda 21 di Dresda a livello europeo. Cities on Power promuove l'uso delle fonti energetiche rinnovabili nelle aree urbane. Le quattro città e le regioni partecipanti prepareranno congiuntamente Piani d'azione locale a sostegno di tali fonti energetiche. Attraverso la creazione di uno strumento interattivo si cercherà di favorire la partecipazione dei cittadini al processo decisionale riguardante i nuovi modi di approvvigionamento energetico ( In questo lavoro viene analizzato il potenziale di risparmio energetico e di utilizzo delle fonti rinnovabili su scala metropolitana per gli edifici residenziali. L'obiettivo di questo lavoro è quello di estendere i modelli di simulazione presenti in letteratura attraverso la loro informatizzazione con l ausilio di un software GIS, per poter realizzare delle analisi sia di risparmio energetico sia di ottimizzazione dell uso delle tecnologie rinnovabili su tutto il territorio provinciale. Il software di georeferenziazione non viene utilizzato solo per rappresentare dei dati ma anche per elaborare nuove informazioni, su cui poter condurre anche analisi statistiche. Ciò consente, da un lato, di poter valutare le politiche energetiche da attuare e dall'altro di fornire al cittadino informazioni di pre-fattibilità relative alla propria abitazione. Inoltre si è deciso di utilizzare un software open-source che consente un utilizzo gratuito per qualsiasi utente, sia pubblico che privato. Questo lavoro parte da un'analisi delle banche dati esistenti sul territorio della Città di Torino con una correzione informatizzata dei dati, principalmente geometrici. Alcuni dati sono relativi al singolo edificio, altri, invece, si riferiscono alle sezioni di censimento (corrispondenti all'incirca ad un isolato), altri ancora vengono ricavati indirettamente dai dati esistenti. L'analisi effettuata sulla Città di Torino è stata successivamente estesa a tutto il territorio provinciale con un livello di approssimazione che dipende dalla disponibilità e qualità dei dati di partenza, prevalentemente di fonte regionale e provinciale.

4 La struttura di questo lavoro è suddivisa in tre capitoli. Nel primo capitolo vengono descritti i modelli di riferimento per il calcolo del fabbisogno termico ed elettrico e quindi l'analisi del risparmio energetico negli edifici residenziali. Nel secondo capitolo viene valutata la potenzialità delle tecnologie rinnovabili solari integrate sulle coperture degli edifici residenziali. I modelli di irradiazione solare presenti in letteratura vengono applicati al modello tridimensionale del territorio (che considera la pendenza e l'orientamento del terreno e le ostruzioni dovute alla presenza dei rilievi) a cui si aggiunge l'edificato, caratterizzato dalla presenza di una copertura piana o a falde inclinate. Quest analisi è stata effettuata attraverso l applicazione di un metodo di analisi statistica della varianza delle quote altimetriche. Dall'irradiazione solare incidente sulle coperture è stata calcolata l'energia termica ed elettrica producibile con le tecnologie attualmente disponibili sul mercato. Il terzo capitolo, infine, valuta la potenzialità della geotermia a bassa entalpia sul territorio metropolitano. Vengono utilizzate le banche dati disponibili del Geoportale Nazionale, della Regione Piemonte e della Provincia di Torino, per valutare le caratteristiche pedologiche, geologiche, idrogeologiche e geomorfologiche del terreno. E' stato elaborato un modello di calcolo della capacità di estrazione di energia dal sottosuolo utilizzando le tecnologie a circuito aperto e chiuso. Il software open-source utilizzato nel capitolo 1 è Quantum GIS, versione Lisboa, per la procedura di calcolo del fattore di forma, del fabbisogno e del potenziale di risparmio. L'attribuzione dell'altezza agli edifici è avvenuta attraverso l'uso del software GRASS GIS. Per le procedure dei capitoli 2 e 3, viceversa, è stato utilizzato interamente il software GRASS GIS 6.4.

5 PARTE I. ANALISI DEL FABBISOGNO DI ENERGIA ELETTRICA E TERMICA DEGLI EDIFICI Attribuzione del codice identificativo della Provincia, del Comune e della sezione di censimento Utilizzare la funzione "Unisci attributi per posizione" all'interno del menu "Vettore- Strumenti di gestione dati". L'edificio, in questo modo, catturerà le informazioni desiderate associate ai poligoni che interseca. N.B. Si deve disporre del dato relativo ai Comuni della Provincia di Torino ed alle sezioni di censimento (presenti nel database SITAD della Provincia di Torino). Attribuzione della fascia climatica e dei gradi-giorno L'attribuzione della fascia climatica e dei gradi-giorno viene effettuata attraverso l'esecuzione di una join, utilizzando la funzione "Join" all'interno delle proprietà del dato relativo agli edifici residenziali.

6 N.B. Si deve disporre di un file nel quale a ciascun Comune, dotato del suo codice identificativo ISTAT, sia associata la fascia climatica ed il numero di gradi-giorno. Attribuzione del codice identificativo dell'edificio Utilizzare la funzione "Calcolatore di campi" all'interno della tabella degli attributi del dato relativo agli edifici residenziali. Creare un nuovo campo, utilizzando la funzione "Record- $id".

7 Attribuzione dell'altezza agli edifici residenziali Relativamente alla ricostruzione dell'altezza degli edifici sono stati utilizzati i dati contenuti nel DTM e DSM prodotti dalla Regione Piemonte anche per il territorio della Provincia di Torino. Il Digital Surface Model (DSM) rappresenta in forma digitale le quote della parte superiore del terreno comprensivo degli edifici, delle infrastrutture e degli alberi. Nella presente elaborazione non vengono considerate le infrastrutture e gli alberi, perché non pertinenti con lo scopo del lavoro. Sottraendo dal raster relativo al DSM il raster dell elevazione del terreno (utilizzando il modulo r.mapcalc del software GRASS GIS) si è ottenuto un raster con le altezze degli edifici rispetto al livello del mare. In seguito si è proceduto all attribuzione delle altezze ai poligoni, in formato vettoriale, rappresentanti gli edifici residenziali e non

8 residenziali della Provincia di Torino. L attribuzione è avvenuta utilizzando il modulo v.rast.stats. A ciascun poligono viene pertanto associato il valore di altezza massima, media e di varianza. L'altezza è stata calcolata attraverso la media tra l'altezza massima e l'altezza media di ogni edificio. N.B. Si deve disporre del dato raster relativo al Digital Terrain Model ed al Digital Surface Model (forniti gentilmente dall'ufficio Cartografico della Regione Piemonte). Calcolo dell'area in pianta e del perimetro degli edifici residenziali Utilizzare la funzione "Estrai/Aggiungi colonne geometriche" all'interno del menu "Vettore-Strumenti Geometria". Verranno aggiunte dal software due nuove colonne relative alla superficie del poligono ed al suo perimetro.

9 N.B. La superficie in pianta ed il perimetro è relativa alla copertura dell'edificio, che normalmente "fuoriesce" per circa 0,5 metri dalle superfici perimentrali. Calcolo della superficie e dei perimetri contigui tra più edifici Per molti edifici si pone la questione della loro reciproca contiguità. Questo aspetto incide in particolare sulla reale superficie disperdente di ogni edificio, il quale, a titolo esemplificativo, potrebbe condividere uno o due lati su quattro con edifici ad esso contigui. E' necessario a tal fine riuscire a determinare la superficie di intersezione degli edifici, non solo in pianta, ma anche e soprattutto in relazione ai loro volumi. Una volta identificata la superficie di intersezione, quest'ultima dovrà essere sottratta alla superficie disperdente lorda calcolata in precedenza, ottenendo quindi la superficie disperdente reale.

10 Per calcolare la superficie contigua seguire la procedura di seguito descritta: a/ Calcolare il buffer degli edifici utilizzando la funzione "Buffer" all'interno del menu "Vettore-Strumenti di geoprocessing". Il buffer deve essere pari a 1centimetro (0.01 metri) b/ Calcolare l'intersezione tra il livello appena creato ed il livello degli edifici residenziali (dato di partenza). Utilizzare a tal fine la funzione "Intersezione" nel menu "Vettore-Strumenti di geoprocessing" c/ Ricalcolare area e perimetro utilizzando la funzione "Estrai/aggiungi colonne geometriche" d/ Aggiungere un nuovo campo denominato "HDIFF" nel quale calcolare la differenza tra l'altezza dell'edificio intersecante e l'altezza dell'edificio intersecato. Alcuni valori saranno negativi, altri pari a 0 ed altri ancora positivi. I valori negativi indicano che l'edificio intersecante è più basso dell'edificio intersecato e viceversa per i valori positivi. I valori pari a 0 indicano che l'edificio intersecante ed intersecato sono il medesimo o che i due hanno altezza uguale. e/ Aggiungere un nuovo campo denominato "S_COND" nel quale calcolare la superficie di intersezione tra due edifici contigui. Si ricorda che il software QGis utilizza il linguaggio SQL. Nel nuovo campo inserire l'operatore logico CASE WHEN: se il valore di "HDIFF" è positivo moltiplicare il perimetro del poligono diviso per 2 per l'altezza dell'edificio intersecato, se il valore di "HDIFF" è negativo moltiplicare il perimetro del poligono diviso per 2 per l'altezza dell'edificio intersecante, se il valore di "HDIFF" è pari a 0 lasciare il nuovo campo uguale a 0. CASE WHEN "ID_1"<>"ID_2" AND "HDIFF">0 THEN "PERIMETRO"/2 * H_1 WHEN "ID_1"<>"ID_2" AND "HDIFF"<0 THEN "PERIMETRO"/2* H_2 WHEN "ID_1"<>"ID_2" AND "HDIFF"=0 THEN "PERIMETRO"/2 * H_1 ELSE 0 END f/ Aprire il file.dbf relativo al livello dell'intersezione con il software Excel e aggiungere una nuova colonna, denominata "L_COND" nella quale calcolare per ciascun edificio la lunghezza delle pareti condivise con altri ad esso contigui. Aggiungere nella colonna la seguente formula:

11 SE(ID=ID2;0;SE(Altezza1=Altezza2;Perimetro;Perimetro/2)). Creare in seguito una tabella pivot, ponendo in "etichette di riga" il campo ID ed in colonna il campo "S_COND" ed il campo "L_COND". In questo modo verranno sommati tutti i campi con lo stesso identificativo, appartenenti quindi allo stesso edificio. Salvare il risultato in.csv. g/ Eseguire una join tra il.csv e ed il dato iniziale degli edifici residenziali. Utilizzare quale campo comune la colonna ID. Calcolo della superficie lorda disperdente e del volume lordo Per ottenere la superficie disperdente reale vengono sottratte le superfici condivise dagli edifici contigui con un'operazione quasi automatica, con l ausilio del software Quantum GIS e le superfici disperdenti legate alla presenza di estensioni del tetto oltre le pareti perimetrali (circa 50 centimetri). SLORDA = (PERIMETRO * ALTEZZA)+(AREA*2) - ((PERIMETRO * 0.5 * 2)- (L_COND*0.5)) - S_COND Per calcolare il volume è stata moltiplicata la proiezione a terra dell edificio con la propria altezza di gronda ed in seguito è stata sottratta una quota corrispondente alla parte del tetto che sporge rispetto alle pareti perimetrali (pari a circa 50 centimetri) moltiplicata per l'altezza dell'involucro (escludendo le parti contigue tra più edifici). V LORDO = (AREA*ALTEZZA) - ((PERIMETRO * 0.5 * ALTEZZA )-(S_COND * 0.5 ) ) Calcolo del fattore di forma Una volta ottenuti i dati di superficie disperdente reale e volume lordo riscaldato per ciascun edificio è possibile procedere con il calcolo del fattore di forma, applicando il seguente algoritmo: CASE WHEN "SLORDA/VLORDO" >= 0.67 THEN "SLORDA/VLORDO" * 1.31 WHEN "SLORDA/VLORDO" >=0.49 THEN "SLORDA/VLORDO" * 1.25 WHEN "SLORDA/VLORDO" >= 0.39

12 THEN "SLORDA/VLORDO" * 1.24 WHEN "SLORDA/VLORDO" >=0.27 THEN "SLORDA/VLORDO" * 1.21 ELSE "SLORDA/VLORDO" * 1.08 END Calcolo del numero di piani per edificio La procedura in Quantum GIS prevede tre step: a/ calcolo del numero di piani con risultato espresso attraverso un numero decimale, dividendo l'altezza dell'edifici per 3 (N_PIANI_INT); b/calcolo del numero di piani con risultato espresso attraverso un numero intero, approssimando per difetto laddove il risultato è inferiore a 0.5 e per eccesso nel caso contrario (N_PIANI_DEC); c/ calcolo del numero di piani reale, approssimando per difetto laddove il valore decimale dell'altezza calcolata al punto a/ è inferiore a 0.7 e per eccesso in caso contrario, applicando il seguente script: CASE WHEN ( "N_PIANI_INT" - "N_PIANI_DEC" ) >0.3 THEN "N_PIANI_INT"-1 ELSE "N_PIANI_INT" END Calcolo della superficie netta calpestabile Dopo aver calcolato correttamente il numero di piani è sufficiente moltiplicare questo valore per la superficie netta calpestabile per piano. Per eseguire questa operazione applicare il seguente script: ( * 0.4 ) * "AREA" * "N_PIANI" Calcolo del numero di abitanti teorici Per ottenere questo valore è necessario dividere il volume lordo dell'edificio per 3 metri (altezza standard di un piano) e successivamente dividere la superficie utile lorda per il relativo parametro pro capite, previsto per la Regione Piemonte dalla LR 56/1977 all art.20 pari a 30 m 2. Al volume lordo è necessario sottrarre una quota

13 corrispondente alla parte del tetto che sporge rispetto alle pareti perimetrali (pari a circa 50 centimetri) moltiplicata per l'altezza dell'involucro (dalla quale deve essere escluso il volume condiviso tra più edifici). Creare a tal fine un nuovo campo, denominato "AB_TEORICI" ed inserire successivamente il seguente algoritmo: VLORDO / 3 / 30. Per quantificare correttamente il numero di abitanti per ciascun è necessario calcolare il numero di alloggi occupati sul totale degli alloggi presenti. Questa percentuale può incidere in modo anche molto marcato nel centro storico, dove un numero elevato di abitazioni potrebbe essere non occupato. Utilizzare a questo fine il file Excel "R01_DatiCPA_2001", relativo al Censimento generale della Popolazione del 2001, al cui interno si può individuare il campo PRO_COM che fa riferimento al Comune, il campo SEZIONE che fa riferimento alla sezione di censimento ed il campo A4, relativo al numero di abitazioni vuote, da correlare al campo A1, relativo al numero di abitazioni totali. Si suppone in questo caso che il loro rapporto rimanga costante anche negli anni successivi. Per assegnare a ciascun edificio la percentuale di alloggi occupati sul totale è necessario eseguire una join tra lo shapefile degli edifici residenziali e il database Excel "R01_DatiCPA_2001", opportunamente ripulito dei campi non utili. Gli edifici dello shapefile devono tuttavia, preventivamente, possedere nella loro tabella degli attributi, un campo relativo alla sezione di censimento di appartenenza. Per eseguire questa operazione, utilizzare lo strumento "Unisci attributi per posizione", usufruendo dello shapefile relativo alle sezioni di censimento. Dopo aver eseguito la join è necessario applicare la percentuale degli edifici non occupati al totale agli abitanti teorici calcolati in precedenza. Attribuzione del periodo di costruzione degli edifici Gli edifici residenziali della Provincia di Torino (escluso il Comune di Torino) presentano il dato del periodo di costruzione solo se realizzati successivamente al Applicare il seguente algoritmo per evidenziare gli edifici per i quali il periodo deve essere calcolato: CASE WHEN "A990" = 0 AND "A000" = 0 AND "ANNO_DIS" = 0 THEN ' ' WHEN "A990" = 0 AND "A000" = 1 AND "ANNO_DIS" = 0 THEN ' ' ELSE 'CAMBIARE' END Per gli edifici ai quali deve essere associato un periodo di costruzione seguire la procedura descritta di seguito:

14 a/aprire il file Excel scaricato dal portale dell'istat, denominato "R01_DatiCPA_2001". Selezionare solo i Comuni della Provincia di Torino. b/ Eliminare tutti i campi del database non utili ai fini della determinazione del periodo di costruzione degli edifici per sezione di censimento. Mantenere pertanto solo i campi "Sezione", "E9", "E10", "E11", "E12", "E13", "E14", "E15". E9= Edifici ad uso abitativo costruiti prima del 1919 E10= Edifici ad uso abitativo costruiti tra il 1919 e il 1945 E11= Edifici ad uso abitativo costruiti tra il 1946 e il 1961 E12= Edifici ad uso abitativo costruiti tra il 1962 e il 1971 E13= Edifici ad uso abitativo costruiti tra il 1972 e il 1981 E14= Edifici ad uso abitativo costruiti tra il 1982 e il 1991 E15= Edifici ad uso abitativo costruiti dopo il 1991 c/sostituire alle intestazioni dei campi E9, E10, E11, E12, E13, E14, E15 dei numeri progressivi da 1 a 7. d/salvare il nuovo file Excel, denominandolo "Periodo_costruzione_TO". e/creare un nuovo campo, denominato "VMassimo" nel quale calcolare per ciascuna sezione di censimento il valore più rappresentativo tra i vari periodi di costruzione. Inserire a tal fine la formula nella cella I2: [MAX(D2:J2)]. f/nei campi successivi inserire le seguenti formule Excel, al fine di capire a quale periodo di costruzione il valore massimo appena calcolato appartiene. J2: [=SE($K2=D2;1;0)] K2: [=SE($K2=E2;1;0)] L2: [=SE($K2=F2;1;0)] M2: [=SE($K2=G2;1;0)] N2: [=SE($K2=H2;1;0)] O2: [=SE($K2=I2;1;0)] P2: [=SE($K2=J2;1;0)] Q2: [=SE(((K2/SOMMA(D2:J2))>0.5);L2*$D$1+M2*$E$1+N2*$F$1+O2*$G$1+P2*$H$1+Q2 *$I$1+R2*$J$1;(D2*$D$1+E2*$E$1+F2*$F$1+G2*$G$1+H2*$H$1+I2*$I$1+J2*$J$1)/S OMMA(D2:J2))] Questa procedura consente di selezionare in modo automatico il periodo di costruzione più rappresentativo per ciascun record del database, ovvero per ciascuna sezione di censimento. Il periodo di costruzione più rappresentativo può essere il

15 valore più alto, nel caso in cui esso sia maggiore del 50% del totale degli edifici registrati da ISTAT, oppure, viceversa, la media ponderata dei sette periodi di costruzione. g/mantenere solo i campi "SEZ2001", "P_COSTRUZIONE" ed i record con valore non nullo. h/rinominare i valori del campo "PeriodoC" utilizzando la seguente legenda. Servirsi della funzione "Cerca.vert" di Excel per eseguire questo comando. 1: Fino al : : : : : : Esportare in.csv il risultato finale. Per il Comune di Torino, il periodo di costruzione è presente all'interno del database. Calcolo dei tassi d'occupazione degli edifici L'attribuzione del tasso d'occupazione per sezione di censimento viene effettuata attraverso l'esecuzione di una join, utilizzando la funzione "Join" all'interno delle proprietà del dato relativo agli edifici residenziali. Si veda il paragrafo "Calcolo del numero di abitanti teorici". N.B. Si deve disporre di un file nel quale a ciascuna sezione di censimento, dotato del suo codice identificativo ISTAT, sia associato il tasso d'occupazione, calcolato come rapporto tra numero di abitazioni abitate ed abitazioni totali. Il tasso d'occupazione medio su base comunale è stato calcolato attraverso il calcolo della media ponderata dei tassi delle sezioni di censimento. Calcolo del fattore demografico correttivo Il fattore demografico correttivo viene calcolato attraverso il rapporto tra la popolazione teorica su base comunale (calcolata nel paragrafo "Calcolo del numero di abitanti teorici") e la popolazione reale, ottenuta dal portale DemoISTAT.

16 Calcolo del fabbisogno termico per riscaldamento invernale degli edifici Si tratta ora di riportare le equazioni di seguito riportate in QGIS in modo da ricavare, per ogni valore del rapporto di forma S/V e per ciascun periodo di costruzione, un valore specifico di fabbisogno energetico. Creare un nuovo campo, denominato "F_ET", di tipo float nello shape relativo agli edifici residenziali in cui calcolare il fabbisogno di energia termica per il riscaldamento invernale, facendo riferimento al campo relativo all'epoca di costruzione, in base al quale inserire l'algoritmo corretto. Inserire a tal fine il seguente script: CASE WHEN "EpocaC" = 'Fino al 1918' AND "GG" > 3000 THEN (245.8 * "S/Vreale" )* ( "GG" / 3479) * ( "occ_medio" / 0.48) * WHEN "EpocaC" = 'Fino al 1918' AND "GG" < 3000 THEN ( * "S/Vreale" ) * ( "GG" / 2617) * ( "occ_medio" / 0.94) * WHEN "EpocaC" = ' ' AND "GG" > 3000 THEN ( * "S/Vreale" ) * ( "GG" / 3479) * ( "occ_medio" / 0.48) * WHEN "EpocaC" = ' ' AND "GG" < 3000 THEN ( * "S/Vreale" ) * ( "GG" / 2617) * ( "occ_medio" / 0.94) * WHEN "EpocaC" = ' ' AND "GG" > 3000 THEN ( * "S/Vreale" ) * ( "GG" / 3479) * ( "occ_medio" / 0.48) * WHEN "EpocaC" = ' ' AND "GG" < 3000 THEN ( * "S/Vreale" ) * ( "GG" / 2617) * ( "occ_medio" / 0.94) * WHEN "EpocaC" = ' ' AND "GG" > 3000 THEN ( * "S/Vreale" ) * ( "GG" / 3479) * ( "occ_medio" / 0.48) * WHEN "EpocaC" = ' ' AND "GG" < 3000

17 THEN ( * "S/Vreale" ) * ( "GG" / 2617) * ( "occ_medio" / 0.94) * WHEN "EpocaC" = ' ' AND "GG" > 3000 THEN ( * "S/Vreale" ) * ( "GG" / 3479) * ( "occ_medio" / 0.48) * WHEN "EpocaC" = ' ' AND "GG" < 3000 THEN ( * "S/Vreale" ) * ( "GG" / 2617) * ( "occ_medio" / 0.94) * WHEN "EpocaC" = ' ' AND "GG" > 3000 THEN * "S/Vreale" * ( "GG" / 3479) * ( "occ_medio" / 0.48) * WHEN "EpocaC" = ' ' AND "GG" < 3000 THEN ( * "S/Vreale" ) * ( "GG" / 2617) * ( "occ_medio" / 0.94) * WHEN "EpocaC" = ' ' OR "EpocaC" = ' ' AND "GG" > 3000 THEN ( * "S/Vreale" ) * ( "GG" / 3479) * ( "occ_medio" / 0.48) * WHEN "EpocaC" = ' ' OR "EpocaC" = ' ' AND "GG" < 3000 THEN ( * "S/Vreale" ) * ( "GG" / 2617) * ( "occ_medio" / 0.94) * WHEN "EpocaC" = 'Dal 2006' AND "GG" > 3000 THEN ( * "S/Vreale" ) * ( "GG" / 3479) * ( "occ_medio" / 0.48) * WHEN "EpocaC" = 'Dal 2006' AND "GG" < 3000 THEN ( * "S/Vreale" ) * ( "GG" / 2617) * ( "occ_medio" / 0.94) * ELSE 'Errore' END L'algoritmo è stato differenziato in base alla fascia climatica dei Comuni nei quali viene applicato. La costruzione delle curve è avvenuta a partire da Torino per la fascia climatica E e a partire da Coazze per la fascia climatica F. I Comuni appartenenti alla fascia climatica F vengono confrontati con i parametri del Comune di Coazze; viceversa, per la fascia climatica E si utilizzano i dati di Torino.

18 Calcolo del fabbisogno termico per riscaldamento invernale degli edifici con l'applicazione del fattore demografico correttivo Per calcolare il fabbisogno termico specifico corretto dal fattore demografico moltiplicare il fabbisogno termico specifico calcolato nel paragrafo precedente per il relativo fattore demografico correttivo. Calcolo della classe energetica E' possibile inoltre aggiungere alla tabella degli attributi un nuovo campo, denominato "Classe", di tipo stringa, nel quale inserire il seguente script, che permette di associare a ciascun edificio il proprio indice di prestazione energetica, da utilizzare come etichetta in ambiente all'interno del software QGis. Questo indice è la somma dell indice di prestazione energetica per la climatizzazione invernale (EPi) e dell indice di prestazione energetica per la produzione di acqua calda sanitaria (EPacs) in kwh/(m 2 annuo). CASE WHEN "Fabbterm" <= 27 THEN 'A+' WHEN "Fabbterm" > 27 AND "Fabbterm" <= 44 THEN 'A' WHEN "Fabbterm" > 44 AND "Fabbterm" <= 82 THEN 'B' WHEN "Fabbterm" > 82 AND "Fabbterm" <= 143 THEN 'C' WHEN "Fabbterm" > 143 AND "Fabbterm" <= 201 THEN 'D' WHEN "Fabbterm" > 201 AND "Fabbterm" <= 249 THEN 'E' WHEN "Fabbterm" > 249 AND "Fabbterm" <= 300 THEN 'F' WHEN "Fabbterm" > 300 AND "Fabbterm" <= 435 THEN 'G' WHEN "Fabbterm" > 435 THEN 'n.c.' ELSE 'n.d.' END Calcolo del consumo pro capite di energia elettrica e del fabbisogno specifico di energia elettrica a/ Calcolare il consumo di energia elettrica pro capite a partire dal consumo totale di energia elettrica per il comparto edilizio residenziale, utilizzando i dati raccolti in occasione della redazione dell'ottavo rapporto sull'energia della Provincia di Torino ed utilizzati anche nell ambito dell iniziativa del Patto dei Sindaci. Dividere a tal fine il consumo totale per la popolazione residente.

19 b/ Calcolare il fabbisogno di energia elettrica per metro quadro. Moltiplicare il consumo di energia elettrica pro capite per il numero di abitanti teorici residenti nell'edificio. Moltiplicare in seguito il risultato per il tasso di occupazione reale dell'edificio dividendo infine per la superficie netta calpestabile.

20 PARTE II. ANALISI DELLE POTENZIALITA DEI SISTEMI SOLARI FOTOVOLTAICI O SOLARI TERMICI INTEGRATI NELLE COPERTURE DEGLI EDIFICI Per creare la mappa del soleggiamento è stato utilizzato il software GRASS GIS ed in particolare il tool "r.sun". Di seguito si dettaglia la procedura da utilizzare per ottenere l'output desiderato: Inserire il DSM dell area oggetto di indagine. Il DSM viene ottenuto sovrapponendo al DTM gli edifici (di cui si dispone dell altezza) e le coperture a falde. Si è assunto innanzitutto che un tetto potesse avere due tipologie di copertura: piana o a falde inclinate e che questa distinzione fosse valida solo per gli edifici residenziali (target della nostra analisi). Tutti gli edifici non residenziali hanno pertanto nel modello una copertura piana. In seguito, basandosi sui valori di varianza dell altezza attribuita ai poligoni degli edifici residenziali, sono stati estratti gli edifici con copertura a falde inclinate: tutti gli edifici con varianza inferiore ad uno sono stati considerati con copertura piana, mentre, viceversa, tutti gli edifici con valore superiore ad uno disponevano di una copertura a falde inclinate. Per quanto concerne l inclinazione delle falde, per gli edifici dotati di questa tipologia di copertura, si può ipotizzare un inclinazione di 20, che rappresenta un valore medio dell intervallo riscontrabile per la Regione Piemonte (17-24 ). La ricostruzione virtuale delle coperture a falde inclinate necessita di due passaggi ulteriori: la ricostruzione delle falde e la loro sovrapposizione agli edifici. La ricostruzione delle falde è stata realizzata utilizzando lo strumento "Buffer" del software QGIS 1.8, creando poligoni interni a quelli rappresentanti la proiezione a terra delle coperture degli edifici. I poligoni interni devono essere generati ad una distanza standard (nel nostro caso pari a 0,5 metri) e ad essi deve essere attribuita una quota altimetrica standard (0,18 metri). Ciò permette di rappresentare in modo realistico il tetto, consentendo l'imposizione di una certa inclinazione alla falda (in questo caso 20 ). La sovrapposizione dei livelli è stata ottenuta utilizzando il modulo r.series.

21 Il software richiede inoltre una mappa dell'esposizione del terreno e degli edifici ed una mappa della pendenza (che possono essere generate attraverso lo strumento "r.slope.aspect" del software GRASS GIS utilizzando come dato di input il Digital Surface Model).

22 Calcolare latitudine e longitudine: il modulo r.sun calcola in automatico la latitudine e longitudine dell'area oggetto di indagine, prendendo come riferimento spaziale il centro della mappa raster di cui al punto precedente. Specificare i giorni rappresentativi delle caratteristiche climatiche dei dodici mesi dell'anno. Si opta pertanto per l'elaborazione di dodici mappe tematiche, con una mappa finale di sintesi su base annuale. I dodici giorni rappresentativi sono stati schematizzati nella tabella seguente. Il software richiede inoltre di impostare la frequenza oraria, ovvero il tempo trascorso tra un calcolo di irraggiamento ed il successivo. La frequenza oraria non rappresenta in questo caso l'intervallo temporale utilizzato per la creazione della mappa tematica, ma si riferisce solamente al livello di dettaglio di calcolo con cui il software crea la mappa. Ai fini del presente lavoro si imposta la frequenza oraria pari a tre ore. Il software GRASS GIS ingloba al suo interno una mappa solare, ovvero una rappresentazione che specifica la posizione apparente del sole, così come varia nel tempo, in un certo luogo. La posizione del sole, cioè gli angoli di azimut e di zenit, è calcolata dal software basandosi sulla latitudine e longitudine, sul giorno dell'anno e l'ora del giorno, usando formule astronomiche standard. Impostare i parametri corretti relativi al modello di cielo. In particolare lo strumento r.sun necessita di due valori essenziali: il flusso di radiazione diffusa sulla radiazione totale ed il fattore di torbidità di Linke, che esprime il grado di limpidità del cielo ed influisce sia sull'intensità della radiazione diretta, sia su quella diffusa. Il flusso di radiazione diffusa sulla totale serve a quantificare inoltre il flusso di radiazione diretta, che è al primo complementare. Lo strumento r.sun permette

23 eventualmente di specificare anche la componente riflessa della radiazione solare, specificando il coefficiente di albedo. Il calcolo della irradiazione diretta e diffusa Nel presente lavoro sono stati utilizzati i valori di irradiazione diretta e diffusa presenti nel sito di PVGIS ( per tutti i Comuni della Provincia di Torino (in mancanza di dati misurati le componenti di irradiazione diretta e diffusa possono essere calcolate con i modelli di sole presenti in appendice). Per ciascuno dei dodici mesi dell'anno è stata quindi calcolata la ripartizione percentuale delle due componenti, diretta e diffusa che servono a calcolare successivamente l'irradiazione solare globale. Per realizzare le mappe della radiazione diretta e diffusa, richieste dal modulo r.sun, si è proceduto associando ad alcuni Comuni della Provincia, distribuiti in modo omogeneo sul territorio, i rispettivi valori di irradiazione esportati da PVGIS. In seguito, i valori sono stati interpolati per coprire totalmente la superficie provinciale. L interpolazione è stata effettuata attraverso il software QGIS 1.8, utilizzando il modulo Interpolazione all interno del menu "Raster". Il calcolo del fattore di turbidità di Linke Il fattore di turbidità di Linke esprime il grado di limpidità del cielo ed influisce sia sull'intensità della radiazione diretta che su quella diffusa. Nel presente lavoro sono stati utilizzati i dati proposti nel manuale di GRASS GIS suddivisi per categoria di uso del suolo (montagna, campagna, città, industria): Month Jan Feb Mar Apr May Jun Jul Aug Sep Oct Nov Dec annual mountains rural city industrial Per poter rappresentare cartograficamente gli usi del suolo della Provincia di Torino ed in seguito associarvi i valori del coefficiente di torbidità di Linke, è stata scaricata la mappa vettoriale Corine Land Cover aggiornata all anno 2006 dal seguente sito internet:

24 In seguito è stata estratta la parte relativa alla Provincia di Torino dalla mappa relativa all Italia e sono stati applicati i coefficienti utilizzando il linguaggio SQL (esempio del mese di gennaio): CASE WHEN "LIVELLO1" = 'Territori agricoli' THEN 2.1 WHEN "LIVELLO1" = 'Territori boscati e ambienti semi naturali' THEN 1.5 WHEN "LIVELLO1" = 'Corpi idrici' THEN 1.5 WHEN "LIVELLO2" = 'Zone industriali, commerciali e reti di comunicazione' THEN 4.1 WHEN "LIVELLO2" = 'Zone estrattive, discariche e cantieri' THEN 4.1 ELSE 3.1 END Infine sono state rasterizzate le mappe vettoriali utilizzando il software QGIS 1.8, ed in particolare il modulo Rasterizzazione dal menu "Raster". Il software r.sun restituisce a questo punto una mappa della radiazione giornaliera media mensile captata dal territorio oggetto di indagine, considerando sia la morfologia del terreno che gli ingombri tridimensionali degli edifici. La mappa esprime l'irraggiamento in Wh/mq. E' importante tuttavia calcolare anche l'irraggiamento cumulato mensile ed annuo e l'irraggiamento giornaliero medio annuo per ogni copertura di edificio.

25 PARTE III. ANALISI DELLE POTENZIALITA DELLA GEOTERMIA A BASSA ENTALPIA IN PROVINCIA DI TORINO I sistemi a circuito chiuso Calcolo del flusso di calore richiesto dall'edificio All'interno del "Calcolatore di campi", spuntare "Crea un nuovo campo", di tipo decimale, denominandolo P100 e aggiungere nella sezione "Espressione" il seguente script: [Erichiesta/2562]. L'energia richiesta è corrispondente al fabbisogno di energia termica dell'edificio. Calcolo della permeabilità superficiale Partendo dal vettoriale relativo ai pozzi localizzati nel territorio della Provincia di Torino, all'interno del quale sono stati rilevati alcuni dati in modo puntuale, si è proceduto all'interpolazione dei valori di permeabilità. In particolare è stato scelto il metodo di interpolazione TIN - Triangulated Irregular Network. In Quantum GIS utilizzare il modulo Interpolazione all'interno del menu "Raster", impostando come vettoriale in input il dataset "qspecifica_sup", definendo la colonna "K_M_S" quale fonte dei dati puntuali di input (attributo di interpolazione) e scegliendo come metodo di interpolazione "Interpolazione triangolare". Denominare il raster di output "permeabilità_raster". In seguito importare il raster in GRASS GIS utilizzando il modulo r.in.arc. La permeabilità superficiale permette di calcolare il tipo di terreno presente: Noto il tipo di terreno si possono porre in relazione la permeabilità idraulica e la conducibilità termica al fine di ricavare un possibile intervallo della resa (W/m), che

26 nel nostro caso è stato posto uguale a: 35 [W/m] < resa < 60 [W/m]. Per un sottosuolo sabbioso-ghiaioso la resa varia molto a seconda che il terreno sia asciutto o bagnato. Si ipotizza pertanto una conducibilità di 35 W/m per il sottosuolo asciutto e di 60 W/m per il sottosuolo bagnato. Calcolo dello spessore del terreno insaturo (asciutto) Partendo dai vettoriale relativo alle isolinee della soggiacenza localizzate nel territorio della Provincia di Torino e dal loro valore rispetto al piano campagna, si è proceduto alla loro interpolazione. In particolare è stato scelto il metodo di interpolazione spline regolarizzata. In Grass Gis utilizzare il modulo v.surf.rst, impostando come vettoriale in input il dataset "analisi_soggiacenza", definendo la colonna "VALORE" quale fonte dei dati di input e mantenendo il valore standard di smoothing e tension. Denominare il raster di output "soggiacenza_raster". In seguito utilizzare il modulo r.mapcalc, per eliminare gli eventuali valori negativi risultanti dall'interpolazione. Porre i valori <0 pari a 0, utilizzando la funzione if (x,a,b,c). Calcolo del raster "base acquifero superficiale". Partendo dai vettoriale relativo alle isolinee della base dell'acquifero superficiale localizzate nel territorio della Provincia di Torino e dal loro valore sul livello del mare, si è proceduto alla loro interpolazione. In particolare è stato scelto il metodo di interpolazione spline regolarizzata. In Grass Gis utilizzare il modulo v.surf.rst, impostando come vettoriale in input il dataset "base_acquifero", definendo la colonna "VALORE" quale fonte dei dati di input e mantenendo il valore standard di smoothing e tension. Denominare il raster di output "base_acquifero_raster". Calcolo del raster "piano_campagna_raster". Partendo dai vettoriale relativo ai punti quotati localizzati nel territorio della Provincia di Torino e dal loro valore sul livello del mare, si è proceduto alla loro interpolazione. In particolare è stato scelto in Quantum GIS il metodo di interpolazione TIN - Triangulated Irregular Network. In seguito è stato importato il raster in GRASS GIS utilizzando il modulo r.in.arc. Calcolo del raster "Xb". Per calcolare il terreno insaturo posto sotto la falda, è stato sottratta alla base dell'acquifero la differenza tra il piano campagna ed il valore del tratto di sottosuolo considerato nel calcolo. Nel nostro caso, i calcoli sono stati reiterati ogni 10 metri fino a 100 metri di profondità.

27 In Grass Gis utilizzare il modulo r.mapcalc, inserendo nella sezione "Espressione" il seguente script: ["base acquifero superficiale - (piano_campagna_raster - l)"]. Denominare il raster di output "Xb". In seguito utilizzare il modulo r.mapcalc, per eliminare gli eventuali valori negativi risultanti dalla sottrazione. Porre i valori <0 pari a 0, utilizzando la funzione if (x,a,b,c). Se il valore di x B risulta uguale a zero significa che non è presente sottosuolo asciutto sotto la falda, entro il limite fissato l. Utilizzando i raster soggiacenza_raster e Xb si è proceduto alla loro somma, al fine di calcolare il tratto di sottosuolo privo di falda. In Grass Gis utilizzare il modulo r.mapcalc, inserendo nella sezione "Espressione" il seguente script: [ soggiacenza_raster + Xb ]. Denominare il raster di output "X". Quest'operazione deve essere ovviamente ripetuta per ciascun raster Xb calcolato ogni 10 metri di profondità. In seguito utilizzare il modulo r.mapcalc, per eliminare gli eventuali valori superiori ad l risultanti dalla somma della soggiacenza e di Xb. Porre i valori >l pari a l, utilizzando la funzione if (x>l,l,x). Il calcolo della resa del sottosuolo Utilizzando i raster X, calcolati ogni 10 metri di profondità, si è proceduto al calcolo dell'algoritmo media = (35 * x + 60 * (l-x)) / l, al fine di calcolare la resa media del sottosuolo. In Grass Gis utilizzare il modulo r.mapcalc, inserendo nella sezione "Espressione" il seguente script: [( X * 35 + (l - X )*60)/l]. Eseguire la stessa operazione per ciascuna profondità considerata. Denominare il raster di output "resa". Nota la resa del sottosuolo privo di falda e con falda è possibile calcolare la resa per ogni valore di profondità l preso di volta in volta in considerazione. Calcolo della profondità del pozzo necessario 1 step: calcolo del raster "potenza_termica_richiesta". Partendo dai vettoriale relativo agli edifici residenziali della Provincia di Torino e dal loro valore di potenza termica richiesta calcolata in precedenza, si è proceduto alla loro rasterizzazione. In Grass Gis utilizzare il modulo v.to.rast, impostando come vettoriale in input il dataset "edifici_residenziali" e definendo la colonna "P100" quale fonte dei dati di input. Denominare il raster di output "potenza_termica_richiesta". 2 step: calcolo della lunghezza della sonda l.

28 In Grass Gis utilizzare il modulo r.mapcalc, inserendo nella sezione "Espressione" il seguente script: [if(resa10*10>potenza_termica_richiesta,10,if(resa20*20>potenza_termica_richiesta,2 0,if(resa30*30>potenza_termica_richiesta,30,if(resa40*40>potenza_termica_richiesta, 40,if(resa50*50>potenza_termica_richiesta,50,if(resa60*60>potenza_termica_richiest a,60,if(resa70*70>potenza_termica_richiesta,70,if(resa80*80>potenza_termica_richies ta,80,if(resa90*90>potenza_termica_richiesta,90,if(resa100*100>potenza_termica_ric hiesta,100,100))))))))))]. Denominare il raster di output "l". I sistemi a circuito aperto Calcolo della potenza massima richiesta dall'edificio 1 step: calcolo del coefficiente volumico di dispersione termica associato al volume dell'edificio. All'interno del "Calcolatore di campi", spuntare "Crea un nuovo campo", di tipo decimale, denominandolo Cg*V e aggiungere nella sezione "Espressione" il seguente script: [Erich_Wh/2617 *14] (solo per il Comune di Torino). Erich_Wh corrisponde al fabbisogno di energia termica dell'edificio. 2 step: calcolo della potenza massima richiesta All'interno del "calcolatore di campi", spuntare "Crea un nuovo campo", di tipo decimale, denominandolo Fl_max e aggiungere nella sezione "Espressione" il seguente script: [Cg*V/28], utilizzando come dato di input il dato di output del primo step. Calcolo del flusso geotermico richiesto All'interno del "Calcolatore di campi", spuntare "Crea un nuovo campo", di tipo decimale, denominandolo Fl_50 e aggiungere nella sezione "Espressione" il seguente script: [Fl_max*0.333]. Agli edifici residenziali nei quali vengono applicati i circuiti geotermici open-loop si vuole garantire il soddisfacimento del 50% del fabbisogno termico annuale. Si ipotizza che un sistema di riscaldamento tradizionale risponda alla restante domanda di energia.

29 Calcolo della portata desiderata nell'edificio All'interno del "Calcolatore di campi", spuntare "Crea un nuovo campo", di tipo decimale, denominandolo "Port_des" e aggiungere nella sezione "Espressione" il seguente script: [Fl50/ (4186*5)]. Calcolo della portata della falda superficiale Partendo dal vettoriale relativo ai pozzi localizzati nel territorio della Provincia di Torino, all'interno del quale sono stati rilevati alcuni dati in modo puntuale, si è proceduto all'interpolazione dei valori di portata lineare. In particolare è stato scelto il metodo di interpolazione TIN - Triangulated Irregular Network. In Quantum GIS utilizzare il modulo "Interpolazione" all'interno del menu "Raster", impostando come vettoriale in input il dataset "qspecifica_sup", definendo la colonna "QSP_L_S_M" quale fonte dei dati puntuali di input (attributo di interpolazione) e scegliendo come metodo di interpolazione "Interpolazione triangolare". Denominare il raster di output "portata_lineare_raster". In seguito importare il raster in GRASS GIS utilizzando il modulo r.in.arc. Calcolo della profondità del pozzo 1 step: vettorializzazione del raster relativo alla portata della falda superficiale. Utilizzando lo strumento "Poligonizzazione" all'interno del menu "Conversione - Raster" creare un dato vettoriale relativo alla portata della falda. Inserire come dato di input il raster "portata_lineare_raster" e denominare il file di output "portata_shp". 2 step: associare i valori di portata della falda agli edifici residenziali. Utilizzando lo strumento "Unisci attributi per posizione" associare i valori contenuti nello shapefile "portata_shp" alla tabella degli attributi degli edifici residenziali. Creare quindi una nuova colonna denominata "portata_f". 3 step: calcolo della profondità del pozzo. All'interno del "Calcolatore di campi", spuntare "Crea un nuovo campo", di tipo decimale, denominandolo "l_ol" e aggiungere nella sezione "Espressione" il seguente script: [Port_des/portata_f].

30 Calcolo della profondità utile della falda 1 step: calcolo del raster "piano_campagna_raster". Quest'operazione è stata già effettuata in precedenza. 2 step: calcolo del raster "Piano limite". Partendo dal raster generato nel 1 step si è proceduto alla sottrazione del valore standard di massima profondità dello scavo (40 metri) dai valori del piano campagna. In Grass Gis utilizzare il modulo r.mapcalc, inserendo nella sezione "Espressione" il seguente script: [piano_campagna_raster - 40]. Denominare il raster di output "piano_limite_raster". 3 step: calcolo del raster "piezometria_raster". Partendo dal vettoriale relativo alle isolinee piezometriche localizzate nel territorio della Provincia di Torino e dal loro valore sul livello del mare, si è proceduto alla loro interpolazione. In particolare è stato scelto il metodo di interpolazione spline regolarizzata. In Grass Gis utilizzare il modulo v.surf.rst, impostando come vettoriale in input il dataset "analisi_piezometria", definendo la colonna "VALORE" quale fonte dei dati di input e mantenendo il valore standard di smoothing e tension. Denominare il raster di output "piezometria_raster". 4 step: calcolo del raster "l_disponibile_raster". Partendo dai raster generati nel 2 e 3 step si è proceduto alla sottrazione dei valori del piano limite dai valori della piezometrica. In Grass Gis utilizzare il modulo r.mapcalc, inserendo nella sezione "Espressione" il seguente script: [piezometria_raster - piano_limite_raster]. Denominare il raster di output "l_disponibile_raster". In seguito utilizzare il modulo r.mapcalc, per eliminare gli eventuali valori negativi risultanti dalla sottrazione. Porre i valori <0 pari a 0, utilizzando la funzione if (x,a,b,c). Eliminare inoltre i valori superiori a 40 metri, utilizzando lo stesso modulo. Calcolo della profondità totale del pozzo 1 step: Partendo dai vettoriale relativo alle isolinee della soggiacenza localizzate nel territorio della Provincia di Torino e dal loro valore rispetto al piano campagna, si è proceduto alla loro interpolazione. In particolare è stato scelto il metodo di interpolazione spline regolarizzata. In Grass Gis utilizzare il modulo v.surf.rst, impostando come vettoriale in input il dataset "analisi_soggiacenza", definendo la colonna "VALORE" quale fonte dei dati di

31 input e mantenendo il valore standard di smoothing e tension. Denominare il raster di output "soggiacenza_raster". In seguito utilizzare il modulo r.mapcalc, per eliminare gli eventuali valori negativi risultanti dall'interpolazione. Porre i valori <0 pari a 0, utilizzando la funzione if (x,a,b,c). 2 step: vettorializzazione del raster relativo alla profondità della zona insatura (soggiacenza). Utilizzando lo strumento "Poligonizzazione" all'interno del menu "Conversione - Raster", in Quantum GIS, creare un dato vettoriale relativo alla profondità della zona insatura. Inserire come dato di input il raster "insaturo_raster" e denominare il file di output "insaturo_shp". 3 step: associare i valori della zona insatura agli edifici residenziali. Utilizzando lo strumento "Unisci attributi per posizione" associare i valori contenuti nello shape file "insaturo_shp"alla tabella degli attributi degli edifici residenziali. Creare quindi una nuova colonna denominata insaturo. 4 step: calcolo della profondità totale del pozzo. All'interno del "Calcolatore di campi", spuntare "Crea un nuovo campo", di tipo decimale, denominandolo "prof_tot_ol" e aggiungere nella sezione "Espressione" il seguente script: [insaturo + l_ol].