Analisi del fabbisogno di energia termica degli edifici con software geografico libero. Il caso studio di Torino

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1 Energia & Edifici di G. Mutani, G. Vicentini Tecnica 63 Analisi del fabbisogno di energia termica degli edifici con software geografico libero. Il caso studio di Torino Questo lavoro nasce nell ambito del progetto di ricerca europeo Cities on Power per promuovere il risparmio energetico nelle aree urbane. Viene presentato un metodo per la valutazione del consumo energetico sulla città di Torino attraverso l utilizzo di un software geografico libero (o gis open source). Tale strumento potrà consentire di effettuare delle valutazioni sulla fattibilità di alcuni interventi di riqualificazione energetica. AN OPEN SOURCE GEOSPATIAL MODEL TO DETERMINE RESIDENTIAL BUILDINGS ENERGY CONSUMPTION PROFILES. CASE STUDY IN TURIN This work has been developed to promote energy efficiency in urban areas and to encourage citizens participation in energy issues, through the creation of a web-based interactive tool. The paper describes a methodology based on a GIS tool open source to estimate the energy consumption of residential buildings. Metodi per la valutazione del fabbisogno energetico per la climatizzazione invernale e la produzione di acqua calda sanitaria su scala urbana I modelli che vengono utilizzati per la valutazione del fabbisogno energetico del parco edilizio esistente vengono suddivisi in tre categorie [1, 2]: --i modelli top-down: partono da dati di consumo su scala urbana e confrontandoli con i dati climatici e con i risultati dei censimenti e rilevazioni statistiche consentono di determinare un consumo medio degli edifici. Questi modelli possono confrontare diverse variabili economiche, ma non permettono di distinguere variazioni di consumi nello spazio urbano e quindi, ad esempio, non differenziano la distribuzione delle emissioni; --i modelli bottom-up: partono dalle simulazioni di consumo dei singoli edifici che ne valutano ogni caratteristica; i risultati poi vengono accorpati per valutare il consumo energetico di un quartiere o di una città oppure per fare delle valutazioni sul risparmio energetico a seguito di interventi di riqualificazione. Per ottenere buoni risultati a scala urbana necessitano di un gran numero di dati; --i modelli ibridi: utilizzano i fabbisogni energetici di alcuni edifici tipo e li adattano per valutare il consumo di una città. Attraverso una rappresentazione spaziale dettagliata del parco edilizio, caratterizzata anche dai dati socio-economici, è possibile associare a ogni edificio il suo consumo in modo da avere il fabbisogno energetico a scala di edificio, quartiere o città. L obiettivo di questo lavoro è la definizione del fabbisogno di energia termica degli edifici di Torino attraverso un modello ibrido, finalizzata alla creazione di una mappa in ambiente GIS nella quale a ciascun edificio (corrispondente a un poligono sulla CTC, Carta Tecnica Comunale) corrisponde una valore di fabbisogno energetico. Per calcolare questo valore è necessario individuare delle variabili tipologiche e geometriche dell edificio che ne influenzano il fabbisogno termico per la climatizzazione invernale. La destinazione d uso di un edificio influisce in modo sostanziale sul fabbisogno energetico, in relazione sia alle modalità di utilizzo (ad esempio la ventilazione o i carichi interni), sia alle caratteristiche costruttive (si pensi a titolo esemplificativo alla differenza d estensione delle superfici vetrate in un edificio con destinazione terziaria o residenziale). La definizione della destinazione d uso è quindi fondamentale per attribuire dei valori di riferimento nel calcolo del fabbisogno di energia termica ed elettrica. Poiché il software mira a fornire, attraverso un interrogazione della mappa, informazioni utili ai singoli cittadini, il presente lavoro si concentrerà principalmente sulla destinazione residenziale. Sugli edifici residenziali, inoltre, si ha una buona base di dati, fondamentale per fare delle valutazioni sul fabbisogno energetico a scala urbana. Per la valutazione del fabbisogno termico per la climatizzazione invernale degli edifici residenziali, la letteratura [3, 4, 5, 6 e 7] suggerisce di considerare alcuni indicatori utili come l epoca di costruzione e l indice di compattezza (o fattore di forma) degli edifici. Gli studi analizzati confrontano i consumi reali degli edifici che si hanno a livello comunale, provinciale o regionale con delle analisi numeriche su un campione caratteristico di edifici che rappresentano il parco edilizio esistente. L epoca di costruzione dovrà tener conto delle caratteristiche costruttive e del livello di isolamento adottato dagli edifici in relazione alla politiche energetiche presenti. In particolare si fa riferimento ad alcuni periodi storici significativi che caratterizzano le tecnologie costruttive: prima del 1910 con edifici a struttura portante; coesistenza di murature portanti e strutture in cemento armato con murature di tamponamento; strutture in cemento armato con pareti di tamponamento isolate dopo la Legge 373/76; pareti di tamponamento più isolate volte al contenimento dei consumi energetici (con la Legge 10/91); infine, dopo il 2005 con il recepimento della Direttiva Europea 2002/91/CE si introducono valori di resistenza termica delle strutture di involucro ancora più elevati e impianti più efficienti (recepita in Italia dal DLGS 192/2005 e s.m.i.). La compattezza degli edifici, la superficie disperdente e il volume Guglielmina Mutani, Ricercatore, Dipartimento Energia, Politecnico di Torino Giovanni Vicentini, Consulente esterno, Ufficio Promozione Risparmio Energetico e Fonti Rinnovabili, Provincia di Torino

2 64 Energia & Edifici riscaldato sono le caratteristiche geometriche di un edificio che influenzano le dispersioni termiche per trasmissione e ventilazione nonché gli apporti solari di ogni edificio; questi parametri si possono ottenere dalla proiezione a terra e dall altezza di gronda degli edifici, quindi dal loro rapporto è possibile calcolare il fattore di forma di ogni edificio che viene successivamente utilizzato nel modello per calcolare in modo automatico il fabbisogno termico. Il fabbisogno termico per la climatizzazione invernale è quindi determinato a partire dall epoca di costruzione e dal fattore di forma degli edifici residenziali e questi parametri dovranno essere calcolati come attributi per ogni edificio. In realtà, nel database a nostra disposizione, una parte di questi dati è già disponibile, invece un altra dovrà essere calcolata; le modalità di raccolta e determinazione di questi dati verrà descritta nel quarto paragrafo. Per quanto riguarda la produzione di acqua calda sanitaria, il fabbisogno energetico è molto inferiore a quello per la climatizzazione invernale anche grazie alla vetustà del parco edilizio esistente. Il fabbisogno di energia primaria per la produzione acqua calda sanitaria è stato desunto dalla norma UNI/TS e da un confronto dello stato dell arte [3, 4 e 7] sempre in funzione dell epoca di costruzione degli edifici. Dopo aver completato la fase di raccolta dati e il calcolo del fattore di forma degli edifici, si potrà attribuire un valore di riferimento in kwh/m 2 a dei consumi di energia termica per la climatizzazione invernale e per la produzione di acqua calda sanitaria a ogni edificio. Il parco edilizio residenziale della città di Torino Torino è una città con più di abitanti e più di edifici (riferendosi alla CTC:2006) che si estende su una superficie di circa 130 km 2. Si trova nella zona climatica E, tipica della Pianura Padana con gradi-giorno. Il parco edilizio di Torino è quello tipico delle città italiane con una zona storica molto compatta e vetusta e zone che si sono aggiunte successivamente a ridosso del centro soprattutto nel dopo-guerra e tra gli anni 60 e 70, anche grazie alla Legge 167/1962 per il rilancio dell edilizia pubblica. In questi ultimi anni ha subito diverse trasformazioni grazie alla dismissione di grandi spazi industriali all interno della città e all opportunità che ha colto nel 2006 ospitando i giochi olimpici. Gli edifici sono in gran parte storici e comunque sono stati costruiti principalmente prima delle leggi sul contenimento dei consumi energetici. Inoltre, quasi tutti i quartieri sono caratterizzati da edifici in linea. Gli edifici tipo che caratterizzano il parco edilizio di Torino sono simili a quelli presenti in letteratura [3, 4, 5 e 7] con le seguenti tipologie edilizie: --Edificio singolo con 1-4 unità abitative: S/V medio = 0,82 m -1 ; --Palazzina piccola o villette a schiera con 5-15 unità abitative: S/V medio = 0,64 m -1 ; --Palazzina grande con unità abitative o edificio in linea: S/V medio = 0,51 m -1 ; --Grande condominio con più di 31 unità abitative: S/V medio = 0,36 m -1. I valori medi dei fattori di forma sono stati individuati dalla letteratura, ma presentano un range piuttosto piccolo per le palazzine medie e grandi e lasciando un range più elevato per gli edifici singoli e quelli compatti. Dalle simulazioni emerge che Torino presenta un parco edilizio caratterizzato principalmente da edifici compatti (per il 42%) e tale percentuale aumenta ancora considerando non il numero di edifici, ma il volume riscaldato. Inoltre, da un confronto con le epoche di costruzione, risulta che Torino ha un parco edilizio molto vecchio costituito principalmente da edifici non isolati: l 86% di edifici risulta costruito prima degli anni 70, il 64% prima degli anni 60 e solo lo 0,7% è stato costruito dopo il 2000 (si fa riferimento al parco edilizio del 2006). L elaborazione della mappa del fabbisogno termico di energia primaria per gli edifici Il fabbisogno di energia termica degli edifici, per semplicità di trattazione, viene distinto in fabbisogno per la climatizzazione invernale e per la produzione di acqua calda sanitaria. I modelli di fabbisogno devono essere confrontati con i consumi reali e il riferimento per quanto riguarda i consumi della Città di Torino è stato il Piano d azione per l energia sostenibile [8]. Per la costruzione del modello di fabbisogno sono stati analizzati alcuni studi [3, 4, 5 e 7] che hanno consentito di poter valutare il consumo energetico degli edifici considerando tipologie edilizie ricorrenti del settore residenziale in Piemonte e Lombardia. Questi quattro lavori sono confrontabili perché i modelli di fabbisogno energetico che ne derivano, tengono conto essenzialmente di due variabili: epoca di costruzione e fattore di forma degli edifici. Inoltre, [4, 5 e 6] confrontano anche i consumi reali con quelli calcolati. In [3], Fracastoro e Raimondo confrontano il fabbisogno di energia netta di diverse tipologie edilizie, distinte per epoca di costruzione e per zona climatica nella Regione Piemonte; il territorio della Regione Piemonte viene, infatti, suddiviso in sette zone climatiche: tre nella zona climatica E e quattro nella F. In questo lavoro viene anche calcolato il risparmio energetico del parco edilizio esistente in Piemonte a seguito di alcuni interventi di riqualificazione. In [4], l Istituto Regionale di Ricerca della Lombardia (IReR), partendo dai consumi reali degli edifici e da un analisi numerica su 28 edifici scelti in funzione dell anno di costruzione e della tipologia costruttiva, ha ricavato un modello di fabbisogno specifico di energia primaria per la climatizzazione invernale. L obiettivo era quello di determinare il risparmio energetico ed economico a seguito del miglioramento della classe energetica. I risultati di questo lavoro sono stati ripresi da Magrini et al. [5] e confrontati con i consumi reali degli edifici. Infine in [7], Corrado et al. calcolano il fabbisogno di energia primaria per 32 tipologie edilizie suddivise in otto epoche di costruzione e quattro tipologie edilizie per la zona climatica E. Quindi viene determinato il risparmio energetico a seguito di una riqualificazione standard o avanzata. In questo lavoro è stato confrontato il fabbisogno per la climatizzazione invernale di energia netta [3 e 7] e di energia

3 Energia & Edifici primaria [4, 5 e 7] considerando tipologie edilizie differenti per le diverse epoche di costruzione. Naturalmente il fabbisogno energetico di Milano [4 e 5] è stato ricondotto a quello di Torino attraverso un coefficiente correttivo dato dal rapporto tra i gradigiorno dei due capoluoghi. Infine, nota la volumetria degli edifici residenziali a Torino, è stata scelta la correlazione del fabbisogno energetico che più si avvicina al fabbisogno medio indicato dal Piano d azione per l energia sostenibile per le diverse epoche di costruzione (escludendo gli usi cucina) [8]. Si è tenuto conto che i consumi energetici considerati nel Piano d azione per l energia sostenibile fanno riferimento all anno 2005 e quindi il modello tiene conto dei gradi-giorno di quell anno calcolati sulla base dei dati climatici registrati presso la centralina del Politecnico (Living Lab - smartgreenbuilding@polito.it). In Figura 1 viene rappresentata la procedura di calcolo utilizzata. che possono avere modificato nel corso degli anni il consumo degli edifici. Come risulta anche da altre ricerche [5, 9, 10, 11], per tener conto di questi fattori e adeguare i modelli al consumo effettivo, i risultati delle simulazioni del fabbisogno energetico specifico degli edifici per la climatizzazione invernale (secondo le norme UNI/TS 11300) vengono moltiplicati per un fattore correttivo che in questo caso corrisponde a +3,6%, considerando i dati climatici degli anni e +4,4% con quelli degli ultimi ventidue anni. Da questo confronto il valor medio di fabbisogno specifico che si ottiene è di 190,0 kwh/(m 2 a) che paragonato al 188,3 kwh/ (m 2 a) [8] denota un errore dell 1%; tale dato fa riferimento ai dati climatici medi della norma UNI 10349:1994. Facendo riferimento, invece, ai dati climatici medi degli ultimi ventidue anni a Torino, si ottiene un fabbisogno specifico di energia primaria pari a 174,3 kwh/(m 2 a) con un errore dell 1% rispetto ai 172,9 kwh/(m 2 a) di riferimento [8]. Per quanto riguarda la produzione acqua calda sanitaria, il fabbisogno di energia netta è stato considerato pari a 17,05 kwh/(m 2 a) considerando il dato medio proposto dalla norma UNI/TS :2008; per la valutazione dell energia primaria 1 si è scelto di considerare un rendimento medio variabile degli impianti per la produzione di acqua calda sanitaria in funzione dell epoca di costruzione. Tali dati emergono da un confronto dello stato dell arte [3, 4 e 7]. Il modello che deriva da questo lavoro per il fabbisogno di energia primaria per la climatizzazione invernale e la produzione di acqua calda sanitaria è descritto dalla Figura 2, tenendo conto delle temperature di Torino degli anni (UNI 10349:194). Utilizzando, invece, i dati climatici medi di Torino degli ultimi 22 anni, si riscontra una diminuzione del fabbisogno energetico legata a un aumento medio della temperatura dell aria esterna di 1,71 C durante la stagione di riscaldamento probabilmente per il figura 1 - Procedura di calcolo del modello di fabbisogno energetico degli edifici e della città di Torino. Nel Piano d azione per l energia sostenibile i consumi termici degli edifici a uso abitativo della città di Torino sono stati classificati in base a quattro classi di epoca di costruzione [8]. Ciò ha consentito di confrontare i dati di consumo sia a livello di definizione di un modello di fabbisogno specifico, sia nella validazione del modello con i dati globali di consumo urbano. Tale valutazione è stata fatta considerando sia i dati climatici di Torino della norma UNI 10349:1994 ( ), sia quelli medi degli ultimi ventidue anni ( ). Il fabbisogno energetico nel modello semplificato dipende solo dall epoca di costruzione e dal fattore di forma. Questa semplificazione non tiene conto di importanti fattori quali: la penetrazione solare, considerando le ombre portate dagli altri edifici e l orografia del territorio; il valore variabile della temperatura dell aria interna, che in impianti a intermittenza è spesso diversa dai 20 C, ma soprattutto non si considerano le opere di riqualificazione energetica figura 2 - Indicatore di prestazione energetica globale per la città di Torino considerando i dati climatici medi della norma UNI 10349: Utilizzando i fattori di conversione indicati nella norma UNI/TS paragrafo 6.1

4 66 Energia & Edifici fenomeno dell isola di calore; a gennaio, che è il mese più freddo, tale aumento di temperatura raggiunge i 2,8 C. I dati a disposizione per l applicazione QGis Una parte dei dati necessari alla valutazione del fabbisogno termico degli edifici con sistemi geografici liberi (QGis) era già a nostra disposizione, proveniente in particolar modo dal geoportale del Comune di Torino. Tali dati sono stati selezionati per la definizione dei parametri necessari per calcolare il fabbisogno termico: la destinazione d uso, il fattore di forma e il periodo di costruzione degli edifici. Per il calcolo del fattore di forma sono necessarie le proiezioni a terra e l altezza di gronda degli edifici. Questi dati sono stati ottenuti dallo shapefile areale della carta tecnica comunale (CTC) della Città di Torino, suddivisi per circoscrizione comunale e dallo shapefile puntuale costituente la rete geodetica comunale, entrambi disponibili sul geoportale del Comune di Torino. Il layer della CTC campisce interamente la superficie comunale e il campo tipo definisce la tipologia di ciascun elemento; sono quindi stati selezionati solo gli edifici residenziali. Il layer della rete geodetica contiene un ricco seminato di punti quotati; sottraendo le quote del terreno alle quote di gronda è possibile attribuire a ciascun edificio un altezza. Il fattore di forma è stato ottenuto dapprima calcolando la superficie disperdente come se l edificio fosse isolato rispetto al tessuto urbano e successivamente sottraendo le superfici comuni a edifici adiacenti. Inoltre, il modello, che è stato elaborato in questo lavoro, consente anche di considerare la percentuale dei vani non riscaldati e la superficie effettiva disperdente per ogni tipologia di edificio in modo da calcolare un fattore di forma il più possibile esatto anche con una procedura automatica su tutta la città. Per una definizione più precisa della destinazione d uso degli edifici è stato utilizzato anche il PRG del Comune di Torino e i dati ISTAT (sebbene aggiornati al 2001). Il PRG zonizza il territorio in ambiti omogenei, differenziando le destinazioni d uso. La banca dati ISTAT, relativa al censimento della popolazione e delle abitazioni del 2001, identifica le sezioni di censimento all interno delle quali non è presente alcun edificio a uso abitativo. I dati del censimento ISTAT del 2001 sono stati particolarmente utili per definire anche la percentuale occupata degli edifici, nonché altre caratteristiche socio-economiche che saranno utilizzate in una seconda fase di questa ricerca. Il problema di questi dati è che non sono riferiti al singolo edificio, ma alla sezione di censimento che per Torino può essere identificata con l isolato. Per la definizione dell epoca di costruzione degli edifici è stato utilizzato, infine, lo shapefile areale VV_edifici_epoca, disponibile sul geoportale del Comune di Torino, che contiene il tessuto edificato a cui è associato l attributo relativo al periodo di costruzione. Le classi individuate nello shapefile sono le seguenti: fino al 1918, , , , , , , e dal La base di dati cui si fa riferimento per una valutazione georiferita dipende molto dalla bontà e precisione dei dati. Per questo motivo, si è deciso di partire dal calcolo del fabbisogno energetico della città di Torino. Tale lavoro sarà poi esteso alla Provincia di Torino. Risultati I risultati del modello proposto in questo lavoro sono compatibili con i risultati di consumo in quanto il fabbisogno specifico medio degli edifici risulta pari a 212 kwh/(m 2 a), ma tenendo conto dell effettivo volume riscaldato si ottiene un fabbisogno specifico medio pesato di 177 kwh/(m 2 a). In Figura 3 e 4 sono rappresentati i risultati del modello applicati alla città di Torino con il software QGis. Ogni edificio ha degli attributi che rappresentano tutte le caratteristiche che influenzano il suo fabbisogno energetico. In Figura 4, per rappresentare il fabbisogno energetico, sono state scelte le classi energetiche della Regione Piemonte (secondo la DGR n del 4 agosto 2009). Si ricorda, però, che il fabbisogno di energia primaria rappresentato in questo lavoro corrisponde al consumo effettivo che tiene conto, ad esempio, anche del tasso di occupazione degli edifici. La classe energetica più comune è la D (143 EPgl < 201 kwh/ m²) con il 46,3% di edifici. Naturalmente questo modello farà si figura 3 - Rappresentazione dell epoca di costruzione degli edifici nella zona del Valentino a Torino figura 4 - Rappresentazione della classe energetica (per la Regione Piemonte) degli edifici nella zona del Valentino a Torino

5 Energia & Edifici tabella 1 - Numero di edifici con diversa epoca di costruzione e classe energetica che gli edifici più compatti e più recenti appartengano alle classi energetiche migliori, invece quelli con fattore di forma maggiore (più disperdenti) e più vecchi appartengano a classi energetiche peggiori (vedi Tabella 1). Conclusioni Le indicazioni delle nuove Direttive Europee, tra cui l Energy Efficiency Directive 2012/27/UE, indicano che dovrà esserci un maggior impegno degli Stati membri volto all ottimizzazione dell utilizzo delle fonti energetiche. Ciò potrà essere ottenuto con la riduzione delle emissioni climalteranti, il risparmio energetico e l utilizzo delle fonti rinnovabili e sicuramente il settore civile dovrà essere coinvolto. Questo lavoro parte dalla constatazione che l utilizzo delle fonti energetiche rinnovabili e il risparmio energetico nel settore civile dipende dalle caratteristiche del parco edilizio esistente e dalla disponibilità delle fonti energetiche sul territorio; quindi l utilizzo dei sistemi informativi geografici (GIS) può dare un grande aiuto a livello di pianificazione delle azioni. Nello specifico, il presente studio si propone di caratterizzare gli edifici residenziali attraverso gli attributi geometrici, tipologici e di fabbisogno energetico; questi ultimi si trovano già in letteratura, ma in questo lavoro sono stati adattati al parco edilizio esistente della città di Torino. Tale metodologia, associata all utilizzo di un software GIS, consente di mappare sul territorio le criticità dei consumi energetici e localizzare puntualmente gli interventi di contenimento del consumo nonché l opportunità di pianificare l adozione di fonti energetiche rinnovabili disponibili. Il software di georeferenziazione open source non è utilizzato solo per rappresentare dei dati ma anche per elaborare nuove informazioni, su cui poter condurre anche analisi statistiche (come è già stato fatto per Ferrara [12]). L obiettivo di questo lavoro è quello di realizzare una procedura che potrà essere estesa su un territorio più vasto, con un livello di approssimazione che dipenderà dalla disponibilità e qualità dei dati di partenza. Ciò consentirà anche di poter valutare l impatto delle diverse politiche energetiche sul territorio e integrare tale procedura successivamente se si avessero dati migliori rispetto a quelli ora disponibili. Bibliografia 1. Heiple S., Sailor D.J., Using building energy simulation and geospatial modeling techniques to determine high resolution building sector energy consumption profiles, Energy and Buildings 40 (2008), pp Kavgic M., Mavrogianni A., Mumovic D., Summerfield A., Stevanovic Z., Djurovic-Petrovic M., A review of bottom-up building stock models for energy consumption in the residential sector, Building and Environment 45 (2010), pp Fracastoro G.V., Raimondo L., Progetto di ricerca finanziato con contributo della Fondazione CRT Caratterizzazione energetica del patrimonio edilizio presente sul territorio piemontese e valutazione degli interventi di riqualificazione, Relazione finale, Torino, gennaio IReR Istituto Regionale di Ricerca della Lombardia, PROGRAMMA DELLE RICERCHE STRATEGICHE 2004/2005 Produzioni e uso razionale e sostenibile dell energia. PARTE II Efficienza energetica in Lombardia: scenario e strumenti di intervento (Cod. IReR 2004A027), Rapporto finale, Milano, novembre Magrini A., Pernetti R., Magnani L., Consumi energetici del parco edilizio esistente. Alcune considerazioni, La Termotecnica, maggio Fracastoro G.V., Serraino M., A methodology for assessing the energy performance of large scale building stoks and possible applications, Energy and Buildings 43 (2011), pp Corrado V., Ballarini I., Corgnati S. P., Talà N., Building Typology Brochure - Italy. Fascicolo sulla Tipologia Edilizia Italiana, Intelligent Energy Europe, dicembre AA.VV., Piano d azione per l energia sostenibile, TAPE Turin Action Plan for Energy, Città di Torino, 18 novembre 2010 ( torino.it/ambiente/bm~doc/tape-3.pdf). 9. Tronchin L., Fabbri K., Energy performance building evaluation in Mediterranean countries: Comparison between software simulations and operating rating simulation, Energy and Buildings 40 (2008) Tronchin L., Fabbri K., A Round Robin Test for buildings energy performance in Italy, Energy and Buildings 42 (2010), pp Ballarini I., Corrado V., Application of energy rating methods to the existing building stock: Analysis of some residential buildings in Turin, Energy and Buildings 41 (2009), pp Fabbri K., Zuppiroli M., Ambrogio K., Heritage buildings and energy performance: Mapping with GIS tools, Energy and Buildings 48 (2012), pp