Edifici a energia quasi zero

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1 Edifici a energia quasi zero Come riqualificare il costruito Ilaria Ballarini, Simona Paduos, Elisa Primo, Vincenzo Corrado Dipartimento Energia - Politecnico di Torino 1. INTRODUZIONE I consumi energetici destinati agli usi finali del settore civile rappresentano la prima voce del bilancio energetico nazionale (37% sul totale) [1] e incidono fortemente sulle emissioni di anidride carbonica dovute alla combustione di fonti fossili. Questo dato è in linea con la situazione europea, perciò il miglioramento della prestazione energetica degli edifici europei è un aspetto di fondamentale importanza, non solo per il raggiungimento degli obiettivi fissati per il 2020 da parte dell Unione Europea, ma anche per il conseguimento degli obiettivi più a lungo termine della strategia climatica nell ambito della tabella di marcia verso un economia a bassa intensità di carbonio entro il La legislazione italiana vigente, che recepisce la Direttiva Europea 2010/31/UE (EPBD recast) sulla prestazione energetica nell edilizia [2] prescrive che entro il 31 dicembre 2020 tutti gli edifici di nuova costruzione siano a energia quasi zero e a partire dal 31 dicembre 2018 gli edifici di nuova costruzione occupati da enti pubblici e di proprietà di questi ultimi siano a energia quasi zero. Di fatto però le nuove costruzioni rappresentano solo una piccola porzione dell enorme patrimonio edilizio e l obiettivo energia quasi zero per le nuove costruzioni potrà contribuire solo in minima parte alla riduzione dei consumi energetici legati agli usi civili. Inoltre la grandissima maggioranza del patrimonio edilizio esistente in Italia, come in Europa, è costituito da edifici realizzati prima dell entrata in vigore di qualsiasi provvedimento sull efficienza energetica e molti di essi non sono mai stati oggetto di interventi di riqualificazione energetica. Ne consegue che l efficienza energetica del patrimonio edilizio esistente è una misura imprescindibile per ridurre i consumi di energia e anche la Commissione europea ne riconosce l importanza e invita, con la raccomandazione UE 2016/1318 [2], gli Stati membri ad accelerare l'elaborazione di politiche specifiche a sostegno della ristrutturazione degli edifici esistenti per trasformarli in edifici a energia quasi zero. A livello nazionale, in recepimento della Direttiva europea sono stati definiti le prescrizioni e i requisiti minimi in materia di prestazioni energetiche degli edifici da rispettare per gli edifici nuovi ed esistenti sottoposti a ristrutturazione. Nell ambito dell attività di ricerca Studio sulla prestazione energetica di edifici riqualificati a energia quasi zero, finanziata da RSE (Ricerca sul Sistema Energetico), sono state valutate le tecnologie conformi alla trasformazione di alcuni edifici esistenti, rappresentativi del patrimonio edilizio nazionale, in edifici a energia quasi zero, attraverso interventi di ristrutturazione globale, secondo i requisiti definiti dal quadro legislativo nazionale. Novembre

2 2. QUADRO METODOLOGICO 2.1. I requisiti degli edifici a energia quasi zero Il concetto di edificio a energia quasi zero (nzeb: nearly Zero-Energy Building) compare per la prima volta nella Direttiva europea 2010/31/UE (EPBD recast) e viene recepito a livello italiano dalla Legge 90 del 2013 [4], che modifica e integra il D.Lsg. 192/2005, con la definizione di un edificio ad altissima prestazione energetica il cui fabbisogno energetico molto basso o quasi nullo dovrebbe essere coperto in misura molto significativa da energia da fonti rinnovabili, compresa l energia da fonti rinnovabili prodotta in situ. Inoltre la L. 90/2013 recepisce l articolo 9 dell EPBD recast e prescrive che dovranno essere edifici a energia quasi zero: tutti gli edifici di nuova costruzione a partire dal ; gli edifici di nuova costruzione occupati da enti pubblici e di proprietà di questi ultimi a partire dal Successivamente a livello nazionale il D.M Requisiti Minimi [5], provvedimento attuativo del D.Lsg. 192/2005 e s.m.i., chiarisce che sono da definirsi edifici a energia quasi zero tutti gli edifici, siano essi di nuova costruzione o esistenti, che rispettano: specifici requisiti relativi al fabbricato, all involucro edilizio, ai sistemi impiantistici e alla prestazione energetica dell edificio; l obbligo di integrazione delle fonti rinnovabili, secondo i principi minimi previsti dal relativo D. Lgs. 28/2011 [6]. In dettaglio i requisiti fissati dal D.M. Requisiti Minimi sono così articolati: rispetto dei valori limite dei seguenti parametri, determinati con i valori vigenti dal 1 gennaio 2019 per gli edifici pubblici e dal 1 gennaio 2021 per tutti gli altri edifici: - coefficiente medio globale di scambio termico per trasmissione per unità di superficie disperdente (H T); - area solare equivalente estiva per unità di superficie utile (Asol,est/Asup,utile); - indici di prestazione termica utile per riscaldamento e raffrescamento (EPH,nd, EPC,nd); - efficienza media stagionale degli impianti di climatizzazione invernale ( H), di climatizzazione estiva ( C) e di produzione di acqua calda sanitaria ( W); - indice di prestazione energetica globale totale dell edificio (EPgl,tot); copertura, tramite il ricorso ad energia prodotta da impianti alimentati da fonti rinnovabili, delle seguenti quote: - 50% dei consumi previsti per l acqua calda sanitaria (55% per gli edifici pubblici); - 50% della somma dei consumi previsti per il riscaldamento, l acqua calda sanitaria e il raffrescamento (55% per gli edifici pubblici) Valutazione della prestazione energetica degli edifici Lo scopo dell attività è la valutazione della prestazione energetica e i potenziali risparmi energetici conseguibili in seguito alla trasformazione degli edifici esistenti in nzeb. Affinché i risultati siano estendibili all intero parco edilizio residenziale esistente, i casi studio analizzati Novembre

3 sono edifici-tipo rappresentativi del parco edilizio nazionale, definiti nell ambito del progetto di ricerca europeo TABULA [7]. Per il calcolo della prestazione energetica degli edifici si adotta il metodo di calcolo semistazionario, definito dalla serie di specifiche tecniche UNI/TS [8], con riferimento ad una valutazione energetica in condizioni standard. 3. CALCOLO 3.1. Casi studio Nel presente articolo sono presi in esame quattro casi studio a destinazione d uso residenziale, di due tipologie edilizie, collocati in due differenti zone climatiche. Il primo caso studio è un grande condominio dell epoca di costruzione ; il secondo caso studio è un abitazione monofamiliare dell epoca Gli edifici considerati sono collocati a Palermo (PA, 751 gradi giorno, zona climatica B), e a Milano (MI, 2404 gradi giorno, zona climatica E). Le principali caratteristiche geometriche e impiantistiche dei casi studio selezionati sono riportati in Tabella 1. Novembre

4 Tabella 1 Principali caratteristiche dei casi studio. Dati Parametro Grande condominio Abitazione monofamiliare PA MI PA MI Immagine Geometria Costruzione Efficienza dei sistemi impiantistici (valore medio annuale/ stagionale) V l [m 3 ] A f,n [m 2 ] Intero edificio A env/v l [m -1 ] 0,46 0,70 A w [m 2 ] ,54 n. piani [ ] 4 2 n. u.i. [ ] 24 1 U wl [W m -2 K -1 ] 2,40 1,15 1,38 1,26 Involucro opaco U wl,u [W m -2 K -1 ] 1,97 2,32 U fl,up [W m -2 K -1 ] 1,63 1,65 1,63 1,65 U fl,lw [W m -2 K -1 ] 1,33 1,30 2,00 2,00 Serramenti U w [W m -2 K -1 ] 4,90 4,90 4,90 4,90 g gl,n [ ] 0,85 0,85 0,85 0,85 Emissione (radiatori) H,e [ ] 0,90 0,90 0,90 0,88 Regolazione H,c [ ] 0,85 0,85 0,85 0,85 Distribuzione H,d [ ] 0,901 0,901 0,901 0,901 Generazione (generatore standard a H,gn [ ] 0,85 0,85 0,73 0,73 gas) Generazione (bollitore elettrico/ Generatore standard combinato a W,gn [ ] 0,75 0,75 0,77 0,77 gas) Emissione (unità interne sistemi split) C,e [ ] 0,97 0,97 0,97 0, Misure di efficienza energetica per la trasformazione degli edifici in nzeb Le misure di efficienza energetica, adottate per la trasformazione degli edifici esistenti in nzeb, sono in primo luogo volte alla riduzione della domanda di energia con l isolamento dell involucro edilizio e l installazione di sistemi impiantistici più efficienti e in secondo luogo prevedono l integrazione con fonti di energia rinnovabile. Le combinazioni di misure di efficienza energetica applicate a ciascun edificio sono definite in funzione delle possibili configurazioni del sistema edificio-impianto. Nei casi studio presentati sono state individuate le seguenti configurazioni: - abitazione monofamiliare, dotata di impianto centralizzato combinato per riscaldamento, ACS e raffrescamento; Novembre

5 - grande condominio, dotato di impianto di riscaldamento centralizzato, produzione di ACS autonoma, raffrescamento autonomo. Le misure di efficienza energetica, adottate per la trasformazione degli edifici esistenti in nzeb, sono elencate in Tabella 2. Le tecnologie adottate nel processo di riqualificazione energetica sono individuate in un ottica di equo rapporto costi/benefici, e tendono quindi ad evitare interventi particolarmente invasivi ed onerosi. Per questa ragione non sono proposti interventi di sostituzione dei terminali di emissione per il riscaldamento e per il raffrescamento con pannelli radianti ovvero interventi di rifacimento complessivo degli impianti termici. Tabella 2 Interventi di efficienza energetica adottati nei casi studio. ID Grande Abitazione Misure di efficienza energetica interventi condominio monofamiliare A Isolamento termico dell involucro edilizio opaco X X B Involucro trasparente - sostituzione dei serramenti X X C Installazione di schermature solari X X D Installazione di un sistema di recupero termico sulla opzionale opzionale ventilazione E Sostituzione del gruppo frigorifero X F Sostituzione del generatore per riscaldamento* G Sostituzione del generatore per ACS H Sostituzione del generatore combinato per X riscaldamento e ACS* I Installazione di pompa di calore per riscaldamento, ACS X e raffrescamento* L Installazione di pannelli solari termici X M Installazione di pannelli solari fotovoltaici X X *più sistema di regolazione climatica+ambiente 3.3. Assunzioni di calcolo e condizioni al contorno In accordo con il metodo di calcolo semi-stazionario, sono state adottate le seguenti assunzioni e semplificazioni: dati climatici di Milano e Palermo tratti dalla norma nazionale UNI :2016 [9]; valutazione semplificata degli apporti interni, della capacità termica dell edificio, della temperatura degli spazi non climatizzati, in accordo alle assunzioni definite nella specifica tecnica UNI/TS :2014; valore del fattore di riduzione per ombreggiatura per ostruzioni esterne fissato a 0,8; frazione di area relativa al telaio per tutti i componenti finestrati fissata a 0,2; la trasmittanza termica dei componenti opachi include l effetto dei ponti termici, tasso di ricambio d aria per ventilazione naturale fissato a 0,3 h -1 ; funzionamento continuo degli impianti di climatizzazione con temperatura invernale di set point di 20 C e temperatura estiva di set point di 26 C; Novembre

6 fattori di conversione in energia primaria fissati a 2,42 (1,95 non rinnovabile più 0,47 rinnovabile) per elettricità, a 1,05 per i combustibili fossili (interamente non rinnovabile), a 1,00 per l energia elettrica prodotta da fotovoltaico e per l energia termica dall ambiente esterno con pompa di calore (completamente rinnovabile in entrambi i casi). L energia termica prodotta dai pannelli solari termici è considerata come riduzione della domanda di energia per riscaldamento e/o ACS. L energia elettrica prodotta dai pannelli solari fotovoltaici è considerata come riduzione della domanda di energia elettrica; l energia elettrica esportata non è tenuta in considerazione. 4. RISULTATI E CONCLUSIONI Le misure di efficienza energetica che consentono di trasformare gli edifici esistenti oggetto di studio in edifici nzeb sono riportate in Tabella 3. Novembre

7 Tabella 3 Interventi di efficienza energetica adottati nei casi studio per la riqualificazione in nzeb. ID interventi Abitazione Misure di efficienza Grande condominio Parametro monofamiliare energetica PA MI PA MI A Isol. parete esterna U wl [W m -2 K -1 ] 0,43 0,24 0,43 0,24 Isol. parete verso ambienti non U wl,u [W m -2 K -1 ] 0,86 0,48 riscaldati Isol. copertura U fl,up [W m -2 K -1 ] 0,39 0,22 0,50 0,22 Isol. solaio inferiore U fl,lw [W m -2 K -1 ] 0,88 0,48 0,44 0,24 B Sostituzione dei serramenti U w [W m -2 K -1 ] 3,00 1,10 3,00 1,10 C Schermature solari s [ ] 0,35 0,57 0,39 0,57 D Sistema di recupero termico sulla V [ ] 0,9 0,9 0,9 0,9 ventilazione E Gruppo frigorifero EER [ ] 3,4 3,4 F Generatore per H,gn o [ ] riscaldamento* COP H 2,9 2,9 G Generatore per ACS W,gn o [ ] COP W 2,3 2,3 H Generatore H+W,gn combinato per o riscaldamento e COP H+W ACS* [ ] Pompa di calore per EER [ ] 3,4 3,4 I riscaldamento, ACS e raffrescamento* COP H+W [ ] 2,4 2,4 L Pannelli solari termici A coll [m 2 ] M Pannelli solari fotovoltaici W PV,p [kw] ,5 2,5 *più regolazione climatica+ ambiente Termostato PI H,c [ ] 0,995 0,995 0,995 0,995 In Figura 1 sono rappresentati i fabbisogni di energia termica utile per la climatizzazione invernale ed estiva e i fabbisogni di energia primaria non rinnovabile per la climatizzazione invernale, estiva e per la produzione di acqua calda sanitaria degli edifici residenziali considerati, nelle diverse località e zone climatiche nella condizione allo stato di fatto e a seguito della trasformazione in nzeb. I risultati considerano l ipotesi di installazione di ventilazione meccanica controllata. Novembre

8 Figura 1 Fabbisogno di energia termica utile per la climatizzazione invernale ed estiva per unità di superficie climatizzata per le città di Palermo (a) e Milano (b). Fabbisogno di energia primaria non rinnovabile per unità di superficie climatizzata per le città di Palermo (c) e Milano (d). L analisi ha avuto lo scopo di evidenziare quali soluzioni tecnologiche attualmente disponibili sul mercato possano essere utilizzate ai fini del soddisfacimento dei requisiti nzeb in caso di edifici esistenti, mediante interventi di riqualificazione non invasivi. Per i casi studio analizzati sono emerse alcune criticità nell applicazione dei requisiti minimi per il soddisfacimento del target nzeb, così come definito dal Decreto Requisiti Minimi attualmente vigente. Il rispetto del valore massimo ammissibile dell area solare equivalente estiva per unità di superficie utile (Asol,est/Asup,utile) impone, in presenza di elevata superficie trasparente rispetto a quella totale disperdente, di schermare più di quanto stabilito per l edificio di riferimento (fattore solare del sistema vetro+schermatura ggl+sh di 0,35). In riferimento alle tecnologie impiantistiche, si è inoltre osservato che il rispetto degli obblighi di integrazione delle fonti rinnovabili riduce notevolmente la gamma di prodotti utilizzabili. Per i casi studio analizzati, la caldaia a condensazione, ad esempio, non permette di rispettare le percentuali di energia da fonti rinnovabili richieste dal Decreto Requisiti Minimi per un edificio a energia quasi zero, neppure quando a questa si associano pannelli solari e fotovoltaici. A seconda delle configurazioni del sistema edificio-impianto descritte nel paragrafo 3.2, si sono quindi di conseguenza adottate le seguenti tecnologie: - abitazione monofamiliare, dotata di impianto centralizzato combinato per riscaldamento e ACS e raffrescamento; Novembre

9 o pompa di calore elettrica aria-acqua centralizzata combinata per il riscaldamento e la produzione di acqua calda sanitaria, con mantenimento del generatore di calore esistente come ausiliario; o pompa di calore elettrica aria-aria per il raffrescamento. - grande condominio, dotato di impianto di riscaldamento centralizzato, produzione di ACS autonoma, raffrescamento autonomo: o pompa di calore elettrica aria-acqua centralizzata per il riscaldamento, con mantenimento del generatore di calore esistente come ausiliario; o pompa di calore elettrica aria-acqua autonoma per la produzione di acqua calda sanitaria per ciascuna unità immobiliare con accumulo di dimensioni variabili in funzione dell unità immobiliare. L ausiliario per la produzione di acqua calda sanitaria dai calcoli non è risultato necessario. o pompa di calore elettrica aria-aria autonoma per il raffrescamento. Ai suddetti impianti per riscaldamento, produzione di ACS e raffrescamento, è stata associata l installazione di pannelli solari fotovoltaici secondo le indicazioni del D. Lgs. 28/2011 (20 W/m 2 di impronta a terra dell edificio). Si evidenzia però che non sempre tale potenza elettrica minima è sufficiente al rispetto dei requisiti definiti dal Decreto Requisiti Minimi per il soddisfacimento del target nzeb (copertura, tramite il ricorso ad energia prodotta da impianti alimentati da fonti rinnovabili, del 50% dei consumi previsti per l acqua calda sanitaria e della stessa quota della somma dei consumi previsti per il riscaldamento, l acqua calda sanitaria e il raffrescamento). L installazione di collettori solari termici, previsti nel precedente paragrafo 3.2 quale possibile tecnologia adottabile per la riqualificazione degli edifici in nzeb in caso di abitazioni monofamiliari, non risulta necessaria in quanto l adozione combinata di pompa di calore ed impianto solare fotovoltaico permette di rispettare l obbligo di integrazione delle fonti rinnovabili sia per la sola produzione di acqua calda che per l insieme dei consumi per il riscaldamento, l acqua calda sanitaria e il raffrescamento. La ventilazione meccanica controllata non risulta una tecnologia fondamentale per il raggiungimento dell obiettivo nzeb: sebbene riduca notevolmente il fabbisogno energetico netto dell edificio, l adozione di tale tecnologia in alcuni casi necessita di un incremento della superficie fotovoltaica al fine del rispetto degli obblighi di integrazione delle fonti rinnovabili. In Tabella 4 si riporta lo spessore di isolante da aggiungere a quello attualmente presente nei componenti di involucro opaco sia verticale che orizzontale degli edifici allo stato di fatto, conseguente alla riqualificazione in nzeb. Gli spessori minimi ( min ) sono stati calcolati assumendo una conducibilità termica del materiale isolante di 0,03 W/(m K); gli spessori massimi ( max ) sono stati calcolati assumendo una conducibilità termica del materiale isolante di 0,04 W/(m K). Novembre

10 Tabella 4 Spessore di isolante addizionale [m] per la riqualificazione energetica degli edifici esistenti in nzeb. ID interventi A Misure di efficienza energetica Isol. parete esterna Isol. parete verso ambienti non riscaldati Isol. copertura Isol. solaio inferiore Grande condominio Abitazione monofamiliare PA MI PA MI min 0,06 0,09 0,05 0,09 max 0,08 0,12 0,06 0,12 min 0,02 0,04 max 0,03 0,06 min 0,06 0,11 0,04 0,11 max 0,08 0,14 0,06 0,14 min 0,01 0,03 0,05 0,10 max 0,02 0,05 0,07 0,13 BIBLIOGRAFIA [1] ENEA, Rapporto Annuale Efficienza Energetica 2016, Ente per le nuove tecnologie, l Energia e l Ambiente, [2] Direttiva 2010/31/UE del Parlamento Europeo e del Consiglio del 19 maggio 2010 sulla prestazione energetica nell edilizia (EPBD recast), pubblicata sulla Gazzetta Ufficiale dell Unione Europea n. L153/13 del 18 giugno [3] Raccomandazione UE 2016/1318 della Commissione del 29 luglio 2016 recante orientamenti per la promozione degli edifici a energia quasi zero e delle migliori pratiche per assicurare che, entro il 2020, tutti gli edifici di nuova costruzione siano a energia quasi zero, pubblicata sulla Gazzetta Ufficiale dell Unione Europea n. L208/46 del 2 agosto [4] Legge 3 agosto 2013, n. 90 Conversione, con modificazioni, del decreto-legge 4 giugno 2013, n. 63, recante disposizioni urgenti per il recepimento della Direttiva 2010/31/UE del Parlamento europeo e del Consiglio del 19 maggio 2010, sulla prestazione energetica nell'edilizia per la definizione delle procedure d'infrazione avviate dalla Commissione europea, nonché altre disposizioni in materia di coesione sociale, pubblicata sulla Gazzetta Ufficiale n. 181 del 3 agosto [5] Decreto Ministeriale 26 giugno 2015 Applicazione delle metodologie di calcolo delle prestazioni energetiche e definizione delle prescrizioni e dei requisiti minimi degli edifici, pubblicato sulla Gazzetta Ufficiale n. 162 del 15 luglio 2015 Supplemento Ordinario n. 39. [6] Decreto Legislativo 3 marzo 2011, n. 28 Attuazione della direttiva 2009/28/CE sulla promozione dell'uso dell'energia da fonti rinnovabili, recante modifica e successiva abrogazione delle direttive 2001/77/CE e 2003/30/CE, pubblicato sulla Gazzetta Ufficiale n. 71 del 28 marzo 2011 Supplemento Ordinario n. 81. [7] Corrado V., Ballarini I., Corgnati S., Building Typology Brochure Italy. Fascicolo sulla Tipologia Edilizia Italiana, Politecnico di Torino, Novembre

11 [8] UNI/TS :4 (serie) Prestazioni energetiche degli edifici, Marzo 2010-Ottobre [9] UNI Riscaldamento e raffrescamento degli edifici - Dati climatici - Parte 1: Medie mensili per la valutazione della prestazione termo-energetica dell'edificio e metodi per ripartire l'irradianza solare nella frazione diretta e diffusa e per calcolare l'irradianza solare su di una superficie inclinata, Marzo Novembre