Risanamento generale del liceo di Sonthofen

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1 Zumtobel Research Risanamento generale del liceo di Sonthofen Ratec Licht, Lindenberg DE Zumtobel Lighting Application Management, Dornbirn AT ISBN

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3 Zumtobel Research Risanamento generale del liceo di Sonthofen Prefazione 5 Sintesi 6 1 Problematica 8 2 Stato attuale della scienza 3 Ipotesi della ricerca 4 Metodi di ricerca 4.1 Scelta dei metodi Impostazione dell esperimento Esecuzione dell esperimento Illuminazione dei locali Schermature antisolari Comandi/regolazioni 13 5 Risultati 15 6 Best Practice 16 7 Discussione e prospettive 17 8 Bibliografia 18 9 Breve profilo dei partner 19

4 Il liceo di Sonthofen

5 Prefazione 5 Il liceo di Sonthofen è una tipica costruzione degli Anni 70 basata su uno scheletro di cemento armato sul modello di Kassel. A quell epoca i costi d esercizio erano poco considerati. Nel frattempo però il bilancio energetico risulta decisamente negativo: è per questo che gli edifici di quel tipo e in Germania ce ne sono molti hanno urgente bisogno di risanamento. Gli interventi parziali, limitati in prevalenza all isolamento delle facciate, hanno dimostrato di dare risultati del tutto insoddisfacenti in termini energetici. Nel caso del liceo di Sonthofen si è operata una ristrutturazione radicale che ha portato a un consumo di energia primaria del tutto accettabile, analogo allo standard di una casa passiva. Il consumo di energia primaria risente soprattutto delle utenze elettriche come ad esempio l illuminazione, che incide con un fattore di 2,7. Di conseguenza l intento di questo progetto era adottare apparecchi d illuminazione efficienti, sfruttamento della luce diurna, schermature antisolari ottimizzate e un sistema bus con regolazione della luce decentralizzata. L edificio è stato anche ampliato di un piano che ha portato la superficie utile dai precedenti m 2 agli m 2. Ciò nonostante la ristrutturazione ha ridotto il fabbisogno di energia primaria da 37,1 a 17,6 kwh/m 2 a, mentre i consumi sono scesi da 13,7 kwh/m 2 a a 6,5 kwh/m 2 a.

6 Sintesi L amministrazione comunale di Sonthofen ha approvato il progetto di risanamento generale del liceo ponendo come condizione che si riducesse al massimo il consumo energetico: arrivando possibilmente, se fattibile sotto il profilo tecnico ed economico, allo standard di casa passiva. In concreto l obiettivo di consumo energetico per il riscaldamento si aggirava sui 15 kwh/m 2. Per quanto riguarda invece le utenze elettriche, attualmente non esistono ancora valori limite universali (di casa passiva) poiché nel caso di edifici non abitativi si hanno riferimenti diversi e specifici di volta in volta. Tuttavia nel passato più recente sono nate concezioni che riescono a trovare un buon equilibrio tra comfort degli utenti e fabbisogno di energia primaria, il tutto con costi d investimento e di esercizio indubbiamente moderati (vedi ad esempio i progetti EnOB e solari). Qui ci si è posti l obiettivo di energia primaria di max. 100 kwh/m 2 a, obiettivo che nella maggior parte dei casi è stato anche raggiunto, fra l altro includendo riscaldamento, condizionamento, acqua calda e illuminazione. Volendo ripartire equamente tale valore fra tutte le utenze, per ognuna rimangono kwh/m 2 a. E questo vale anche per l illuminazione. Con un fattore di energia primaria pari al 2,7 per l elettricità si ricava un fabbisogno energetico di circa 7,5 kwh/m 2 a per l illuminazione: questo per poter rimanere dentro l obiettivo di 20 kwh/m 2 a. Appare evidente che ciò è impossibile con i sistemi tradizionali. Date queste premesse, il progetto è stato articolato in diversi parametri così composti:

7 7 Parametri valutati 1. Illuminazione generale: impianto dimensionato a norma rispetto dei criteri qualitativi illuminotecnici scelta di prodotti ad alta efficienza ottimizzazione della potenza del sistema 2. Schermature antisolari: ottimizzazione delle schermature e del dosaggio di luce (direzionamento) riguardo per i costi provocati da manutenzione e danneggiamenti confronto di diversi sistemi lamellari 3. Comandi/regolazioni: definizione di una strategia di comando/regolazione della luce generale definizione di una strategia di comando/regolazione delle schermature antisolari comandi basati sulle presenze nelle aule e locali secondari Una volta concluso il progetto non è però ancora terminato il processo di ottimizzazione: il momento più importante è infatti quello in cui l intero impianto viene messo in funzione. Per questa fase è previsto un periodo di monitoraggio di tre anni durante i quali, attraverso un sistema bus, i parametri vengono progressivamente calibrati. Al momento del presente studio (marzo 2012) non ci sono ancora dati sui consumi reali in quanto il processo di costruzione non è ancora interamente ultimato.

8 1 Problematica 2 Stato attuale della scienza 3 Ipotesi della ricerca Problematica Oggigiorno qualsiasi risanamento implica provvedimenti per migliorare l efficienza energetica. Spesso le relative certificazioni beneficiano anche di incentivi. Per ambire a obiettivi di eccellenza bisogna però scegliere una concezione progettuale che preveda un sistema di comando e gestione in grado di far interagire le tecnologie più innovative per luce artificiale e diurna. Non bisogna poi dimenticare che tale scelta ha un impatto importante sul grado di accettazione degli utenti e sullo stato di benessere delle persone. Accade di frequente che vi siano accorgimenti illuminotecnici efficienti in termini di energia ma riduttivi per il mondo del lavoro e per la qualità di vita: ad esempio luce monotona o illuminamenti insufficienti, voluti da una progettazione troppo restrittiva. Stato attuale della scienza L odierna tecnologia per l illuminazione professionale offre sistemi innovativi che sanno garantire il massimo dell efficienza energetica ed anche il massimo comfort degli utenti. Ne costituisce un esempio una valida distribuzione fotometrica che non sia solo efficiente ma che limiti anche l abbagliamento. La luce più gradita e meglio accettata dagli utenti è quella diurna, presente in gran quantità per molte ore al giorno, gratuita, ma anche responsabile di temperature eccessive e di abbagliamenti. Per questo si adottano raffinati sistemi che dosano luce diurna e artificiale in modo da raggiungere il miglior risultato energetico possibile. Sfruttando al massimo la luce naturale e schermando il sole nella misura ideale si riesce ad offrire agli utenti un ottimo comfort senza sacrificare il bilancio energetico. Una regolazione perfettamente calibrata è possibile solo con un sistema di gestione della luce. Ipotesi della ricerca Il presente studio si pone la domanda che segue: con un sistema di gestione di luce diurna e artificiale ben progettato si possono definire parametri energetici rigorosi senza sacrificare il comfort degli utenti?

9 4 Metodi di ricerca Scelta dei metodi I dati energetici del liceo di Sonthofen sono stati analizzati e ottimizzati servendosi di programmi di calcolo di luce diurna e artificiale, di simulazioni e visualizzazioni di vari sistemi lamellari, di misurazioni in locali di prova. Inoltre vengono regolarmente migliorati attraverso interventi e misurazioni che continuano anche a lavori conclusi. 4.2 Impostazione dell esperimento Dopo aver analizzato e deciso i sistemi d illuminazione, di schermature lamellari e di comando della luce, si è calcolato e valutato il fabbisogno energetico dell illuminazione generale seguendo tre metodi di calcolo: fabbisogno energetico a norma DIN V fabbisogno energetico a norma MINERGIE fabbisogno energetico secondo un profilo degli utenti elaborato dal team di progetto. Il consumo energetico reale dell illuminazione viene tenuto sotto controllo e ottimizzato a lavori ultimati.

10 4.3 Esecuzione dell esperimento Illuminazione dei locali Data la profondità delle aule, che supera gli 8 m, si è scelto di disporre gli apparecchi d illuminazione su tre assi per garantire una luminosità uniforme. In un aula standard (superficie: circa 70 m 2, illuminamento: 300 lx) i primi calcoli hanno previsto un numero di 9 apparecchi (a sospensione, con ottiche schermate ed emissione diretta/indiretta), cadauno da 49 W. Discutendo i pro e i contro dei vari sistemi illuminotecnici si è poi deciso di installare plafoniere di tipo «Luce Morbida» che offrono una luce di qualità migliore (senza «effetto caverna»). In virtù dell ottimo rendimento e di una disposizione ideale, in un secondo momento si è riusciti a ridurre la potenza degli apparecchi portandola da 49 a 35 W (in aule da 70 m 2 e 300 lx). Concezione illuminotecnica delle aule Anche per l illuminazione delle lavagne si sono eseguiti diversi calcoli. In conclusione si è scelta una plafoniera di doppia lunghezza, ad emissione asimmetrica, con un armatura piatta di alluminio (2 x 1 x 54 W, 500 lx di illuminamento verticale sulla superficie della lavagna). Dalle misurazioni in un aula presa come modello è risultato un illuminamento di circa 460 lx ad impianto nuovo con un uniformità di 0.56 (g1 = E min / E medio ). Le misurazioni hanno confermato i valori fotometrici del calcolo (Em = 440 lx, g1 = 0,52). Per i corridoi sono stati scelti apparecchi da parete formati da un supporto (1 x 35 W) con un ottica di lamiera perforata bianca. Dopo aver completato l installazione, confrontando l impianto precedente e quello nuovo sono risultati i seguenti valori: Valori comparativi tra vecchio e nuovo impianto Superficie Numero Potenza Potenza Fabbisogno Fabbisogno utile apparecchi impegnata specifica energetico energetico dimmerata finale 3000 K m 2 nr. kw W/m 2 kw/m 2 a kw/m 2 a Vecchio impianto ,4 13,7 37,1 Nuovo impianto ,6 6,5 17,6 Il tratto delle aule è stato alzato di un piano.

11 Schermature solari La luce del sole può dare un enorme contributo a ridurre il consumo energetico dell illuminazione artificiale. Tuttavia il 42 % dei raggi solari sono infrarossi, ossia veicoli di calore. Ecco perché una schermatura solare (termica) ben funzionante risulta imprescindibile. Risanando un edificio si può intervenire ben poco sulla geometria dell immobile, a differenza di quanto si può fare invece con la facciata. Nel liceo di Sonthofen quasi tutte le aule hanno una profondità di 8,2 m, ossia tale da non poter ricevere sufficiente luce diurna fino in fondo. Con l allargamento delle vetrate si è riusciti a far entrare più luce nella metà adiacente alle finestre. Cionondimeno il quoziente di luce diurna passa dal 10 % accanto alle finestre all 1 % circa dopo la metà dei locali: in altre parole la parte più interna non riceve comunque luce naturale a sufficienza. Andamento dei quozienti di luce diurna dalla linea lungo la finestra fino alla parete interna (ca. 8 m). Il quoziente di luce diurna è il rapporto tra l illuminamento in un punto dell interno e l illuminamento esterno. Per distribuire la luce naturale in maniera un po più omogenea l unico sistema è una schermatura antisolare con lamelle che guidano la luce. I principali criteri di valutazione di un sistema di questo tipo sono: riduzione dell apporto termico protezione da luminanze eccessive (cioè dall abbagliamento) trasporto della luce diurna nelle parti più interne delle aule mantenimento del rapporto visivo con l esterno ottimizzazione energetica della luminosità costi di esercizio e manutenzione protezione dai danni meccanici Proseguendo l analisi si è deciso di integrare gli schermi lamellari dentro i due vetri delle finestre: questo sia per ridurre i costi di esercizio e manutenzione (proteggendo le veneziane dal clima esterno), sia per escludere il rischio di danni meccanici (atti vandalici dall interno). Per scegliere il sistema lamellare adeguato e per valutarne il risultato energetico è stata condotta una simulazione con vari modelli forniti dalla ditta ALware (Braunschweig).

12 Simulazione di vari sistemi lamellari Il confronto visivo e illuminotecnico dei tre sistemi scelti, messi in funzionamento per un intera giornata, ha dimostrato che il modello più indicato risultava essere quello con lamelle brillantate concave. In particolare dava i migliori risultati in termini di: riduzione dell apporto termico solare (grado di trasmissione dell energia totale) riduzione delle luminanze delle finestre (limitazione dell abbagliamento) direzionamento della luce per migliorare la luminosità interna (efficienza energetica). A tutt oggi non sono ancora disponibili sul mercato programmi completi di calcolo professionale di tutti gli aspetti qualitativi (effetto di luce nell ambiente, impressione visiva) e quantitativi (illuminamenti, luminanze, efficienza energetica eccetera) di un impianto d illuminazione artificiale abbinato alle schermature antisolari. Quindi, per riuscire comunque a valutare l impatto delle veneziane sul fabbisogno di luce artificiale, è stato sviluppato un apposito modello di calcolo: ripartizione dell andamento del sole e delle stagioni in uno schema semplificato (segmenti di tempo) calcolo degli illuminamenti prodotti dalla luce diurna nei cosiddetti «segmenti di tempo» valutazione della necessaria luce integrativa. Il risultato fornito da questo modello è un certo livello dimming (espresso in %) delle singole file di apparecchi. Si tratta dunque di una matrice che riporta il valore dimming per ogni asse apparecchi a orari definiti. Modello di calcolo per stabilire il fabbisogno di elettricità destinata all illuminazione integrativa

13 Comandi/regolazioni Per fare in modo che il risparmio sull illuminazione artificiale sia rilevante, bisogna che questa sia regolata in funzione della presenza di luce diurna. In altre parole la luce artificiale va dosata solo nella misura strettamente necessaria a raggiungere il livello d illuminamento previsto dalle normative. A tale scopo si possono adottare diverse concezioni. La variante più semplice è quella di spegnere manualmente singoli gruppi di apparecchi quando c è luce diurna a sufficienza. Il vantaggio di questa «tecnica» sta nel costo contenuto, lo svantaggio nella modifica discontinua degli illuminamenti e nel dipendere dalla disciplina del «personale». A quest ultimo aspetto si può rimediare con uno spegnimento automatico, sempre ripartito per file di apparecchi. Tuttavia la pratica dimostra che un funzionamento di questo tipo, con singole file di apparecchi che si spengono all improvviso, viene accettato piuttosto male dagli utenti. Ciò non accade invece se l impianto regolato in automatico dosa la luce portandola progressivamente al livello previsto. Fra l altro questo sistema presenta il vantaggio di compensare quel sovradimensionamento dell impianto dovuto al fattore di manutenzione (25 50 % di illuminamento iniziale in più, a seconda del fattore scelto). Per quanto riguarda la regolazione automatica basata sulla luce diurna si possono adottare due modalità: comando dell illuminazione centralizzato comando dell illuminazione decentralizzato Comando centralizzato significa che c è un punto centrale (ad es. il tetto dell edificio) da cui si rileva la luce diurna e la condizione della volta celeste. Per ogni locale sono poi dati «fattori di correzione» in base ai quali viene dosata la luce artificiale. Il vantaggio di questa tecnica è che la misurazione della luce diurna (volta celeste) avviene «senza fattori di disturbo». Lo svantaggio invece sta nel fatto di essere un circuito di regolazione «aperto», vale a dire che non esiste un controllo diretto sulla situazione di luce dentro ogni locale. Per un comando decentralizzato si installano in ogni locale uno o due fotosensori che rilevano la quantità «complessiva» di luce. Pertanto ogni locale dispone di un circuito di regolazione chiuso. Il valore reale e quello previsto sono messi continuamente a confronto in modo che l impianto si regoli di conseguenza. Il vantaggio di questa tecnica sta nel «controllo» dato dal circuito chiuso. Svantaggiosi risultano invece i maggiori costi dell impianto e la sensibilità alle modifiche rilevate dal sensore (spostamenti di mobili, cambi di colori e così via).

14 All interno delle sopracitate varianti ci sono anche diverse soluzioni di ordine elettronico: si va dal semplice «cablaggio» minimo in ogni locale alla rete di gestione dell intero edificio. I progettisti del liceo di Sonthofen, dopo aver discusso in dettaglio ogni aspetto, hanno deciso di adottare un sistema bus con regolazione della luce decentralizzata. La scelta è stata motivata da quanto segue: Necessità di integrare nel sistema di regolazione il riscaldamento/ condizionamento, aerazione (CO 2 ), illuminazione e presenze (considerando il reciproco legame, ad esempio tra schermatura solare e riscaldamento/condizionamento). Gli edifici con un involucro molto spesso (case passive) si riscaldano molto più in fretta di quelli convenzionali. Per tale motivo «reagiscono» in modo molto più sensibile alle anomalie. Il rimedio migliore è che i parametri di regolazione si adattino automaticamente al comparire di «fattori di disturbo» estremi, (ad es. temperature esterne eccessive). La regolazione continua della luce artificiale non disturba le lezioni. La concentrazione non risente di cambi improvvisi. Il circuito di regolazione chiuso offre il miglior «controllo» delle condizioni di luce nelle aule. Il bus adottato permette di ottimizzare tutto il sistema (temperatura, CO 2, illuminazione, schermatura antisolare) nel corso della prevista fase di monitoraggio. La stessa ottimizzazione energetica della luminosità generale riesce meglio con un sistema di regolazione integrato che includa le schermature antisolari. Si è concluso pertanto che un sistema di regolazione basato su un bus flessibile, con una complessità tecnica accettabile, può dare il miglior risultato in termini energetici.

15 5 Risultati 15 Per calcolare il fabbisogno energetico dell illuminazione artificiale si è fatto ricorso a diversi metodi, in parte riadattandoli: innanzitutto è stato usato in forma abbreviata il metodo DIN V parte 4, poi si è eseguito un calcolo semplificato seguendo il sistema MINERGIE. Un terzo calcolo è avvenuto sulla base di un profilo utenti sviluppato insieme alla scuola. Da ognuno di questi metodi, ed anche dalla definizione degli orari effettivi nel corso dell anno, emergono le differenze nel calcolo del fabbisogno energetico. Il calcolo con il metodo DIN V si basa sui profili degli utenti descritti nella parte 10 tenendo conto dell assenza relativa e del previsto rilevamento delle presenze. Non è invece considerata la regolazione in base alla luce diurna: ciò è motivato da un lato dalla complessità del metodo di calcolo, dall altro dalla sommarietà dei valori per i diversi tipi di locali e utilizzi. L ottima documentazione di molti progetti svizzeri MINERGIE ci fornisce oggi dati piuttosto esaurienti sul tema dell illuminazione delle scuole. Questi dati comprendono aspetti geometrici, potenze impegnate specifiche, valori di consumo e profili di utenza. Ad essi si è fatto ricorso nel secondo calcolo, in forma riadattata. Per la terza analisi ha collaborato la direzione della scuola che ha elaborato un profilo di utenza in cui si tiene conto di festività, vacanze e anche del numero di allievi presenti nelle aule. Zona edificio m 2 Q (18599) Q (MINERGIE ) Q (prof. utenti) W/m 2 Watt Pianoterra aule 21904, , , , ,16 10,15 8,88 6,71 8,06 kwh/m 2 a kwh/m 2 a kwh/m 2 a Pianoterra laboratori 10102, , , , ,20 7,25 6,25 5,36 6,17 kwh/m 2 a kwh/m 2 a kwh/m 2 a 1 piano aule 22583, , , , ,71 11,03 10,21 7,03 8,04 kwh/m 2 a kwh/m 2 a kwh/m 2 a 1 piano laboratori 17816, , , , ,69 12,70 11,73 7,93 12,02 kwh/m 2 a kwh/m 2 a kwh/m 2 a 2 piano aule 13492, , , , ,40 6,61 7,10 5,67 6,82 kwh/m 2 a kwh/m 2 a kwh/m 2 a Totale 73227, , , , ,02 9,50 8,81 6,53 kwh/m 2 a kwh/m 2 a kwh/m 2 a Valori energetici specifici risultanti dai tre metodi di calcolo Il fabbisogno energetico più basso è quello relativo al calcolo basato sul profilo degli utenti. Da esso risulta un fabbisogno energetico quantificato in 6,5 kwh/m 2 a per l illuminazione artificiale.

16 6 Best Practice Che nel liceo di Sonthofen si possano raggiungere i sopracitati valori lo confermano anche i dati di consumo dei progetti svizzeri che in parte si aggirano tra i 4,5 e i 6,5 kwh/m 2 a. Progetti realizzati a norma SIA 380/4 Panoramica di strutture scolastiche e sportive Superficie Energia Potenza Potenza EKZ Termine Controllo Misura- Edificio m 2 MWh kw W/m 2 kw/m 2 lavori Q zione TL Albisriederplatz ,3 6,4 ago 08 Allenmoos I ,6 gen 04 Allenmoos II (HPS) ,4 6,5 dic 06 Am Wasser ,1 9 ago 00 Apfelbaum tratto A ,3 5 ago Apfelbaum tratto B+C ,4 5,2 ago x Apfelbaum tratto D con palestra ,4 8,9 ago x Balgrist palestra ,5 4,2 nov 05 Buchwiesen ,9 7,1 ago Buchwiesen Pavillon ,2 ago Buchwiesen tratto A ,3 4,4 ott Bühl C ,7 7,3 nov Döltschi ,7 8,6 ago 09 Falletsche ampliamento ,9 14,9 ott 06 Fluntern ,7 5 dic x Gotthelfstrasse (HPS) ,7 5,9 Hardau (palestra) ,5 11 ago 07 Hardau BWS ,2 7,7 ago x Hardau elementari ,3 6 ago x Hirzenbach nuovo padiglione ,9 4,4 mag 07 Hirzenbach nuovo Kiga ,5 6,2 dic 06

17 7 Discussione e prospettive 17 Con ogni probabilità i valori di consumo reali divergeranno dai valori teorici calcolati con i tre metodi sopra esposti. Molti progetti già documentati dimostrano che queste differenze possono essere anche assai rilevanti e che dipendono in buona misura dal comportamento degli utenti. Ciò potrebbe essere evitato con un sistema di regolazione completamente autarchico, non influenzabile da interventi manuali. Tuttavia un simile sistema non deve e non può costituire mai l obiettivo centrale del progetto. All utente dovrebbe essere data sempre la possibilità di intervenire, di regolare le condizioni in base alle sue esigenze particolari. I dati energetici dell impianto e il modo in cui viene accettato saranno monitorati in seguito alla conclusione dei lavori. In questo modo sarà possibile quantificare le differenze tra i valori calcolati e quelli reali, dando così un prezioso contributo ad altri progetti futuri. Siamo convinti che si riusciranno a raggiungere i valori calcolati, quanto meno dopo la fase di avviamento e dopo un periodo sicuramente necessario in cui gli utenti vengano informati e si abituino all impianto. Una grossa sfida è rappresentata indubbiamente dal calcolo della percentuale effettiva dell illuminazione su tutto il consumo energetico: un compito da risolvere con il supporto di altri partner di progetto (università).

18 8 Bibliografia MINERGIE Svizzera Deutsche Gesellschaft für Nachhaltiges Bauen e.v. Green Building

19 9 Breve profilo dei partner 19 Ratec Licht Progetto e consulenza soluzioni illuminotecniche con efficienza energetica Ratec GmbH Blumenstraße 8a D Lindenberg Tel. +49 (0) / Mail: info@ratec-licht.com Internet: Hans-Christian Winter, per la società Ratec Licht, ha sviluppato una concezione di estrema efficienza energetica integrando in un unico sistema bus luce diurna, luce artificiale e gestione della luce con regolazione decentralizzata. Il fabbisogno energetico specifico è stato calcolato ricorrendo a tre diversi metodi. Il progetto continuerà ad essere seguito e monitorato dalla Ratec Licht.

20 Italia ZG Lighting s.r.l. socio unico Sede legale e amministrativa Via Isarco, 1/B Varna (BZ) T +39/0472/ F +39/0472/ infovarna@zumtobelgroup.com zumtobel.it Light Centre Milano Via G.B. Pirelli, Milano T +39/02/ F +39/02/ infomilano@zumtobelgroup.com zumtobel.it Light Centre Roma Viale Somalia, Roma T +39/06/ F +39/06/ inforoma@zumtobelgroup.com zumtobel.it Svizzera Zumtobel Licht AG Thurgauerstrasse Zurigo T +41/(0)44/ F +41/(0)44/ info@zumtobel.ch zumtobel.ch Zumtobel Lumière SA Ch. des Fayards 2 Z.I. Ouest B 1032 Romanel-sur-Lausanne T +41/(0)21/ F +41/(0)21/ info@zumtobel.ch zumtobel.ch Zumtobel Illuminazione SA Via Besso 11, C.P Lugano T +41/(0)91/ F +41/(0)91/ info@zumtobel.ch zumtobel.ch Headquarters Zumtobel Lighting GmbH Schweizer Strasse 30 Postfach Dornbirn, AUSTRIA T +43/(0)5572/390-0 info@zumtobel.info zumtobel.com zumtobel.it/education