TECNOLOGIE E PROGETTI PER COSTRUIRE NEL COSTRUITO

TECNOLOGIE E PROGETTI PER COSTRUIRE NEL COSTRUITO IL CONTENIMENTO ENERGETICO NELLA RIQUALIFICAZIONE DELL'EDILIZIA ESISTENTE Prof. Ing. Nicola Bianco Dipartimento di Ingegneria Industriale Università di Napoli Federico II Vice Coordinatore Commissione Energia Ordine degli Ingegneri della Provincia di Napoli 27 Gennaio 2016 Prof. Ing. Nicola Bianco 1/19

INTRODUZIONE L IMPORTANZA DEL RETROFIT ENERGETICO DEL PARCO EDILIZIO Lo sviluppo sostenibile è una sfida cruciale dei nostri tempi. Esso richiede una drastica riduzione delle emissioni inquinanti (gas serra) e conseguentemente dei consumi energetici a livello mondiale. Il raggiungimento di questi obiettivi non può prescindere dal miglioramento delle prestazioni energetiche del parco edilizio. Infatti il settore edilizio è tra i più energivori determinando circa il 40% del consumo di energia primaria a livello europeo e il 32% a livello mondiale. Questo scenario ha generato un notevole interesse nella progettazione di nuovi edifici ad energia quasi zero (nzebs). Tuttavia il tasso di costruzione è molto basso ( 1%), specialmente nei paesi industrializzati che sono responsabili di un ampia aliquota dei consumi energetici mondiali. Quindi l impatto dei nzebs è molto limitato. Dunque il retrofit energetico del parco edilizio esistente è una strategia chiave per ottenere una riduzione consistente dei consumi energetici e delle emissioni inquinanti. 27 Gennaio 2016 Prof. Ing. Nicola Bianco 2/19

INTRODUZIONE COST- OPTIMAL ANALYISIS PER ORIENTARE IL RETROFIT ENERGETICO La progettazione del retrofit energetico di un edificio è un compito complesso che coinvolge attori con obiettivi potenzialmente divergenti: la collettività (stato), interessata alla minimizzazione di consumi energetici ed emissioni inquinanti; il singolo (proprietario/utente), interessato alla massimizzazione del beneficio economico. Come armonizzare queste due prospettive? La EPBD Recast (Dir. 2010/31/EU) risponde a questa domanda introducendo la cost-optimal analysis per orientare la scelta delle misure di retrofit energetico (ERMs): il pacchetto ottimale di ERMs è quello che minimizza il costo globale calcolato sull intero ciclo-vita dell edificio. Il costo globale include i costi di investimento legati alle ERMs e i costi di esercizio legati ai diversi usi dell edificio. 27 Gennaio 2016 Prof. Ing. Nicola Bianco 3/19

CALCOLO DEL COSTO GLOBALE L analisi dei costi parte dal calcolo del costo globale dell edificio o degli elementi edilizi. Questo è la somma del valore attuale dei costi dell investimento iniziale, dei costi di gestione e dei costi di sostituzione, nonché dei costi di smaltimento Per il calcolo a livello macroeconomico, in questa somma, si introduce anche una categoria supplementare relativa al valore monetario del danno ambientale causato dalle emissioni relative al consumo di energia negli edifici Periodo: 30 anni edifici residenziali, 20 anni per gli altri Costo delle emissioni Valore residuo dell edificio Costo dell investimento iniziale Misure di efficienza energetica adottate Tasso di attualizzazione per l anno i costo annuale durante l anno i per la misura o l insieme di misure j: include le spese annuali energetiche, di manutenzione, di funzionamento e i costi per la sostituzione periodica di elementi edilizi nonché, se del caso, gli introiti generati dall energia prodotta 27 Gennaio 2016 Prof. Ing. Nicola Bianco 4/19

INTRODUZIONE COME PROGETTARE LA RIQUALIFICAZIONE ENERGETICA DI UN EDIFICIO? I. Qualora si voglia effettuare la progettazione di un intervento di riqualificazione energetica con l obiettivo di ottimizzare le prestazioni del sistema edificio/ impianti, un approccio basato su una valutazione standard o di progetto non è più sufficiente; II. La soluzione progettuale scelta dovrebbe garantire il livello di prestazione energetica dell edificio che comporta il costo più basso durante il ciclo di vita economico stimato (in accordo alla EPBD recast); III. La scelta delle soluzioni è vincolata alla tipologia edilizia (con molte limitazioni se l edificio è storico o vincolato) e alla destinazione d uso (interferenza con attività svolte all interno). L approccio proposto prevede l applicazione della Metodologia del Cost-optimal per confrontare diverse soluzioni di retrofit : Definizione degli edifici di riferimento; Identificazione di misure di efficienza energetica; Calcolo del fabbisogno di energia primaria; Calcolo del costo globale; Derivazione del livello economico ottimale; Analisi di sensibilità. 27 Gennaio 2016 Prof. Ing. Nicola Bianco 5/19

COME PROGETTARE LA RIQUALIFICAZIONE ENERGETICA DI UN EDIFICIO? Definizione dell edificio di riferimento attraverso l «Approccio Tailored Rating - Caratterizzazione termo-fisica dell involucro edilizio; - Censimento degli impianti termotecnici/illuminotecnici; - Audit delle zone termiche (carichi, profili di occupazione e funzionamento reali); - Analisi dei consumi storici (fatture di fornitura). Modello numerico calibrato dell edificio Calcolo del fabbisogno di energia primaria: Simulazione energetica in regime dinamico del sistema edificio/impianti Nel caso studio è stato utilizzato EnergyPlus v. 8.1.0, motore di simulazione dinamica che si basa sul metodo delle funzioni di trasferimento e possiede una struttura modulare codificata in Fortran 90, evoluzione della sinergia fra le distinte basi tecniche DOE-2 e BLAST elaborati rispettivamente dal Ministero dell Energia (Department of Energy, DOE) e dal Ministero della difesa (Department of Defence, DOD) degli Stati Uniti, con il contributo dell ASHRAE (Technical Committee 4.7 Energy calculation). 27 Gennaio 2016 Prof. Ing. Nicola Bianco 6/19

INTRODUZIONE COST- OPTIMAL ANALYISIS PER ORIENTARE IL RETROFIT ENERGETICO La cost-optimality è un mezzo potente poiché consente di armonizzare le due prospettive in un ottica di sviluppo realmente sostenibile. Tuttavia la cost-optimal analysis è un procedimento complesso poiché richiede numerose simulazioni energetiche dinamiche, in corrispondenza delle combinazioni di ERMs analizzate. Dunque essa non può essere applicata ad ogni singolo edificio. Per questo, come stabilito dalla EPBD Recast, tale analisi deve essere rivolta a Reference Buildings (RefBs), rappresentativi del parco edilizio nazionale. Essi devono coprire tutte le categorie di edifici (categoria = stock di edifici che condividono condizioni climatiche, destinazione d uso, tipologia costruttiva). I risultati ottenuti per un RefB vanno poi estesi a tutti i membri della categoria rappresentata. È tuttavia chiaro che le prestazioni energetiche di un generico edificio possono discostarsi consistentemente da quelle del RefB. 27 Gennaio 2016 Prof. Ing. Nicola Bianco 7/19

OTTIMIZZAZIONE MULTIOBIETTIVO Come realizzare una cost-optimal analysis rigorosa delle misure di retrofit energetico da applicare ad un singolo edificio? Cost-optimal Analysis by Multi-objective Optimization OBIETTIVO: cost optimal analysis delle ERMs attraverso l ottimizzazione multi-obiettivo delle prestazioni energetiche e del comfort termico. STRUMENTI: interazione tra EnergyPlus e MATLAB e l adozione di un algoritmo genetico (GA). Risolve una delle principali problematiche della cost-optimal analysis, connessa al notevole onere computazionale derivante dalle numerose simulazioni energetiche dinamiche necessarie per valutare tutti i possibili pacchetti di ERMs. Infatti, la metodologia illustrata analizza un numero limitato di pacchetti di ERMs, selezionati opportunamente dall algoritmo di ottimizzazione. 27 Gennaio 2016 Prof. Ing. Nicola Bianco 8/19

METODOLOGIA: FRAMEWORK PREPROCESSING Formulazione del problema di ottimizzazione OPTIMIZATION Implementazione dell algoritmo genetico di ottimizzazione Ottenimento dei fronti di Pareto MULTI-CRITERIA DECISION MAKING Scelta di pacchetti di ERMs dai fronti di Pareto Cost-optimal analysis 27 Gennaio 2016 Prof. Ing. Nicola Bianco 9/19

METODOLOGIA: PREPROCESSING FUNZIONI OBIETTIVO DOMANDA DI ENERGIA PRIMARIA PER LA CLIMATIZZAZIONE [kwh/m 2 a] BUDGET PERCENTUALE ANNUA DI DISCOMFORT HOURS [%] COSTO DI INVESTIMENTO VARIABILI DECISIONALI 27 Gennaio 2016 Prof. Ing. Nicola Bianco 10/19

METODOLOGIA: MULTI CRITERIA DECISION MAKING Utopia point method La soluzione scelta è quella più vicina al punto di utopia (punto ideale che minimizza entrambe le funzioni obiettivo). Questo metodo è molto usato in applicazioni ingegneristiche perché attribuisce lo stesso peso agli obiettivi. Il fronte di Pareto è l insieme delle soluzioni non dominate. La scelta di un punto da tale insieme prende il nome di Multi-Criteria Decision Making. Due metodi per il MCDM sono qui usati. Minimum comfort method Si fissa un massimo livello del discomfort termico ammissibile (DH MAX ). La soluzione scelta è quella che assicura DH<DH MAX e minimizza la domanda di energia (EP). Questo metodo è più affine ad applicazioni in campo edilizio perchè un minimo livello di comfort è generalmente richiesto. 27 Gennaio 2016 Prof. Ing. Nicola Bianco 11/19

METODOLOGIA: MULTI CRITERIA DECISION MAKING 27 Gennaio 2016 Prof. Ing. Nicola Bianco 12/19

APPLICAZIONE: DESCRIZIONE CASO STUDIO: edificio residenziale esistente (6 piani) sito a Napoli. EDIFICIO BASE : EP = 139 kwh p /m 2 a DH = 34% VARIABILI DECISIONALI: interventi di retrofit energetico (ERMs). OBIETTIVI INTERMEDI: minimizzare: il consumo di energia primaria per la climatizzazione, EP [kwh p /m 2 a]; la percentuale annuale di ore di discomfort termico, DH [%]. OBIETTIVO FINALE: Individuare il pacchetto cost optimal di ERMs. 27 Gennaio 2016 Prof. Ing. Nicola Bianco 13/19

APPLICAZIONE: DESCRIZIONE DESIGN VARIABLES a tr tv free cooling Theat Tcool window type boiler type chiller type OPTION VALUES BASE BUILDING IC [ ] 0.05 31938 0.30 31938 0.70-0.95 31938 0 cm - 3 cm 11023 6 cm 16886 9 cm 22750 0 cm - 3 cm 152911 6 cm 174533 9 cm 196155 no - Yes 30112 19 C - 20 C - 21 C - 22 C - 24 C - 25 C - 26 C - 27 C - single glazed (Uw = 5.8 W/m 2 - K) double glazed low-e (Uw = 1.9 W/m 2 K) 209711 old - condensing 32982 air-cooled - water-cooled 59925 NUMERO TOTALE DI CONFIGURAZIONI POSSIBILI DELL EDIFICIO (PACCHETTI DI ERMS): 16 384 NUMERO MASSIMO DI CONFIGURAZIONI ANALIZZATE DAL GA: 750 RISPARMIO SUI TEMPI COMPUTAZIONALI : 95.5% Il costo di investimento complessivo è di poco inferiore a 600 000 27 Gennaio 2016 Prof. Ing. Nicola Bianco 14/19

APPLICAZIONE: RISULTATI (OPTIMIZATION) La procedura di ottimizzazione è realizzata in corrispondenza di 6 budget in modo da individuare 6 fronti di Pareto da cui devono essere scelte delle soluzioni (MCDM). Per il MCDM si utilizzano alternativamente due metodi: Ø UTOPIA POINT METHOD Ø MINIMUM COMFORT METHOD a: assorbanza alla radiazione solare dell intonaco del tetto t r : spessore dell isolante termico istallato sul tetto t w : spessore dell isolante termico istallato sulle pareti esterne T: temperatura di set point BUDGETS PACKAGES 100 k 200 k 300 k 400 k 500 k 600 k B1 B2 B3 B4 B5 B6 a 0.7 0.05 0.7 0.05 0.7 0.05 tr 9 cm 9 cm 9 cm 9 cm 9 cm 9 cm tv 0 cm 0 cm 3 cm 9 cm 6 cm 9 cm free cooling yes yes yes yes yes yes Theat 20 C 21 C 19 C 19 C 19 C 19 C Tcool 25 C 25 C 24 C 24 C 25 C 25 C single single single single double double glazed glazed glazed glazed glazed glazed boiler condensing condensing condensing condensing condensing condensing windows chiller aircooled aircooled watercooled watercooled watercooled watercooled IC 85844 177707 298680 373862 470088 583573 27 Gennaio 2016 Prof. Ing. Nicola Bianco 15/19

APPLICAZIONE: RISULTATI (OPTIMIZATION) La procedura di ottimizzazione è realizzata in corrispondenza di 6 budget in modo da individuare 6 fronti di Pareto da cui devono essere scelte delle soluzioni (MCDM). DH max = 10 % Per il MCDM si utilizzano alternativamente due metodi: Ø UTOPIA POINT METHOD Ø MINIMUM COMFORT METHOD a: assorbanza alla radiazione solare dell intonaco del tetto t r : spessore dell isolante termico istallato sul tetto t w : spessore dell isolante termico istallato sulle pareti esterne T: temperatura di set point BUDGETS PACKAGES 100 k 200 k 300 k 400 k 500 k 600 k B1 B2 B3 B4 B5 B6 a 0.7 0.7 0.05 0.05 0.05 tr 6 cm 9 cm 9 cm 9 cm 9 cm tv 3 cm 3 cm 9 cm 9 cm 9 cm free cooling yes yes yes yes yes Theat 22 C 20 C 20 C 20 C 20 C Tcool 24 C 24 C 24 C 24 C 24 C single single single single double glazed glazed glazed glazed glazed boiler old condensing condensing condensing condensing windows chiller aircooled watercooled watercooled watercooled watercooled IC 199909 298680 373862 373862 583573 27 Gennaio 2016 Prof. Ing. Nicola Bianco 16/19

APPLICAZIONE: RISULTATI (COST- OPTIMAL ANALYSIS) RISPARMIO SUL COSTO GLOBALE: UTOPIA POINT METHOD 330 000, in assenza di incentivi; 445 000, in presenza di incentivi (50%). COMFORT METHOD 310 000, in assenza di incentivi; 413 000, in presenza di incentivi (50%). In entrambi i casi il pacchetto cost-optimal corrisponde al budget di 300 000 e prevede le stesse ERMs ad eccezione delle temperature di SP: Isolamento pareti verticali (3 cm); Isolamento tetto (9 cm); Free cooling attraverso ventilazione meccanica; Chiller raffreddato ad acqua (EER = 5); Caldaia a condensazione (η = 1.05). In entrambi i casi, il comfort migliora nettamente à riduzione di DH di circa 25 punti percentuali 27 Gennaio 2016 Prof. Ing. Nicola Bianco 17/19

CONCLUSIONI La EPBD Recast prescrive la cost-optimal analysis per indirizzare il retrofit energetico degli edifici. Tuttavia si tratta di una procedura complessa che non può essere applicata ad ogni edificio. L approccio del Reference Building non assicura risultati affidabili per tutto il parco edilizio. Quindi: Cost-optimal analysis del retrofit energetico da applicare ad ogni singolo edificio mediante Ottimizzazione Multiobiettivo Scelta dei pacchetti di Retrofit energetico basata su criteri legati a minimizzazione del consumo di energia primaria e delle ore di discomfort termico. La metodologia proposta consente, per ogni singolo edificio, di conoscere ed implementare il retrofit costoptimal, assicurando un doppio beneficio, ovvero un doppio ottimo: Ø un beneficio per il singolo, in termini di risparmio economico (minimo costo globale) Ø un beneficio per la collettività, in termini di riduzione di consumo energetico ed emissioni inquinanti. 27 Gennaio 2016 Prof. Ing. Nicola Bianco 18/19

TECNOLOGIE E PROGETTI PER COSTRUIRE NEL COSTRUITO Grazie per l attenzione. IL CONTENIMENTO ENERGETICO NELLA RIQUALIFICAZIONE DELL'EDILIZIA ESISTENTE Prof. Ing. Nicola Bianco Dipartimento di Ingegneria Industriale Università di Napoli Federico II Vice Coordinatore Commissione Energia Ordine degli Ingegneri della Provincia di Napoli 27 Gennaio 2016 Prof. Ing. Nicola Bianco 19/19