Programme of actions towards a factor 4 in existing social housings in Europe Deliverable 8 Programmi di calcolo delle prestazioni energetiche dell edifici il modello BREA December 2008 www.suden.org Autori: Sergio Bottiglioni Angelo Mingozzi studio@ricercaeprogetto.it Ricerca & Progetto, I Progetto parzialmente finanziato da: EUROPEAN COMMISSION Intelligent Energy Executive Agency Grant agreement EIE/05/076/S12.419636 1
Introduzione La verifica delle prestazioni energetiche dell edificio è una fase molto importante del processo di progettazione, sia che si tratti di nuove costruzioni, sia di recupero. All interno del metodo progettuale che consente di governare il processo di progettazione ecosostenibile (analisi del sito, definizione degli obiettivi progettuali, individuazione e verifica delle soluzioni), la fase di verifica rappresenta il momento cruciale di controllo del perseguimento degli obiettivi di ecosostenibilità dell intervento, con ricadute positive a livello ambientale ed economico. La fase progettuale vera e propria si configura infatti come la messa a sistema di tutti gli aspetti ambientali, sociali, ed economici, compresi nell intervento edilizio, coinvolgendo in modo coordinato specialisti di diversi ambiti disciplinari. Questa deve essere caratterizzata da una continua attività di verifica delle scelte progettuali, alle diverse scale, lungo tutto il processo edilizio e considerando l intero ciclo di vita del complesso insediativo ed edilizio, in relazione agli obiettivi generali e a quelli specifici del progetto ecosostenibile. Attraverso la definizione di diverse ipotesi progettuali, e la loro verifica, si giunge al progetto, che rappresenta la sintesi di tutti i fattori coinvolti. In questa ottica, il controllo delle prestazioni energetiche è un momento fondamentale in quanto consente di ottimizzare le scelte progettuali per evitare difetti o vizi che peserebbero sui consumi per tutta la vita dell edificio o nel caso di un recupero guidare gli interventi prevedendo i benefici. 1. Le simulazioni energetiche Concetti base sulle simulazioni Le simulazioni energetiche sono effettuate per analizzare dinamicamente le prestazioni energetiche di un edificio e per prendere coscienza delle relazioni che intercorrono fra i parametri progettuali inerenti il sistema edificio impianto ed il fabbisogno energetico. L effetto di una modifica progettuale può essere simulato ed osservato in una frazione di tempo breve, ad un costo molto ridotto se confrontato al costo che uno studio di queste alternative nella realtà richiederebbe. Le informazioni dettagliate che si ottengono sul consumo di energia, sulle condizioni ambientali interne e sulle prestazioni degli impianti, consentono di ottimizzare ed orientare le scelte progettuali. Le simulazioni energetiche degli edifici sono tradizionalmente finalizzate al calcolo delle potenze e dell energia in relazione al riscaldamento invernale, all impianto di raffrescamento estivo, alla ventilazione. Il calcolo delle potenze è impiegato per il dimensionamento dell impianto ovvero per la definizione della sua tipologia e della massima potenza necessaria, stabilita in relazione ai picchi di carico. Il calcolo dell energia è impiegato invece per valutare il fabbisogno energetico dell edificio in relazione ai carichi richiesti durante l'anno e a partire dall impianto utilizzato, stimare i costi energetici di esercizio. 2
L uso delle simulazioni energetiche deve essere strettamente connesso alla fase progettuale vera e propria (fig. 1); esse permettono di: - Valutare diverse opzioni progettuali, Ottimizzare una scelta progettuale valutando l impatto specifico di un parametro, componente o sistema, sulla prestazione complessiva (analisi di sensibilità) - Comparare il progetto definitivo con gli obiettivi iniziali e controllare il rispetto di limiti normativi, - Attribuire all edificio una classe energetica secondo un determinato sistema di classificazione; - Effettuare analisi economiche per valutare il tempo di ritorno degli investimenti. Idea generale di progetto ed obiettivi Progettazione definitiva intervento Analisi delle prestazioni energetiche Verifica preliminare OK? SI Progettazione esecutiva intervento Analisi delle prestazioni energetiche Verifica di dettaglio OK? SI Consegna progetto NO NO Introduzione di modifiche al progetto definitivo Introduzione di modifiche al progetto esecutivo Fig. 1: Schematizzazione del processo di controllo progettuale delle prestazioni energetiche attraverso l uso di programmi di simulazione. I risultati ottenuti non sono sempre immediatamente utilizzabili e necessitano di una rielaborazione che tenga conto delle ipotesi iniziali, delle situazioni al contorno e delle ipotesi imposte dagli algoritmi di calcolo. Le maggiori limitazioni all uso di questi programmi sono principalmente: - Il volume di dati in ingresso e la loro accuratezza. Speso tali dati non sono ancora presenti nelle prime fasi del processo di progettazione ed è pertanto necessario operare delle ipotesi per proseguire con le analisi; - Gli output sono spesso scarsamente leggibili nell immediato e richiedono una certa esperienza per essere interpretati e tradotti in input operativi per la progettazione. - Molti dei programmi di simulazione energetica più avanzati sono orientati ad ambiti di ricerca; per utilizzarli con una certa competenza e sicurezza è necessario uno studio approfondito e a volte lungo. - I programmi hanno spesso una scarsa interfacciabilità con l utente. I progettisti architettonici abituati ad esprimersi graficamente potrebbero essere in difficoltà a causa della struttura poco versatile del sistema degli input ed output. - I programmi non sono flessibili e l utilizzatore potrebbe essere in difficoltà per simulare casi particolari - Non tutti i programmi sono validati e accreditati da un riconosciuto ambito scientifico. 3
Nel caso più generale e completo il funzionamento di un programma di simulazione si riassume nei blocchi della figura seguente (fig. 2). DATI CLIMATICI INPUT PROGETTUALE EDIFICIO MODELLO D USO CONDIZIONI AMBIENTALI INTERNE IMPIANTO SISTEMA DI CONTROLLO PRESTAZIONI ENERGETICHE Programma di simulazione L input progettuale riguarda la descrizione dell edificio come sistema ambientale e tecnologico; i dati climatici rappresentano invece una condizione al contorno. Gli output riguardano le prestazioni energetiche evidenziando i periodi di picco di domanda energetica e le condizioni ambientali interne. Il programma di simulazione mette a sistema la modellazione dell edificio e dell impianto rispettivamente con il modello d uso ed i sistemi di controllo in dotazione all impianto. 2. Strumenti di simulazione Sono attualmente disponibili numerosi strumenti di simulazione e controllo delle prestazioni energetiche nella fase progettuale. Generalmente i diversi strumenti permettono di quantificare in maniera più o meno approfondita ed esatta quelle che sono le prestazioni energetiche dell edificio. La differenza fra i vari sistemi è fondamentalmente basata sugli algoritmi di calcolo utilizzati che, di conseguenza, richiedono dati di ingresso con diversi livelli di approfondimento. In particolare le simulazioni effettuate in regime stazionario consentono solo parzialmente di indagare le reali performance dell edificio, mentre i sistemi più complessi che implementano il regime dinamico consentono analisi più approfondite. Le simulazioni effettuate in regime dinamico permettono ad esempio di valutare in dettaglio anche il contributo dovuto all inerzia termica dell involucro e della ventilazione naturale, che ha ripercussioni sia sulle prestazioni termiche in regime invernale, sia in quello estivo. Con questo livello di approfondimento attraverso analisi multi-zona è possibile valutare in dettaglio, ad esempio, la prestazione di una singola unità ambientale sulla prestazione globale dell edificio. Pertanto, partendo da un consumo complessivo dell edificio noto e rilevato dalle bollette, è possibile ad esempio valutare con efficacia l incidenza di interventi singoli o che riguardano solo alcuni ambienti. A seconda degli obiettivi progettuali è necessario orientarsi verso uno strumento di verifica e simulazione piuttosto che un altro. 4
3. Analisi comparativa Di seguito si propone l analisi comparativa di metodi di calcolo di fabbisogno energetico degli edifici. Per ognuno dei metodi indagati è riportata una scheda riassuntiva delle principali caratteristiche. Al fine di fornire sinteticamente uno strumento di confronto rapido fra le prestazioni dei vari strumenti le caratteristiche salienti sono riassunte in una matrice comparativa di sintesi. Gli strumenti analizzati sono i seguenti: 1 Edilclima Basato sulle norme attuattive della L.10/91 permette di calcolare in regime stazionario il fabbisogno di potenza, il fabbisogno annuo di energia utile, i rendimenti dell'impianto, il consumo convenzionale di riferimento, sia per l edificio, sia per i singoli locali. 2. PHPP 1.0 it Passive House Foglio di calcolo per la verifica del raggiungimento dei requisiti minimi dello standard energetico che consente di ottenere la certificazione di casa passiva. I calcoli sono eseguiti in regime stazionario. 3. Casaclima Foglio di calcolo che permette, mediante l immissione di dati rappresentativi, di stimare gli indici termici di un edificio, e di conseguenza classificarlo di una scala di efficienza energetica. I calcoli sono eseguiti in regime stazionario. 4. Summer Principalmente indirizzato a valutare il fabbisogno per raffrescamento estivo mediante varie strategie. Valuta le ore di discomfort e l energia richiesta per il raffrescamento. Le stesse verifiche possono essere effettuate in periodo invernale in cui però non è possibile introdurre strategie passive. Opera in regime dinamico. 5. Ecotect Calcola i carichi energetici necessari al raffrescamento e al riscaldamento, per modelli costituiti da più zone di qualunque geometria (multi-zona). Utilizza il metodo delle Ammittanze, in regime dinamico. 6. ESP-r Strumento di simulazione termica dinamica in cui le caratteristiche significative di un problema sono trasformate in una serie di equazioni di continuità, risolte con metodo iterativo. E un programma completo che effettua una vasta quantità di analisi 7. Trnsys Programma di simulazione dinamica che include un apposito modulo per l analisi termica degli edifici. È elencato nei recenti Standard europei Thermal solar systems and components (ENV-12977-2). E un programma completo che effettua una vasta quantità di analisi 8. Energy plus EnergyPlus is a new-generation building energy simulation program based on DOE-2 and BLAST, with numerous added capabilities. Released in April 2001, the program was developed jointly by Lawrence Berkeley National Laboratory and others. It performs multi-zone dynamic simulations. (http://gundog.lbl.gov/ep/ep_main.html) Numerosi strumenti di simulazione informatica e strumenti di certificazione energetica sono attualmente usati in Italia per determinare la prestazione energetica degli edifici. Il livello di approssimazione dei risultati raggiunto varia sensibilmente a seconda del metodo di calcolo utilizzato. 5
4. Strumenti di simulazione energetica e normativa La Direttiva Europea EPBD Directive 2002/91/CE è stata l occasione per una completa rivisitazione dell apparato normative che regola il contenimento dei consumi energetici negli edifici attraverso una serie di norme ancora in fase di definizione completa. Gli strumenti commerciali più diffusi che di volta in volta si sono adattati alle nuove norme sono: - Edilclima - MC4 Software La tabella che segue da una misura dell evoluzione normativa e delle prescrizioni di calcolo e verifica Requisiti minimi per Prescrizioni su Prescrizioni su Periodo di l intero edificio trasmittanza efficienza minima applicazione compreso l impianto di involucro di impianto riscaldamnto L 373/76 L.10/91 e DPR 412/93 D.Lgs. 192/05 D.Lgs. 311/06 dal 1976 al 1991 Dal 1991 al 08/10/05 Dal 09/10/05 a 01/02/07 dal 02/02/07 No (Calcolo del coefficiente globale isolamento Cg= Cd+Cv ) No (Calcolo del Cd ) Si dipende dalla zona climatica Si dipende dalla zona climatica No si si si Solo alcune limitazioni generiche Calcolo del FEN (J/m3GG) Calcolo energia primaria per riscaldamento secondo UNI EN 832 and UNI EN 13790 (kwh/m 2 anno) Calcolo energia primaria per riscaldamento secondo UNI EN 832 and UNI EN 13790 (kwh/m 2 anno) Ad oggi (Dicembre 2007), successivamente al D.Lgs. 311/06, non è stato emesso il Decreto attuativo che chiarisce le modalità per la Certificazione energetica: soggetti abilitati, metodo di calcolo e attribuzione delle classi. Alcuni Comuni, Provincie e Regioni hanno nel frattempo emanate proprie regole creando una grande confusione e incertezza fra I progettisti. 6
La tavobella che segue mostra una analisi comparative dei diversi modelli citati Edilclima MC4 software PHPP-Passive House Casaclima Summer Ecotect Esp-r Trnsys Energy Plus Utilizzo Metodo di calcolo Input edificio Modello d uso edificio Impianti outputs Simulazion e dinamica commerciale didattico ricerca Certificazione energetica Regime Stazionario Zona singola multizona Modello semplificato Modello completo Non incluso Modello semplificato incluso si Modello completo no Modalità di semplificata Modalità di funzionamento complessa Potenza massima sistemi attivi Fabbisogno complessivo per trasmissione e ventilazione Energia primaria Discomfort hours (free running model) riscaldame riscaldamento nto/raffresc amento raffrescamento Dati Input orario climatici Valori medi stagionali basso medio Difficoltà ed livello di competenz a per un corretto uso alto 7
IL MODELLO BREA BREA (Building Retrofitting Efficiency Assessment) è uno strumento concepito per essere di supporto ai progettisti a valutare correttamente i potenziali benefici energetici derivanti da opere di ristrutturazione. Il foglio di calcolo BREA non è stato realizzato per calcolare con precisione i fabbisogni energetici degli edifici. Al contrario, dovrebbe essere utilizzato per esaminare l efficacia di alcune tipici interventi orientati al risparmio energetico. L attenzione non è rivolta puramente al lato economico (cioè al calcolo di quanto tempo occorrerà perché investimento si ripaghi grazie ai risparmi che produce), ma anche alla quantificazione dei risparmi in termini energetici e di emissioni inquinanti evitate. Nonostante il foglio di calcolo sia in grado di fornire una stima dei fabbisogni energetici, date le caratteristiche generali dell edificio, le trasmittanze dell involucro e il clima della località, la sua funzione principale è di comparare la situazione di un dato edificio prima e dopo un intervento di ristrutturazione energetica: l utente è libero di decidere quali azioni simulare scegliendole da un elenco di tecnologie, come pannelli solari per acqua calda sanitaria, isolamento del tetto, ecc. le quali sono più ampiamente descritte in apposite schede tecniche, e il foglio di calcolo valuta l effetto della loro applicazione con riferimento alla situazione edilizia indicata. Nel panorama italiano esistono già numerosi strumenti, spesso gratuiti, in grado di calcolare il fabbisogno energetico degli edifici, inteso sia come energia utile (l energia dispersa dall involucro al netto dei guadagni gratuiti) sia come energia primaria (che già include in sé l efficienza del sistema edificio impianto). Essi nascono per vari scopi, come dimostrare il rispetto dei limiti di legge o supportare la certificazione energetica degli edifici, ma in ogni caso è consigliato calcolare una o entrambe le grandezze sopra indicate attraverso questi strumenti, e poi usare questi dati come punto di partenza in BREA. Nel caso l utente non sia in grado di ottenere i fabbisogni energetici in altro modo, può usare BREA, tenendo comunque conto che otterrà una stima meno precisa, seppure accettabile. Figura 1: Consumo di riferimento 8
1. Scheda: DATI DI BASE Nella prima scheda occorre specificare quali sono le caratteristiche generali dell edificio che si esamina. Alcuni dati sono essenziali per poter condurre l analisi, altri sono opzionali, in quanto in assenza di queste informazioni il foglio di calcolo utilizzerà dati tipici nazionali (questo riguarda, ad esempio, il consumo specifico di acqua e di elettricità). Dopo aver inserito dati relativi all edificio, alla fine della scheda sono raggruppati alcuni indici economici, che l utente può modificare per ottenere un attendibile analisi costi benefici. A lato, un istogramma rappresenta i consumi energetici allo stato di fatto, disaggregati in: perdite nella produzione, altre perdite di impianto, energia utile per riscaldamento e per acqua calda sanitaria; ognuno di questi temi è influenzato da differenti strategie di ristrutturazione energetica. Figure 2: sheet basic data 9
2. Scheda: TECNOLOGIE La scheda tecnologie contiene la lista di strategie i cui effetti il foglio di calcolo può valutare. Esse sono divise in tre temi, a seconda dell ambito di influenza: riscaldamento, acqua calda sanitaria, elettricità; ogni voce è affiancata dalla stima dell investimento richiesto, da una valutazione dei risparmi annuali, in termini economici e di energia, ed infine da altri parametri economici, il valore attuale dei costi e dei guadagni. Questa scheda non è modificabile: si possono solamente attivare o disattivare le singole voci, per osservare quali effetti esse producono singolarmente ed interagendo l una con l altra. L utente può intervenire sui dati di base, con cui sono calcolati i costi, andando a modificare un altra scheda, chiamata Costi. Figura 3: sheet technologies 10 1
3. Scheda: RISULTATI L ultima delle tre schede principali presenta i risultati dell ipotetico intervento: isogrammi affiancati forniscono un colpo d occhio sulla situazione attuale e quella prospettata, e accanto si possono leggere i valori calcolati per ogni tema separatamente, come acqua, elettricità, ecc. Al di sotto di riporta una stima delle emissioni inquinanti evitate, valutate in funzione delle caratteristiche delle fonti energetiche scelte. In fondo si presentano i dati economici complessivi: l utente può qui specificare quali dei costi richiesti dall intervento energetico sarebbero eventualmente già compresi in un più generico intervento di ristrutturazione edilizia, così che essi possano essere scorporati dal calcolo. Gli indicatori economici utilizzati sono il tempo di ritorno e il valore attuale netto dell investimento. Naturalmente si ribadisce che non soltanto il lato economico debba essere studiato, ma anche i benefici in termini di inquinamento evitato e risorse risparmiate, che comunque si traducono in benefici economici per l intera società. Investimenti di sostenibilità Spese già incluse nell intervento ordinario Costi per intervento ordinario Figura 4: sheet Results 11 1
Il seguente diagramma di flusso mostra le relazioni fra le varie parti del programma, I dati di input e di output. Energy performance already known just enter the overall consumptions for heat, electricity and water Select typical representative sustainable improvement, to verify their feasibility (not only economical) In result sheet, the user can fill-up some fields with cost reduction due to public incentives and to parallel maintenance works OR Energy performance of building estimated starting from principal features, such as typology, U-values, climate Costs are calculated starting from a precompiled sheet, depending on building typology and many other factors Technology sheets contains non technical descriptions and therefore can be used also for dissemination. For each technology, a sheet explains the specific case study used to set up the main parameters and calculations Figura 5: Diagramma di flusso di BREA 12 1