La sostenibilità energetica ed ambientale del Palazzo Italia di EXPO 2015: analisi di un edificio nzeb prof. Ing. Livio de Santoli livio.desantoli@uniroma1.it
La normativa ed il ruolo dell efficienza energetica degli edifici Direttiva 2009/28/CE sulle FER (recepita dal D.Lgs.28/2011): quote crescenti di rinnovabili sui fabbisogni di un edificio (il 35% dal 1/1/2014 al 31/12/2016; il 50% dal 1/1/2017). Direttiva 2010/31/CE sulla prestazione energetica degli edifici (Recasting della direttiva EPBD): prospettive e linee di indirizzo per il recupero energetico del patrimonio pubblico (DL 63/13 convertito L.90/2013); l introduzione dell edificio nzeb (nearly Zero Energy Building) con scadenze ravvicinate (dal 31/12/2018 i nuovi edifici della PA e dal 1/1/2021 tutti i nuovi edifici). Direttiva 2012/27/UE sull efficienza energetica che sollecita il settore pubblico ad esercitare un ruolo di esempio e guida: ristrutturazioni con tasso minimo annuo del 3% (con superficie maggiore di 500 m 2, a partire dal 1/1/2014, e con superficie maggiore di 250 m 2 a partire dal 1/1/2016).
Palazzo Italia - Edificio nzeb
Analisi della prestazione energetica di un nzeb per l EXPO 2015: il Palazzo Italia La progettazione del Padiglione Italia è stata orientata al raggiungimento di elevati standard prestazionali dal punto di vista energetico ed ambientale. Particolare attenzione è stata dedicata al contenimento dei consumi energetici dell edificio, orientando la progettazione su tre direttrici fondamentali: esaltazione del comportamento passivo dell involucro edilizio; utilizzo di sistemi impiantistici ad alta efficienza; impiego di impianti per lo sfruttamento di energia termica rinnovabile (geotermica) e di impianti fotovoltaici per la produzione di energia elettrica da fonte solare. L obiettivo è ridurre al minimo il prelievo di energia dalle reti esterne, configurando la struttura come nzeb (nearly Zero Energy Building) Una progettazione in attesa delle regole (EN 15603, calcolo dell energia primaria, bozza DM requisiti minimi 11-2-14)
Prestazione passiva: l involucro edilizio Trasmittanza termica molto bassa (0,167 0,227 W/m 2 K) Bassi valori del fattori di attenuazione (< 0,1), con conseguenti elevati valori dello sfasamento (> 11,5 ore) Infissi con trasmittanze inferiori a 1,3 W/m 2 K. Efficacia dei sistemi schermanti tale da ridurre del 70% l irradiazione solare massima sulle superficie trasparenti piano fattore solare vetro (g) Facciata Sud-Est Facciata Nord-Est Facciate interne Copertura fattore fattore fattore fattore fattore fattore schermatura solare schermatura solare schermatura solare pelle vetro pelle vetro pelle vetro esterna (g) esterna (g) esterna (g) fattore schermatura pelle esterna Mezzanino 0,56 0,2 0,56 0,2 0,4 0,2 Primo 0,56 0,2 0,56 0,2 0,4 0,2 Secondo 0,56 0,4 0,56 0,4 0,4 0,4 Terzo 0,22 0,4 0,22 0,4 0,4 0,4 Quarto 0,22 0,49 0,22 0,49 0,4 0,49 Copertura 0,3 0,3
L importante contributo dell involucro edilizio estiva 84% Fabbisogni di energia utile: stagione estiva 21,3 kwh/m 3, stagione invernale 4,2 kwh/m 3 invernale 16%
[kwh] Criticità Normativa - 1 Durata convenzionale stagione riscaldamento (DPR 412/93 ora DPR 74/13 : dal 15/10 al 15/4) Q gn,day Stagione raffrescamento UNI/TS 11300-1 θe, day θi, set, C H t day Sovrapposizione nei mesi di gennaio, febbraio, marzo, aprile, ottobre, novembre, dicembre 250.000 200.000 150.000 100.000 50.000 0 gen feb mar apr mag giu lug ago set ott nov dic Climatizzazione estiva 239 2.645 46.648 100.144 140.260 170.346 202.405 172.581 115.814 40.660 1.478 189 Climatizzazione invernale 71.861 27.613 6.251 961 - - - - - 1.643 21.906 65.972 Eliminata sovrapposizione 1 mese vuoto interposto Stagione raffrescamento dal 15/5 al 15/9 estiva 77% invernale 23% Fabbisogno stagione estiva 14,4 kwh/m 3 (-32%)
Criticità Normativa - 2 Le architettura moderne tendono, a differenza di quanto accaduto nel passato, ad avere bassi fabbisogni invernali ed alti fabbisogni estivi. Conseguenza di involucri edilizi molti isolati che trattengono all interno i carichi interni (persone, illuminazione, apparecchiature), con effetti positivi in inverno e negativi in estate. Effetto risulta più marcato ovviamente per le condizioni climatiche italiane caratterizzate da valori non trascurabili della radiazione solare. Migliore prestazione dell edificio in estate con una maggiore protezione dalla radiazione solare. Ma: ciò avrebbe comportato un peggioramento della prestazione sia dal punto di vista energetico, con un incremento dei consumi per l illuminazione degli ambienti, sia dal punto di vista del comfort visivo. Una seconda criticità della normativa italiana vigente che tiene conto soltanto delle prestazioni riferite alla climatizzazione e non include i consumi energetici connessi all illuminazione, né considera il comfort degli occupanti.
Sistemi impiantistici ad alta efficienza Disponibilità di acqua di falda e quindi pompe di calore ad acqua di falda Efficienze medie stagionali molto alte, assenza di combustioni locali Calcolo dei fabbisogni di energia primaria, considerando inizialmente solo i rendimenti dei sottosistemi di emissione, regolazione e distribuzione, ed i fabbisogni di energia elettrica per l alimentazione dei servizi ausiliari. Si vuole focalizzare l attenzione sui sistemi di generazione dell energia, e pertanto il rendimento del sottosistema di generazione è stato inizialmente posto pari a 1, al fine di una valutazione separata. Fabbisogno di energia primaria senza considerare la generazione climatizzazione invernale 5,7 kwh/m 3 climatizzazione estiva a 17,9 kwh/m 3 estiva 76% invernale 24%
Rendimento di generazione Criticità 3 e 4 Rendimento di generazione =1 Efficienze medie stagionali molto alte Fabbisogno di energia primaria climatizzazione invernale 5,7 kwh/m 3 climatizzazione estiva a 17,9 kwh/m 3 estiva 76% invernale 24% Fabbisogno di energia primaria climatizzazione invernale 2,3 kwh/m 3 climatizzazione estiva a 9,8 kwh/m 3 estiva Rinnovabile? Risparmi invernale 10% estiva 41% invernale rinnovabile 15% Rendimento di generazione legato al sistema elettrico: necessità di un aggiornamento (il fattore di conversione in energia primaria dal 2008 non è cambiato, dovrebbe diminuire) Pompa di calore, il DM 28/11 la considera fonte rinnovabile solo in inverno Rendimento estivo >1 : Rinnovabile? Risparmio?
Analisi della prestazione energetica di un nzeb Sistemi impiantistici ed energia primaria Stagione invernale Utile 4,2 kwh/m 3 Primaria 2,3 kwh/m 3 Stagione estiva Utile 14,4 kwh/m 3 Primaria 9,8 kwh/m 3 Pompe di calore geotermiche: in inverno energia rinnovabile. OK Pompe di calore geotermiche: in estate rinnovabile?? Come si considerano sistemi con rendimento maggiore dell unità?
Picco di costo ore 9 Domanda 40 GW Offerta, domanda e prezzi 27 maggio 2013 lavorativo
Problematiche attuali e possibili sviluppi 1. Obiettivi 2020 già raggiunti per le rinnovabili elettriche 2. Larga disponibilità di energia elettrica 3. Difficoltà nella gestione del sistema elettrico 1. Rimodulazione degli obiettivi 2. Nuovi servizi/utenze alimentati da energia elettrica 3. Moderare l aleatorietà dell offerta di energia con una domanda «non rigida»
Nuovi servizi/utenze alimentati da energia elettrica Pompe di calore per il riscaldamento Pompe di calore per la produzione di acqua calda sanitaria Rinnovabili termiche (aerotermica, idrotermica, geotermica) Energia primaria caldaia : pompa di calore = 1 : 0,6 Costi di gestione caldaia : pompa di calore = 1 : 0,8-1,2 Scaldabagni elettrici Cucine elettriche Mobilità elettrica
Analisi della prestazione energetica di un nzeb Impianti fotovoltaici, energia rinnovabile e primaria Impianto fotovoltaico 150 kwp Copertura dei fabbisogni e surplus Come si considera il surplus? Come si gestisce un surplus? L accumulo locale è premiato in qualche modo? Stagione invernale Utile 4,2 kwh/m 3 Primaria 1,3 kwh/m 3 Stagione estiva Utile 14,4 kwh/m 3 Primaria 5,5 kwh/m 3 Surplus Primaria 1,4 kwh/m 3 Edificio medio a Roma Primaria solo inverno 30 kwh/m 3
nzeb Surplus/accumulo Criticità 5 Impianto fotovoltaico 150 kwp 180.000 kwh/anno In alcuni mesi si ha un surplus di energia: Mese Energia primaria Equivalente in energia per climatizzazione primaria da fotovoltaico Energia utilizzata Surplus gen 97.859 9.282 9.282 - feb 37.213 15.409 15.409 - mar 8.390 27.000 8.390 18.610 apr 1.030 34.229 1.030 33.199 mag 84.988 42.972 42.972 - giu 211.091 45.183 45.183 - lug 250.632 48.089 48.089 - ago 216.360 39.321 39.321 - set 72.280 28.971 28.971 - ott 1.760 17.603 1.760 15.843 nov 29.377 9.571 9.571 - dic 89.769 8.470 8.470 - TOTALI 1.100.749 326.100 258.448 67.652 Si può utilizzare per i mesi in deficit? E giusto considerarlo un surplus quando l illuminazione e gli usi elettrici generici non sono considerati nel calcolo? Gestione degli nzeb su piccola scala: obblighi o premi per l installazione di accumuli
Conclusioni è necessario chiarire in una definizione unica i limiti della stagione invernale ed estiva, al fine di evitare sovrapposizioni tra le due stagioni; è importante considerare che la protezione passiva realizzata dall involucro ha una efficacia molto maggiore nei Paesi in cui la stagione invernale è più importante; è necessario includere nell analisi degli edifici tutti gli usi energetici, anche attraverso una valutazione semplificata; in particolare è molto importante considerare i fabbisogni energetici per l illuminazione, dal momento che una riduzione dei fabbisogni per la climatizzazione estiva in alcuni casi può comportare un incremento dei fabbisogni per l illuminazione dell edificio; la definizione di energia rinnovabile non appare completa; non è chiara l interpretazione da dare ai contributi di tutti i sistemi impiantistici di generazione caratterizzati da un rendimento superiore all unità; appare, inoltre, fondamentale un aggiornamento frequente del rendimento dei sistemi elettrici nazionali; non è ben specificato come conteggiare eventuali surplus mensili di produzione di energia ai fini della prestazione energetica dell edificio; non sono previsti obblighi o premi per l installazione di sistemi di accumulo dell energia
prof. Ing. Livio de Santoli livio.desantoli@uniroma1.it