Il miglioramento dell'efficienza energetica in edifici scolastici tramite sistemi di Building Automation

Introduzione

1.1. Un quadro europeo

Nel territorio dell'Unione Europea la percentuale dei consumi energetici imputabile all'edilizia si attesta intorno al 40% rispetto al totale del fabbisogno e circa al 36% delle emissioni di CO2. La riduzione di tali consumi e lo sfruttamento delle risorse rinnovabili negli edifici costituisce quindi una delle più importanti politiche da attuarsi in vista di una maggiore autosufficienza del nostro continente in termini di approvvigionamento energetico e di sostenibilità delle emissioni. Circa l’80% del costo di esercizio di una nuova costruzione può essere risparmiato attraverso principi di progettazione integrata, normalmente senza spese aggiuntive escludendo una minima manutenzione.

Già a partire dal 2007 la Commissione Europea ha introdotto degli obiettivi quantitativi in materia di efficienza energetica, conosciuti come il "pacchetto 20-20-20". In particolare nel 2010, con la rifusione della Direttiva del 2002 inerente la prestazione energetica degli edifici (EPBD), sancisce che a partire dal 2020 tutti i nuovi edifici nel territorio dell'Unione Europea debbano raggiungere livelli di consumi energetici "quasi zero". Questo significa che, in meno di dieci anni, tutte le nuove realizzazioni dovranno dimostrare prestazioni ambientali molto alte, anche in termini di uso di risorse rinnovabili, in osservanza del quarto rapporto dell'Osservatorio Intergovernativo delle Nazioni Unite sui cambiamenti climatici. Un tale sforzo sta inducendo un'importante sviluppo del mercato immobiliare e richiede un ulteriore affinamento delle tecnologie di incremento dell'efficienza, con ripercussioni anche sul settore occupazionale.

In linea con il principio di sussidiarietà e con la varietà nella cultura tecnologica ed edilizia dei diversi paesi dell'Unione, gli Stati Membri hanno in carico il recepimento della direttiva, riflettendo le specificità nazionali e regionali. Più di un quarto del patrimonio immobiliare che si prevede necessario nel decennio del 2050 deve essere ancora costruito: ulteriori sforzi sono quindi necessari per l'implementazione di tecniche sempre più raffinate di controllo dei consumi.

1.2. Net Zero Energy Building

1.2.1. Definizione

Il concetto di "Net Zero Energy Building" (nZEB, edificio a energia netta zero) è espresso in termini generici nella direttiva EPBD come:

«edificio dal fabbisogno energetico molto basso o quasi nullo che dovrebbe essere coperto in misura molto significativa da energia da fonti rinnovabili, compresa l'energia da fonti rinnovabili prodotta in loco o nelle vicinanze.»

Riprendendo l'espressione formulata dal Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti d'America (DOE):

«edificio residenziale o per il terziario, le cui richieste energetiche sono significativamente ridotte dai guadagni di efficienza ed in cui le domande nel bilancio energetico sono sostenute dall'uso di energie rinnovabili.»

Tale sintetica definizione deve trovare e sta trovando una sua declinazione specifica all'interno del panorama edilizio caratterizzate ogni Stato Membro, seguendo alcuni filoni di approfondimento:

- Flessibilità del concetto di edificio ad energia zero: sua applicazione alle nuove costruzioni e a quelle esistenti.

- Definizione di energia rinnovabile e percentuale minima da impiegare

- Conciliazione del concetto di energia rinnovabile con il concetto di efficienza energetica

- Coniugazione di risparmio energetico e diminuzione delle emissioni

- Inserimento del processo di rinnovamento nell'ottica della convenienza economica

In particolare in Italia, dove il parco edilizio residenziale è per il 70% antecedente al 1976 (anno del varo della prima legge inerente il risparmio energetico in edilizia), è necessaria una ponderata riflessione orientata al recupero energetico del patrimonio immobiliare obsoleto. Le strategie da utilizzare per perseguire un tale scopo coinvolgono soggetti più ampi del singolo, estendendosi a condomini o unità di quartiere; le possibili soluzioni tecniche infatti spaziano dall'intervento passivo sull'involucro edilizio fino a di regolazione e monitoraggio puntuale degli impianti, in un sistema sinergico indirizzato all'efficienza.

1.2.2. Scenari di possibile realizzazione

I principi di base del nZEB sono già raggiungibili tramite le tecnologie attualmente disponibili. I percorsi di progressivo aumento dell'efficienza energetica negli edifici hanno sostanzialmente due possibili declinazioni: la riduzione dei consumi energetici (attraverso interventi sull'involucro edilizio oppure sul sistema impiantistico) e la riduzione della dipendenza dall'approvvigionamento di fonti energetiche attraverso l'autogenerazione del fabbisogno. La necessità globalmente rilevata è di puntare sull'energia elettrica prodotta in situ (per esempio tramite pannelli fotovoltaici), che abbatte le dispersioni dovute alla distribuzione in rete e non implica emissioni in ambiente come il carburante fossile.

Dal punto di vista della riqualificazione strutturale le soluzioni tecniche possibili contemplano normalmente l'isolamento delle superfici opache e l'impiego di serramenti a tenuta: il mercato dell'efficienza passiva nell'Unione Europea ha dei margini di ampliamento dell'ordine di 2 o 3 volte l'attuale. Tuttavia, come reso evidente dal grafico inerente al contesto italiano, tali interventi hanno un potenziale di risparmio limitato. Le tecnologie di riqualificazione impiantistica presentano invece un impulso decisamente più interessante, anch'esso già inserito in una quota di mercato. Caso a parte è rappresentato dalle soluzioni di Building Automation, che nonostante la buona possibilità di efficientamento, necessitano di una spinta notevole alla loro implementazione.

1.3. Definizione di reference building

Il lavoro di tesi si concentra sulla verifica prestazionale di alcune tecnologie di automazione, seguendo il processo suggerito dall'allegato III della direttiva 2010/31 UÈ e integrato nel regolamento delegato UE n. 244/2012 e negli orientamenti n. 115/1. Tale corpus legislativo è stato elaborato al fine di avere un quadro metodologico comparativo, utilizzabile dagli Stati membri per gli edifici esistenti e di nuova costruzione. Si tratta di una procedura scientifica, che attraverso fasi successive, giunge alla determinazione del "cost optimal level" e consiste in:

1. Ricerca dell'edificio di riferimento: definizione di un edificio che per caratteristiche geometriche, climatiche sia rappresentativo della categoria che ne rappresenta;

2. Definizione degli interventi per migliorare le prestazioni dell'involucro e degli impianti: tali misure possono essere considerate separate o in pacchetti di interventi;

3. Calcolo delle prestazioni energetiche attraverso simulazione dinamica: valutazione del fabbisogno di energia primaria per l'edificio di riferimento e per ciascun pacchetto di interventi considerati;

4. Computo degli interventi e dei costi di manutenzione e sostituzione: calcolo di tutti i fattori che intervengono nel periodo di calcolo considerato, attualizzati all'anno zero per la determinazione del costo globale;

5. Ricerca del livello ottimale in funzione dei costi: attraverso il rapporto tra l'energia primaria richiesta ed il costo globale per ciascun intervento.

Ai fini del presente studio ci si è concentrati sulle prime tre fasi del procedimento, sufficienti per dimostrare l'efficacia delle soluzioni proposte. Il primo passo del quadro metodologico illustrato è la definizione degli litici di riferimento: l'obiettivo di un reference building è di rappresentare il parco immobiliare normale e medio caratterizzato dalla funzionalità e posizione geografica specifica. Un reference building è definito come edificio di riferimento rappresentativo di un determinato campione, di cui sono assunte con metodi statistici caratteristiche distribuitive, costruttive, operative ed impiantistiche. Lo scopo di un tale modello è la riproduzione delle proprietà di un insieme di edifici nuovi ed esistenti attraverso elementi tipizzati. I risultati dell'analisi dello stesso sono estensibili al parco edilizio rispondente al profilo tecnico elaborato per il reference building. La procedura elaborata per effettuare la contestualizzazione del tipo edilizio è riassumibile in quattro ambiti:

- le caratteristiche distributive

- le tecnologie costruttive e i parametri prestazionali dell'involucro edilizio

- le caratteristiche degli impianti HVAC e di generazione dell'energia

- i carichi interni, i profili d'uso e altre condizioni al contorno.

Per quanto attiene alle caratteristiche distributive è necessario individuare gli schemi distributivi maggiormente caratteristici di quel tipo di costruzione, attraverso esempi di realizzazioni recenti, rilievi, ricerche bibliografiche: immediatamente a seguire è utile riassumere le caratteristiche costruttive tipiche di quel tipo di costruzione. Relativamente ai parametri prestazionali dell'involucro edilizio, assumono valenza di riferimento i limiti imposti dalla legislazione nazionale (o regionale quando più stringente). Per quanto attiene agli impianti HVAC è spesso facilmente identificabile, nella manualistica tecnica cosi come nella pratica professionale, la tipologia di impianto più diffusa per quel tipo di costruzione. Riguardo ai carichi termici e ai profili d'uso la normativa tecnica Europea è munifica di valori e dati di riferimento, volta costruito il file di benchmark si procede alla simulazione [eventualmente in diversi contesti climatici) e all'elaborazione dei dati finali (energia finale, energia primaria, emissioni di CO2, ecc.) Le applicazioni di un simile metodo sono molteplici: è possibile testare nuove tecnologie, ottimizzare il progetto architettonico e impiantistico, analizzare metodi di controllo avanzati; inoltre ne è auspicabile l'utilizzo per l'elaborazione di standard e norme, per condurre studi di illuminazione artificiale, illuminazione naturale, ventilazione meccanica, qualità dell'aria interna. Il Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti d'America (DOE) utilizza questo tipo di modelli per il supporto analitico nello sviluppo dei propri standard (ad esempio ASHRAE standard 90.1).

Ciascun edificio di riferimento acquisisce maggiore consistenza con lo svilupparsi degli studi che ne ampliano e confermano i dati, con un livello crescente di dettaglio e accuratezza. Alcuni modelli sono utili come rappresentazioni iconiche di una certa porzione dello stock edilizio, tratteggiando alcune caratteristiche comuni ed evidenziandone i più macroscopici comportamenti energetici; altri sono più approfonditi e consentono l'implementazione di caratteristiche di modellazione avanzata (sistemi di regolazione impiantistica fine, manufatti tecnici complessi, tecnologie passive per il contenimento dei consumi...) per verificarne l'efficacia.

In questa sede si è costruito un modello di dettaglio a partire da un esistente archetipo più elementare, per testare l'incisività delle soluzioni building automation.

1.4. Il regime dinamico di simulazione

L'approccio al calcolo dei consumi energetici di un edificio può seguire diverse linee, a seconda dei dati di input a disposizione e della tipologia di risultati attesi. Nello specifico è possibile distinguere tra:

- Approccio a rilevazione diretta: i dati provengono da variabili misurate con opportuni strumenti;

- Approccio data-driven: i dati di output sono fatti coincidere con quelli provenienti da fonti reali (monitoraggio, bollette);

- Approccio operazionale: i dati di input dipendono dalle caratteristiche tipologiche e di fruizione dell'edificio in esame.

In questa sede si è utilizzato il terzo approccio. La simulazione di un modello termo energetico può avvenire a diversi livelli di dettaglio, con crescente complessità di calcolo in funzione del grado di approfondimento richiesto. In particolare è possibile attuare diversi regimi di calcolo:

- Calcolo stazionario: i flussi termici sono funzione di trasmittanze costanti e temperature dell'ambiente interno considerate costanti, centrate sulla temperatura di setpoint; i coefficienti correttivi delle dispersioni e degli apporti sono considerati costanti o uguali a zero. Ne risulta un bilancio termico complessivo stazionario.

- Calcolo quasi-stazionario: i flussi termici sono funzione di trasmittanze costanti e temperature dell'ambiente interno considerate costanti, centrate sulla temperatura di set point; i coefficienti correttivi delle dispersioni e degli apporti sono funzione dell'inerzia termica dell'edificio. Ne risulta un bilancio termico complessivo variabile a seconda dell'accuratezza dei coefficienti correttivi (normalmente con cadenza mensile).

- Calcolo variabile o dinamico: i flussi termici sono funzione di trasmittanze e temperature dell'ambiente interno variabili secondo timesteps definiti. Ne risulta un bilancio termico complessivo variabile nell'arco dei diversi timesteps.

Il metodo di calcolo utilizzato ai fini del presente elaborato è di tipo dinamico, attuato tramite il software di calcolo denominato EnergyPlus, di cui elenchiamo di seguito le principali caratteristiche. Il programma nasce ufficialmente nel 2001 dagli sforzi congiunti del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti, del CERL (US Army Construction Engineering Research Laboratories), dell'Università dell’Illinois, del Lawrence Berkeley National Laboratory, dell'Università statale dell’Oklahoma e della GARD Analytics: implementa alcune funzioni derivate da motori di simulazione precedenti (Blast e DOE-2, elaborati dal Dipartimento della Difesa e dal Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti) e si basa sulla simulazione integrata dell'ambiente e dell'impianto di climatizzazione. Rispetto al calcolo a cascata dai sistema edificio al sistema impianto è dunque possibile tenere in conto l'interazione e le reciproche influenze tra le due componenti, tramite opportune funzioni di scambio (CTF, conduction transfer functions). Il programma è essenzialmente modulare, per facilitare l'inserimento di nuovi modelli, anche sviluppati in parallelo da diversi estensori. Il motore di simulazione principale è composto da tre moduli fondamentali:

- surface heat balance manager: risolve il bilancio termico in corrispondenza della superficie di ciascuna parete

- air heat balance manager: risolve il bilancio dell'ambiente attraverso la simulazione simultanea degli scambi termici radianti e convettivi

- building systems simulation manager: simula gli elementi impiantistici.

Questi moduli principali sono risolti simultaneamente, e non in cascata, per ottenere una simulazione il più possibile realistica. Si procede secondo successive iterazioni tra la domanda di energia dell'edificio e l'offerta di energia dell'impianto di climatizzazione: alla prima iterazione si stima il carico termico dell'ambiente avendo fissato la temperatura interna pari alla temperatura di set point; assunto questo carico termico come potenza richiesta all'impianto, è simulato il comportamento dell'impianto di climatizzazione e viene stimata l'effettiva potenza termica che l'impianto è in grado di fornire a quell'istante temporale; con questa potenza termica è determinata l'effettiva temperatura della zona termica.