Analisi dell’impatto delle strategie di gestione energetica negli edifici per il miglioramento della loro prestazione

INTRODUZIONE

La riduzione dei consumi energetici globali è un argomento che assume un ruolo centrale nel dibattito scientifico degli ultimi decenni. La maggiore dipendenza dalle importazioni di energia, la scarsità delle risorse energetiche e la necessità di limitare i cambiamenti climatici hanno portato l'Unione Europea a sviluppare la "Strategia Europa 2020" per una crescita intelligente, sostenibile e inclusiva, Tra gli obiettivi prioritari di questa strategia rientra la tematica dell'efficienza energetica: il piano di efficienza energetica 2011 ha indicato una serie di politiche e misure di efficienza energetica che interessano tutta la catena energetica, incluse la produzione, la trasmissione e la distribuzione dell'energia e la gestione da parte dei clienti finali dei propri consumi energetici.

Il contributo degli edifici, sia residenziali che commerciali, nei confronti dei consumi energetici è aumentato negli ultimi decenni raggiungendo circa il 40% dei consumi energetici globali e il 36% delle emissioni di gas serra, superando i settori dell'industria e dei trasporti (28% e 32%). In particolare, nel settore commerciale gli edifici ad uffici sono quelli che riportano i maggiori consumi energetici ed emissioni di anidride carbonica. Ad esempio, in Spagna essi rappresentano il 33% dei consumi energetici relativi al settore commerciale e circa il 2,7% dei consumi totali. Gli usi energetici per i quali si registrano i consumi maggiori negli edifici ad uffici nel caso spagnolo sono i dispositivi (10%), l'illuminazione (33%) e gli impianti di climatizzazione e di riscaldamento e raffrescamento (52%). Poiché il settore edilizio riporta consumi energetici elevati, da essi ne deriva anche un importante potenziale di risparmio energetico. Il settore edilizio, quindi, assume un ruolo prioritario per l'Unione europea nel tentativo di raggiungere il suo l'obiettivo di ridurre del 20% il consumo di energia primaria per il 2020. In particolare, la Direttiva 2012/27/UE del Parlamento europeo e del Consiglio del 25 ottobre 2012 impone che gli Stati membri mettano a punto delle strategie a lungo termine per migliorare l'efficienza energetica del parco immobiliare.

L'efficienza energetica applicata agli edifici è l'insieme delle azioni che consentono di consumare meno e meglio, garantendo condizioni di comfort all'interno di ambienti confinati tenendo in considerazione le condizioni climatiche di riferimento, l'orientamento ed il contesto urbano. Un edificio efficiente deve, quindi, seguire tre direttive principali: limitare le dispersioni di energia attraverso l'involucro edilizio, ottimizzare l'utilizzo delle fonti energetiche non rinnovabili e massimizzare lo sfruttamento delle risorse energetiche rinnovabili. Gli interventi per l'efficienza energetica proposte dalla direttiva sono operazioni che riguardano l'involucro edilizio, gli impianti termici ed elettrici e l'applicazione di sistemi di gestione energetica.

Controllare, monitorare e gestire l'uso dell'energia all'interno di un edificio comporta un considerevole abbattimento dei consumi energetici dello stesso. Queste funzionalità possono oggigiorno essere svolte attraverso i cosiddetti BACS (Building Automation and Control System), ovvero sistemi di controllo computerizzati, software e hardware, in grado di monitorare, regolare e controllare gli impianti a servizio degli edifici. Con il più specifico termine BEMS (Building Energy Management System) sono indicati i sistemi di controllo dedicati in maniera specifica agli impianti energetici presenti negli edifici. I servizi energetici gestiti dai BEMS sono la climatizzazione invernale ed estiva, la ventilazione meccanica e/o naturale, la produzione di acqua calda sanitaria e l'illuminazione artificiale e/o naturale. Essi assumono una particolare importanza poiché consentono di ottimizzare le prestazioni del sistema edificio-impianto in fase di esercizio, garantendo le condizioni di comfort e di qualità dell'aria all'interno dell'ambiente costruito.

La gestione e il controllo dell'energia negli edifici può portare a notevoli vantaggi. Diversi studi dimostrano che la correzione di problemi a livello di controllo dell'energia negli edifici può ridurre i consumi di energia primaria fino al 70%. La letteratura riporta numerose strategie di gestione e controllo dell'energia per i servizi energetici gestiti dai energy management system. La tabella seguente mostra le principali strategie di gestione per i servizi energetici gestiti dai BEMS proposte dalla letteratura.

L'approccio della DCV ha come obiettivo la riduzione del consumo energetico mantenendo la qualità dell'aria interna minima modulando la portata di aria esterna in funzione della concentrazione di anidride carbonica, dipendente dall'occupazione in zona. A seconda dell'utilizzo di profili di occupazione standard o derivanti dall'analisi di dati orari in tempo reale, la CCh-based DCV può portare ad una riduzione dei consumi energetici pari al 56%. L'applicazione del sistema passivo di raffrescamento della ventilazione notturna ha effetti di riduzione della temperatura interna e del carico di raffrescamento sull'impianto pari al 20,5% , introducendo in ambiente aria esterna nelle ore notturne se le condizioni climatiche sono favorevoli. Come per la strategia appena descritta, anche il sistema economizzatore ha effetti sul carico di raffrescamento. L'impatto di quest'azione dipende considerevolmente dal tipo di controllo applicato e dalle condizioni climatiche esterne. I risultati riportati da letteratura mostrano riduzioni sui consumi energetici fino al 18% e fino al 23% se implementato con una demand control ventilation basato sulla concentrazione di anidride carbonica. Allo stesso modo, la ventilazione notturna è una strategia basata sull'immissione di aria esterna in ambiente durante le ore notturne che può portare fino ad un risparmio sui consumi di raffrescamento pari al 5% e superiori se integrata con altre strategie. A proposito delle strategie legate all'impianto di riscaldamento e raffrescamento, la letteratura propone diverse azioni di controllo quali l'accensione e lo spegnimento dell'impianto sulla base dei profili di occupazione, Voptimum start and stop e la teoria del comfort adattativo. Facendo variare l'on/off dell'impianto sulla base dell'occupazione o posticipare l'accensione e anticipare lo spegnimento possono ridurre i consumi sul riscaldamento e raffrescamento rispettivamente tra il 10-15% e il 26,7%. Per quanto riguarda l'applicazione della teoria del comfort adattativo, la letteratura riporta risparmi energetici tra il 7 e il 34%. Come spiegato nella sezione 2.2.3, l'occupazione condiziona numerose azioni di controllo degli impianti ma le strategie che si concentrano solo sulla gestione dell'occupante non sono numerose. Si concentrano, in particolare, sulle strategie di dislocamento degli occupanti, riportando riduzioni nei consumi energetici tra il 13 e 15%.

All'interno del panorama di ricerca internazionale sono state identificate numerose iniziative legate all'ottimizzazione dell'energia nelle città e negli edifici. Tra di essi, il progetto europeo OPTIMUS "OPTIM ising energy use in cities through smart decision system", finanziato nell'ambito del programma FP7, il Settimo progetto quadro per la ricerca e lo sviluppo tecnologico (2007-2013), ha come obiettivi progettare, sviluppare e fornire un sistema di supporto decisionale (DSS) integrato con una piattaforma ITC, che aiuti le autorità locali ad ottenere una significativa riduzione dei consumi energetici e delle emissioni di CO2 nei loro edifici. All'interno di questo contesto si inserisce questa tesi, i cui obiettivi sono di delineare un quadro generale da letteratura sulle azioni di gestione energetica negli edifici e di valutare l'impatto di alcune strategie applicate ad uno degli edifici casi studio del progetto OPTIMUS, la sede del Comune di Sant Cugat des Vallés (Spagna).

Il lavoro è stato strutturato in tre fasi. La prima fase di analisi dello stato dell'arte sulle strategie di gestione dell'energia negli edifici è stata essenziale al fine di definire le azioni applicabili agli edifici terziari, e in particolare al caso studio preso in analisi. Poiché la valutazione degli impatti derivanti dall'applicazione delle azioni di gestione è stata effettuata mediante un modello di simulazione dinamico di tipo white box, nella seconda fase del lavoro è stato creato il modello della sede del Comune di Sant Cugat ed è stato calibrato sulla base dei consumi energetici reali ricavati dalle bollette delle utenze per avere una baseline di consumi energetici per il confronto nella valutazione dell'impatto dell'applicazione delle strategie. Le azioni di gestione scelte tra quelle individuate dall'analisi di letteratura sono state applicate al caso studio prima singolarmente e successivamente integrate, e i risultati delle simulazioni sono stati confrontati con la baseline per valutarne gli impatti sui consumi di energia consegnata e, in alcuni casi, anche sul comfort degli occupanti.