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Tecnica
giugno 2014
LA TERMOTECNICA
Energia & Edifici
di F. Busato, R. Lazzarin, M. Noro
51
Riduzione dei fabbisogni termici di un edificio mediante
misure diverse: analisi energetica ed economica
Gli edifici costruiti in Italia prima della Legge 10/91 presentano dispersioni termiche spesso oltre i 100 kWh/(m² anno), dotati di impianti di riscaldamento a radiatori alimentati con acqua a temperature difficilmente compatibili con i moderni generatori a pompa di calore e caldaie a condensazione.
L’articolo analizza l’effetto di interventi di riqualificazione energetica “leggera” effettuati in fasi successive, di tipo sia “passivo” sull’involucro sia “attivo”
sulla generazione e distribuzione del calore.
REDUCTION OF THERMAL NEEDS OF A BUILDING BY DIFFERENT STEPS:
AN ENERGY AND ECONOMIC ANALYSIS
Buildings realized in Italy before the Law n. 10/1991 have thermal losses often greater than 100 kWh m2 per year; they have typically radiators terminals
with a flow temperature quite incompatible with both heat pumps and condensing boilers. The paper reports on the effect of successive interventions in
order to reduce thermal needs, both “passive” on the building and “active” on heating and cooling plants.
INTRODUZIONE
Qualche anno fa, l’allora Presidente dell’ASHRAE, Gordon Hollness, affermava che l’80% degli edifici esistenti oggi saranno
ancora operativi nel 2030. Se questo è vero in un paese come gli
USA, dove il tasso di rinnovo è molto elevato, lo è a maggior ragione in Italia, dove il rinnovo è inferiore allo 0,7% annuo. Questo
significa che gli interventi di ristrutturazione andranno operati
su quell’enorme parco edilizio realizzato prima degli anni ’90.
L’edificio tipico con cui ci si confronta non è in sostanza isolato,
dotato di generatore di calore di tipo tradizionale e i corpi scaldanti sono i classici radiatori, molto spesso ospitati nelle nicchie
sottofinestra. Il risultato è un consumo spesso dell’ordine di 100
- 150 kWh/(m² anno).
Dal punto di vista degli impianti, è noto che la tecnologia mette a
disposizione, da alcuni anni, apparecchi di grande efficienza nella
trasformazione dell’energia, quali le caldaie a condensazione e le
pompe di calore. Si dice spesso però che le temperature richieste
da un impianto a radiatori non siano compatibili con le prime e
tanto meno con le seconde. Questo è parzialmente vero per un
edificio non isolato, dal momento che i radiatori devono operare
a temperature superiori a 70 °C per soddisfare il carico di progetto
nel loro dimensionamento standard. Gli impianti più adatti sarebbero i sistemi radianti a pavimento o a soffitto oppure i fan coils.
Dal punto di vista dell’isolamento, l’intervento tipico è il cappotto
isolante con la sostituzione di tutti i serramenti.
In entrambi i casi, sistemi radianti a bassa temperatura e cappotto
isolante, l’intervento di ristrutturazione è molto pesante richiedendo l’evacuazione degli appartamenti per alcune settimane e/o la
messa in opera di impalcatura e problematiche non secondarie di
carattere estetico-funzionale nei molti edifici con caratteristiche di
pregio architettonico. Non va trascurato l’aspetto economico (un
isolamento accurato su tutto l’involucro dell’edificio comporta un
investimento elevato) né quello connesso al periodo estivo (il cappotto isolante riduce in maniera importante nel periodo notturno
le possibili dispersioni dei carichi interni e dei guadagni diurni).
Ci si domanda perciò quali possano essere i benefici e le problematiche di una ristrutturazione “leggera” che implichi un ridottissimo intervento negli appartamenti, analizzando se questa renda
compatibili i corpi scaldanti esistenti con le più ridotte temperature consentite da apparecchi come la pompa di calore. L’analisi
qui proposta parte, quindi, da un classico edificio condominiale
realizzato nel ventennio precedente il 1990 (nessun isolamento
termico, infissi vetrati a vetro singolo con scarse caratteristiche di
tenuta), considerando successivamente diversi interventi di riqualificazione leggera dell’involucro e analizzando, con diversi climi,
come vari il carico dell’edificio e come si possano confrontare i
radiatori esistenti con le temperature più ridotte di una centrale
termica equipaggiata con pompa di calore, realizzata con sistema
ibrido (pompa di calore e caldaia a condensazione al di sotto del
balance point).
A valle dell’analisi energetica, le stime economiche permettono di
valutare adeguatamente la fattibilità di questo tipo di intervento
in funzione delle diverse circostanze.
L’ANALISI CONDOTTA SULL’INVOLUCRO
Al fine di condurre un’analisi di tipo teorico e che sia facilmente
comprensibile, è possibile schematizzare il caso considerato con
una costruzione di forma parallelepipeda che si sviluppa su quattro piani. Il pianterreno contiene le autorimesse, il piano primo e
secondo le sedici unità abitative (8 per piano), il terzo piano è un
sottotetto non abitabile e senza aperture.
Per semplificare la geometria e l’analisi, le superfici finestrate sono
state poste sulle sole facciate sudovest e nordest e gli appartamenti
sono stati disegnati in pianta quadrata con superficie lorda 100 m2.
Prof. Ing. Renato Lazzarin, Ing. Marco Noro - Dipartimento di Tecnica e Gestione dei Sistemi Industriali - Università degli Studi di Padova
Ing. Filippo Busato - Libero professionista
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Energia & Edifici
Le caratteristiche termofisiche dell’edificio campione sono state
assunte essere quelle di Tabella 1. Inoltre sono stati considerati
i ponti termici di forma, quelli del telaio della struttura, quelli di
cordoli e soglie e infine quelli dei serramenti.
TABELLA 1 - Trasmittanza degli elementi dell’involucro di base
È stata condotta una simulazione dinamica in ambiente TRNSYS
17 [1] per determinare il fabbisogno di calore “verosimile” dell’edificio, nelle tre diverse località climatiche di Venezia, Roma e
Palermo secondo gli anni tipo del CTI [2]. La stagione di riscaldamento considerata e la durata massima del periodo di accensione
dell’impianto di riscaldamento sono quelli convenzionali definiti
da [3]. La simulazione è stata condotta con passo orario e potenza
disponibile all’impianto indefinita; pertanto la massima potenza
media oraria risultante dai calcoli sarà in grado di garantire di
portare a regime la temperatura in un’ora di tempo.
LA RIQUALIFICAZIONE DELL’INVOLUCRO
La sostituzione degli infissi è il primo intervento che viene considerato. In seguito verrà considerato l’isolamento del sottotetto e
del solaio sull’autorimessa, per portare le loro trasmittanze al di
sotto dei limiti di legge.
Nello specifico si considera la sostituzione di tutti gli infissi esterni
dell’edificio, 15 m2 per ogni appartamento con vetrocamera 4-6-4
bassoemissivo riempito di Argon, telaio a taglio termico, Uw pari a
1,5 e Ug pari a 0,6. Il costo (desunto da [4]) è di 300 €/m2. Alla
sostituzione del serramento naturalmente si accompagna la riduzione delle infiltrazioni d’aria, il cui indice passa da 0,5 a 0,3 Vol/h.
Per quanto riguarda l’isolamento del sottotetto, esso viene effettuato tramite stesura di lana di roccia in rotoli da 10 cm di spessore,
che portano la trasmittanza del solaio a 0,28 W/(m 2 K), con un
costo presunto di 24 €/m 2. L’isolamento dei solai su autorimessa
avviene dal lato inferiore con lastre di polistirene da 8 cm e rivestimento in cartongesso a singola lastra. Questa operazione consente
TABELLA 2 - Risultati della riqualificazione dell’involucro
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LA TERMOTECNICA
di raggiungere una trasmittanza del solaio pari a 0,31 W/(m 2 K)
a fronte di un costo di 30 €/m2.
La Tabella 2 riporta i risultati ottenuti con la simulazione dinamica: il fabbisogno netto di calore dell’involucro QH,nd, l’indice di
prestazione energetica per la climatizzazione invernale dell’edificio EP i,invol, la potenza media oraria massima richiesta e le loro
riduzioni percentuali.
La riduzione relativa del fabbisogno cresce naturalmente con i
climi più caldi, in quanto per questi aumenta il rapporto tra l’irradiazione solare e il numero di gradi-giorno N GG, cioè il rapporto
tra apporti solari e dispersioni termiche. A questa ragione si deve
sommare (ipotesi semplificative):
-il fatto che l’edificio di base è stato considerato identico in tutte
e tre le città;
-il fatto che le trasmittanze del vetro e gli spessori di isolamento
usati nella riqualificazione sono conformi a quanto richiesto dalla
legislazione per la zona climatica E (Venezia).
Si noti come la riduzione della potenza massima richiesta sia
inferiore alla riduzione del fabbisogno netto di calore: ad esempio, a Venezia la riqualificazione di serramenti e solai porta a un
dimezzamento del fabbisogno di calore e la potenza viene ridotta
di circa un quarto.
La potenza richiesta, infatti, non rappresenta la dispersione in
condizioni di progetto, ma comprende anche la quota di “potenza di ripresa” (definita dalla UNI EN 12831:2006) necessaria
a riportare la temperatura interna al valore prestabilito dopo lo
spegnimento notturno.
L’ASPETTO IMPIANTISTICO
Come è stato spiegato prima, gli edifici residenziali costruiti negli
anni precedenti il recepimento della L 10/91 sono tipicamente
serviti da impianti di riscaldamento a radiatori, con temperature
di mandata che possono arrivare a 70 - 80 °C.
Il tipo di generatore di calore maggiormente utilizzato è la caldaia
tradizionale, a tiraggio forzato nel caso di impianto centralizzato
e di tipo atmosferico nel caso di impianto autonomo. Il rendimento
globale medio stagionale di questi impianti non di rado è dell’ordine del 60% [5] [6].
La recente diffusione (incentivata e non) delle pompe di calore nel settore residenziale suggerisce di valutarne le possibilità
applicative, che possono dare risultati energetici ed economici
interessanti [5].
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LA TERMOTECNICA
LA TEMPERATURA DI ALIMENTAZIONE
L’emissione di calore da un radiatore può essere determinata
secondo l’equazione:
(1)
nella quale P è la potenza termica nelle condizioni desiderate, PEN442
è la potenza termica nominale, determinata con differenza tra la
temperatura media del fluido nel corpo scaldante e temperatura
dell’aria pari a 50 °C; ΔT è la medesima differenza di temperatura
nelle condizioni desiderate. L’esponente varia tra 1,25 e 1,33 a
seconda del tipo di corpo scaldante installato.
Assunto che nei radiatori la differenza tra temperatura di mandata e ritorno sia di 10 °C, ΔT nominale di 50 °C è ottenuto con
temperatura di mandata pari a 75 °C [(75+65)/2-20]. Pertanto è
possibile determinare la potenza massima erogabile in funzione
della temperatura massima di alimentazione:
-74 - 76% della potenza nominale se la temperatura di alimentazione è pari a 65 °C (ΔT pari a 40 °C);
-64 - 62% della potenza nominale se la temperatura di alimentazione è 60 °C (ΔT pari a 35 °C).
Considerando la necessità di installare un separatore idraulico
(perché il primario della pompa di calore deve lavorare a portata
costante) e la differenza di temperatura ridotta (dell’ordine di 5
°C) rispetto ai corpi scaldanti, sarà necessario intervenire nella
centrale termica. Quindi vale la pena di considerare anche l’installazione di un generatore bivalente bi-energetico elettrico-gas [7]
quando non addirittura un doppio generatore costituito da pompa
di calore ad aria e caldaia. In questo modo è possibile cercare di
ottimizzare l’impianto dal punto di vista energetico scegliendo il
balance-point (“punto bivalente”, [7]) nel modo più favorevole.
È stato condotto, seguendo il metodo normato [7], [8], parzialmen-
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te modificato per tenere in considerazione il fattore del brinamento
[9], [10], il calcolo delle prestazioni del sistema di generazione
a pompa di calore integrato da caldaia a condensazione. È stato
assunto il funzionamento alternato dei generatori, cioè al di sotto
della temperatura bivalente la pompa di calore viene spenta e viene
mantenuta in funzionamento solo la caldaia, Figura 1.
Il risultato del calcolo, effettuato con diverse taglie di pompa di
calore (macchine commercialmente disponibili, aria-acqua, con
compressore EVI, refrigerante R410A e funzionamento ON/OFF)
e per diversi valori della temperatura bivalente, è riportato in
Tabella 3. Per ogni località è stata individuata la coppia potenza
della pompa di calore-temperatura bivalente che massimizza il
Rapporto di Energia Primaria REP. Tutte le macchine considerate
sono in grado di produrre acqua calda alla temperatura di 65 °C,
essendo dotate di compressori:
-ottimizzati per i rapporti di compressione elevati tipici del funzionamento in pompa di calore;
-con re-iniezione di liquido/gas, per limitare la temperatura di
scarico del compressore ai rapporti di compressione elevati, e
quindi il danneggiamento dell’olio, principale limite tecnologico
nel funzionamento ad alta temperatura.
TABELLA 3 - Risultati della valutazione energetica dell’applicazione
della Pompa di Calore
I risultati di Tabella 3 mostrano come la taglia della pompa di
calore consenta, pur con potenze pari ad appena un terzo della
potenza di progetto, di coprire i tre quarti del fabbisogno di calore.
Con impianti a radiatori (in questo caso la curva climatica è stata
scelta con il valore massimo indicato in tabella e il minimo a 40 °C)
è possibile raggiungere discreti valori di COP medio stagionale
(SCOP). La prestazione della pompa di calore, facendo leva sui
3/4 del fabbisogno di calore, consente di ottenere delle efficienze
ragguardevoli in termini di energia primaria.
FIGURA 1 - Funzionamento della Pompa di Calore
VALUTAZIONI ECONOMICHE
Come si può apprezzare in Tabella 4 è possibile effettuare delle
semplici analisi economiche per la riqualificazione dell’edificio.
Le ipotesi sono le seguenti:
-prezzo energia elettrica 0,22 €/kWh;
-prezzo gas metano 1 €/Sm³;
-rendimento medio stagionale globale caldaia esistente 65%;
-tasso di attualizzazione monetario 5%;
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TABELLA 4 - Risultati economici globali della riqualificazione
-tasso medio di inflazione dei prodotti energetici 7%;
-tasso di attualizzazione reale -1,9%.
Le cinque colonne rappresentano in sequenza le situazioni incrementali:
-caso base, edificio esistente e centrale termica con rendimento
medio 65%;
-sostituzione dei serramenti, centrale termica come sopra;
-coibentazione di sottotetto e vano autorimessa, centrale termica
come sopra;
- sostituzione del vecchio generatore di calore con nuova pompa di
calore e nuova caldaia a condensazione modulante (rendimento
medio stagionale calcolato con metodo bin) con rendimento
nominale 105%;
-totale dei precedenti.
Il costo della sostituzione dei serramenti e della coibentazione del
sottotetto e del vano autorimessa sono costanti per tutte le località,
perché dipendono soltanto dall’edificio. Il costo della riqualificazione della centrale termica è invece variabile con la dimensione
delle macchine installate.
Come si può notare il consumo di gas metano con la sostituzione
della centrale termica si riduce notevolmente, grazie da un lato
alla pompa di calore e dall’altro all’aumento di efficienza dato dal
nuovo generatore a combustione.
È curioso notare come l’intervento che ha il Payback superiore a
tutti (e praticamente inaccettabile al centro e sud Italia) sia invece
proprio il più diffuso. Naturalmente il tempo di recupero per gli
interventi sull’involucro è via via maggiore man mano che il clima
diventa mite, ciò è già stato in parte spiegato nel commento alla
riduzione del fabbisogno netto di calore.
Ciò che invece è più interessante è il valore del VAN, misurato su
un tempo di 25 anni (mediamente il tempo che intercorre tra la
costruzione e una ristrutturazione importante varia tra 20 e 30
anni). Esso, riferito all’operazione globale di riqualificazione,
assume valori che sono sempre confortanti, tra i 12 e i 30.000 €
per unità, e rappresenta un effettivo guadagno per il proprietario,
che andrà a sommarsi, in caso di vendita, all’acquisizione di valore
data da un immobile con maggiore efficienza energetica.
BIBLIOGRAFIA
1. AA.VV., TRNSYS
2. CTI, 2012, Anni tipo climatici d’Italia
3. DPR 26 agosto 1993, n. 412 (1). Regolamento recante norme per la progettazione, l’installazione, l’esercizio e la manutenzione degli impianti termici
degli edifici ai fini del contenimento dei consumi di energia, in attuazione
dell’art. 4, comma 4, della L. 9 gennaio 1991, n. 10
4. ENEA, 2010, Le detrazioni fiscali del 55% per la riqualificazione energetica
del patrimonio edilizio esistente, http://efficienzaenergetica.acs.enea.it/
doc/rapporto_2010_pubblicato.pdf, online
5. F. Busato, R. Lazzarin, La pompa di calore elettrica come soluzione per il
riscaldamento centralizzato: aspetti tariffari, valutazioni energetiche ed
economiche, atti del Convegno AiCARR di Bologna, pagg. 231 - 242, 28
ottobre 2010, Bologna (BO), Italia
6. R. Lazzarin, I moderni generatori di calore: efficienza energetica ed inquinamento ambientale, Proceedings Congress AICARR “Le moderne tecnologie
negli impianti e nei componenti per il riscaldamento”, atti del Convegno
AiCARR di Padova, pagg. 1 - 26, 19 giugno 2003, Padova, Italia
7. UNI, 2012, UNI/TS 11300-4:2012, Prestazioni energetiche degli edifici
Parte 4: Utilizzo di energie rinnovabili e di altri metodi di generazione per
la climatizzazione invernale e per la produzione di acqua calda sanitaria
8. UNI, 2012, UNI EN 14825:2012, Condizionatori d’aria, refrigeratori di
liquido e pompe di calore, con compressore elettrico, per il riscaldamento
e il raffrescamento degli ambienti. Metodi di prova e valutazione a carico
parziale e calcolo del rendimento stagionale
9. F. Busato, R. Lazzarin, M. Noro, Heat pump in the refurbishment of existing
buildings, Rehva Journal, 2012, Vol. 49(6), pp 45 - 49
10.F. Busato, R. Lazzarin, M. Noro, Energetic and economic analysis of different
heat pump systems for space heating, International Journal of Low Carbon
Technologies, 2012, 7, 104 - 112, doi:10.1093/ijlct/cts016
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