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RISCALDAMENTOENERGIA ISSN:2038-2723

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ABBIAMO PROPRIO BISOGNO DELLE ENERGIE RINNOVABILI

Lo scorso anno il consumo di energia a livello mondiale è stato di circa 11 Gtep (leggasi miliardi di tonnellate equivalenti di petrolio). Qualcuno si sarà chiesto: quanto ha consumato fin qui l’umanità nella sua lunga storia? Il calcolo è facile. Indicativamente 300 Gtep di energia da fonti fossili ed altri 100 Gtep da fonti rinnovabili (energia idraulica, dal vento, da biomasse e muscolare). Di quei 300 Gtep ne abbiamo consumati circa 1/3 negli ultimi 10 anni. E se continuiamo con questo andamento basteranno solo meno di altri 8 anni per altri 100 Gtep. I matematici hanno inventato una splendida notazione sintetica per indicare i grandi numeri: la notazione esponenziale. 300 Gtep sono 3x1011 tonnellate equivalenti di petrolio. Il dato così sintetico fa perdere spesso di vista la reale entità delle quantità in gioco. Proviamo ad immaginare il più grande lago italiano, il lago di Garda, ed immaginiamolo di petrolio. Per arrivare alla quantità di cui sopra ci vogliono 6 (SEI!) laghi di Garda. Il problema energetico presenta due questioni che concorrono a fornire una risposta alla domanda da cui siamo partiti. La prima è: quanti laghi di Garda di petrolio o, equivalentemente, di gas naturale e carbone sono ancora disponibili prima di arrivare all’esaurimento pratico delle risorse? E subito dopo: quanti laghi di Garda di petrolio od equivalenti si possono bruciare senza un irreversibile danno ambientale? È inutile nascondersi. Neanche il più scriteriato ottimista può dare risposte con leggerezza a due domande che delineano un avvenire minaccioso per le future generazioni (e in qualche caso anche per la presente). Veniamo ora al contributo offertoci dalle energie rinnovabili. Una coincidenza del tutto casuale può stimolare la nostra immaginazione: tutta quella energia che l’umanità ha consumato in millenni di storia, ma soprattutto in pochi decenni di sviluppo esponenziale di popolazione, beni di consumo, disponibilità di risorse, ci arriva dal Sole in un solo

giorno. Avete letto bene: tutto il globo terrestre riceve in 24 ore tutta quella energia. Questo non vuole assolutamente dire che il problema sia di facile soluzione. Tutta quell’energia si distribuisce su di un’enorme superficie. Come si dice tecnicamente, è una forma di energia diluita. Per essere raccolta adeguatamente richiede l’ingegno della natura (pensate a come il mondo vegetale si è stupendamente attrezzato con la disposizione delle foglie o con un inseguitore solare come il girasole!) o l’ingegno dell’uomo. Che però, ad un certo punto, avendo scoperto la “potenza motrice del fuoco”, ha progressivamente rinunciato ad applicarsi ad utilizzare al meglio la forza del vento o la benefica radiazione del sole. La speranza nasce osservando come pochi anni di applicazione abbiano consentito progressi tanto rapidi da portare l’energia eolica a concorrere in molti casi con i migliori impianti tradizionali, a trasformare i raggi del Sole in energia termica ad alta temperatura per far funzionare i classici cicli termodinamici produttori di elettricità, o direttamente in energia elettrica. La ricerca delle celle solari si muove verso impieghi di materiale 100 volte minori, rispetto alle attuali celle, con la possibilità di sfruttare le più svariate superfici esistenti, dai tetti delle case, alle finestre, alle pensiline delle stazioni. Non vi è qui lo spazio per dar conto di tutte le innovazioni che sono in corso di sviluppo. Altrettanto importanti sono le associazioni di idee di sistemi innovativi: pensate soltanto a pompe di calore azionate da moduli fotovoltaici che utilizzino come sorgente fredda proprio la quota di energia solare che le celle non sono in grado di trasformare in energia elettrica. Bisogna crederci e lavorarci come diceva Thomas Alva Edison, il grande inventore, con 99% di perspiration (di fatica nella sperimentazione e realizzazione, di investimento nella ricerca) e 1% di inspiration (l’impiego di tutte le capacità dell’ingegno). Chi ha letto fin qui può dare da sé una risposta alla domanda iniziale. Renato M. Lazzarin, Presidente AiCARR


Editoriale 1

Novità prodotti 4

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INTERVISTA Più competenze per integrare Le cause del ritardo italiano nell’integrazione fotovoltaica. Ne parliamo con Niccolò Aste a cura di Marco Zani

PROGETTARE Pensare l’integrazione Integrazione di sistemi attivi per lo sfruttamento delle energie rinnovabili nel progetto di architettura di Stefano Paolo Corgnati, Daniele Guglielmino

FONDAZIONI FREDDE Dimensionare i pali energetici Per verificare la sovrapposizione degli effetti dei carichi statici e delle tensioni create dalle diverse temperature del terreno nell’arco dell’anno, è bene unire allo studio termotecnico quello geotecnico di Michele De Carli, Mirco Donà, Diego Vergani

RICERCA Hybrid Ventilated Façade come esempio di integrazione La Facciata a Ventilazione Ibrida (HVF) si rivela una valida soluzione per l’integrazione di tecnologie per lo sfruttamento di energia da fonte rinnovabile di Francesco Goia, Marco Perino, Valentina Serra, Fabio Zanghirella

Architettura cinese per mettere in fase produzione solare e domanda energetica Riduzione della quota di energia “non-solare” mediante l’installazione di pannelli solari, termici e fotovoltaici, sui marcapiano inclinati di David A. Johnston

PROGETTI DNA Rinnovabile La riqualificazione energetica di un complesso produttivo ha puntato ad una completa integrazione di molteplici fonti rinnovabili, nell’involucro e negli impianti a cura della redazione

SOLAR COOLING Configurazioni standard per impianti di raffrescamento solare di piccola taglia La riduzione del fabbisogno energetico degli edifici residenziali mediante sistemi passivi, assieme all’utilizzo di soluzioni attive che fanno uso di fonti rinnovabili porteranno, in un vicino futuro, alla realizzazione di edifici ad energia quasi zero, come richiesto dalla nuova direttiva europea (EPBD) per il 2021. di R.Fedrizzi, G.Franchini, D.Mugnier, P.N.Melograno, M.Theofilidi, A.Thuer, B.Nienborg, L.Koch, R.Fernandez, A.Troi, W.Sparber


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INCHIESTA PRIVATA Rinnovabili, non è sempre utile coprire il carico di picco La curva di durata si rivela un valido strumento per la valutazione del fabbisogno stagionale medio e per l’adozione di soluzioni ibride di Fabio Minchio

STATO DELL’ARTE Biomasse per riscaldamento Aspetti energetici, ambientali ed economici nell’utilizzo delle biomasse per il riscaldamento di Marco Noro

SISTEMI Cogenerazione di piccola taglia Analisi tecnica e normativa sulle tecnologie per la produzione combinata di energia termica e elettrica di Marco Noro

CASE STUDY MCHP. Quale futuro nelle case a basso consumo? Valutazione della convenienza economica ed energetica dei sistemi endotermici in edifici nuovi e ristrutturati di Benoît Andlauer, Pascal Stabat, Dominique Marchio, Bernard Flament

Solare termico, conviene sempre nei grandi Centri Commerciali? Talvolta la pubblica amministrazione impone soluzione tecnologiche ritenute sostenibili, dal punto di vista ambientale, ma che non lo sono nella logica dell’esercizio dell’impianto e del tempo di ritorno dell’investimento di Giorgio Fuschini, Pier Giorgio Fuschini

Editore: Quine srl www.quine.it

Posta target magazine - LO/CONV/020/2010. Iscrizione al Registro degli Operatori di Comunicazione n. 12191

Presidente Andrea Notarbartolo

Periodico bimestrale AiCARR journal è una testata di proprietà di AiCARR – Associazione Italiana Condizionamento dell’Aria Riscaldamento e Refrigerazione

Hanno collaborato a questo numero Benoît Andlauer, Stefano Paolo Corgnati, Michele De Carli, Mirco Donà, R.Fedrizzi, R.Fernandez, Bernard Flament, G.Franchini, Giorgio Fuschini, Pier Giorgio Fuschini, Francesco Goia, Daniele Guglielmino, David A. Johnston, L.Koch, Dominique Marchio, P.N.Melograno, Fabio Minchio, D.Mugnier, B.Nienborg, Marco Noro, Marco Perino, Luca A.Piterà,Valentina Serra,W.Sparber, Pascal Stabat, M.Theofilidi, A.Thuer, A.Troi, DiegoVergani, Fabio Zanghirella

Amministratore Delegato Marco Zani

Responsabilità

Tutto il materiale pubblicato dalla rivista (articoli e loro traduzioni, nonché immagini e il ustrazioni) non può essere riprodotto da terzi senza espressa autorizzazione dell’Editore. Manoscritti, testi, foto e altri materiali inviati alla redazione, anche se non pubblicati, non verranno restituiti.Tutti i marchi sono registrati.

Direzione, Redazione e Amministrazione 20123 Milano – Via Spadari, 3 – Italy Tel. +39 02 864105 – Fax +39 02 72016740 e-mail:redazione@aicarrjournal.org

INFORMATIVA AI SENSI DEL D.LEGS.196/2003.

© Quine srl - Milano

Art Director Marco Nigris

Pubblicità Quine Srl 20123 Milano – Via Spadari, 3 – Italy Tel. +39 02 864105 – Fax +39 02 72016740

Servizio abbonamenti Quine srl, 20123 Milano – Via Spadari, 3 – Italy Tel. +39 02 864105 – Fax +39 02 70057190 e-mail: abbonamenti@quine.it Gli abbonamenti decorrono dal primo fascicolo raggiungibile.

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Traffico, Abbonamenti, Diffusione Rosaria Maiocchi

Stampa AGF Italia - Peschiera Borromeo (MI)

Direttore responsabile ed editoriale Marco Zani Direttore scientifico Renato Lazzarin Comitato scientifico Agostino Albertazzi, Stefano P. Corgnati, Sergio Croce, Francesca Romana d’Ambrosio, Renato Lazzarin, Anna Magrini, Fabio Minchio, Marco Noro, Mara Portoso, Marco Zani Redazione Alessandro Giraudi, Silvia Martellosio, Cristina Zuccarini - redazione@aicarrjournal.org

Si rende noto che i dati in nostro possesso liberamente ottenuti per poter effettuare i servizi relativi a spedizioni, abbonamenti e similari, sono utilizzati secondo quanto previsto dal D.Legs.196/2003. Titolare del trattamento è Quine srl, via Spadari 3, 20122 Milano (info@quine.it). Si comunica inoltre che i dati personali sono contenuti presso la nostra sede in apposita banca dati di cui è responsabile Quine srl e cui è possibile rivolgersi per l’eventuale esercizio dei diritti previsti dal D.Legs 196/2003.

Associato Aderente In fase di certificazione secondo il regolamento CSST. Tiratura del presente numero: 10.000 copie


Novità

Novità Prodotti TEGOLA FOTOVOLTAICA Dalla partnership tra United Solar Ovonic LLC e Tegola Canadese nasce una nuova tegola fotovoltica che unisce alla funzione di protezione ed impermeabilizzazione della casa anche quella di produzione di energia elettrica rinnovabile fotovoltaica. Si chiama Tegosolar e se all’apparenza può sembrare una normale tegola per tetti canadesi, in realtà è composta da una cella fotovoltaica in silicio amorfo a film sottile a tripla giunzione. La tegola “energetica” contiene 11/12 celle FV connesse in serie e parallelo dalla capacità produttiva di 68/136 Watt complessivi. Le celle FV che la compongono sono prodotte con sistema roll to roll di deposizione sotto vuoto su una bobina continua di acciaio inox. Diversi i vantaggi dichiarati dalle due aziende produttrici: facilità di installazione (applicazione a chiodo o a fiamma), resistenza e durevolezza, alta resa energetica anche in condizioni di orientamento e inclinazione sfavorevoli, superiore (fino al 20%) rispetto ai moduli tradizionali.

MICROEOLICO DA PARETE Ripensare la turbina eolica e riprogettarla a misura dei tetti italiani. È quanto hanno fatto gli ingegneri della Enatek con la creazione della “Venturbina”, una turbina orizzontale che non ha bisogno di pali ma ruota lungo un asse longitudinale, con una dimensione modulare pari alla facciata esposta del palazzo. Secondo quanto riportato in un comunicato aziendale, la turbina di 20 metri produce circa 2 MWh all’anno. La possibilità di installare più unità in sequenza, permette di produrre significative potenze elettriche a basse velocità di vento. Infatti, la serialità elettrica porta ad avere potenze cumulative senza perdite di efficienza complessiva. Installabile su qualsiasi tetto grazie a dimensioni contenute (300 x 150 x 150 cm), la venturbina può fungere sia come elemento aggiuntivo d’arredo su strutture già esistenti, oppure come elemento di design all’interno di nuove strutture. Inoltre, grazie allo sfruttamento dell’effetto parete, le performance della turbina, a parità di vento, possono raggiungere picchi del 200% superiori a turbine con le medesime potenze nominali. La turbina viene fornita con un inverter e due generatori a magneti permanenti. Indicata per essere installata al top di una parete, dunque sui tetti di edifici residenziali, industriali e commerciali, non è consigliabile per siti che presentino una direzione del vento al di fuori di un arco di 60/65°.

POMPA DI CALORE PER ACQUA CALDA SANITARIA 60°C Le pompe di calore Compact di Sic utilizzano l’energia termica dell’aria per la produzione di ACS ad uso sanitario, processo che avviene con C.O.P medi > 3. È possibile però utilizzare fonti ausiliarie con scambiatori supplementari collegati a caldaie o pannelli solari. L’unità standard adotta una resistenza elettrica monofase da 1,5 kW, mentre il boiler, in acciaio al carbonio, possiede trattamento interno con vetrificazione a 2 mani Smalglass, flangia d’ispezione, anodo al magnesio, rivestimento esterno in PVC. Il prodotto è disponibile in tre configurazioni: standard (pompa di calore e resistenza elettrica come fonti di riscaldamento), con serpentino ausiliario (utilizzo in combinazione con caldaia o pannelli solari) e con doppio serpentino ausiliario (per utilizzare tre fonti energetiche). Il serbatoio (200 o 300 litri) è in acciaio con vetrificazione a doppio strato e anodo di magnesio anticorrosione. L’isolamento termico è invece realizzato grazie al poliuretano espanso, con rivestimento esterno in ABS rigido. Particolarità distintiva delle pompe è il condensatore, avvolto esternamente al boiler. La gestione elettronica consente, tra le varie funzioni, l’inserimento della resistenza elettrica per eseguire il ciclo termico anti legionella. Vari accessori infine consentono l’integrazione in sistemi di ventilazione meccanica controllata (VMC).

BITUBO SOLARE NANOTECNOLOGICO NanoSUN2 di Aktarus Group è un bi-tubo solare, con rivestimento nanotecnologico, in acciaio inox corrugato 316 L, Ø mm: 16 – 20 – 25 o rame trafilato senza saldature, predisposto per la connessione del serbatoio di accumulo dell’acqua calda al pannello solare. Ogni tubo è isolato con Aspens Aerogels di 5 mm, un materassino isolante (λ 0,014 W/mK avvolto da filo di nylon che lo rende compatto e adatto ad essere tagliato senza sfilacciamenti con normali attrezzi da cantiere. I due tubi abbinati sono ricoperti da una guaina di PVC telato TiO2 dello spessore di 1 mm che protegge l’isolamento dall’aggressione di agenti atmosferici, insetti, roditori e uccelli (antibeccheggio). La guaina accoglie il cavo sensore di temperature e, mediante due alette di giunzione, unisce i due tubi. NanoSUN2 consente l’installazione sotto traccia pavimento ed è, di conseguenza, resistente allo schiacciamento.

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tà Prodotti TRAVE FREDDA VAV La nuova trave fredda ad induzione Stella di Sagicofim abbina un design moderno con elevate prestazioni in fatto di modularità e flessibilità. Prevista per essere installata sospesa a vista, la trave fredda consente di modificare la portata d’aria immessa in funzione delle effettive esigenze dell’ambiente grazie ad un sofisticato sistema di regolazione. Il funzionamento può infatti essere gestito mediante un pannello di controllo che permette la regolazione della portata d’aria in base all’affollamento dell’ambiente servito. Nelle condizioni di progetto si utilizza la modalità Normal, mentre in caso di elevate densità, come avviene durante riunioni di gruppi di lavoro, viene impostata la funzione Boost. Viceversa quando il locale non è occupato si impiega la modalità Energy Saving che garantisce la portata minima. Il medesimo ambiente può quindi essere utilizzato per diverse situazioni di lavoro assicurando la flessibilità richiesta ai moderni edifici per uffici. Nel contempo è possibile ottenere un notevole risparmio energetico e un’elevata qualità dell’aria. La trave fredda è inoltre dotata del sistema FPC (Flow Pattern Control) che permette di modificare la direzione del lancio dell’aria immessa con angoli fino a 45 gradi utilizzando alette direzionabili: ciò consente di adattarsi facilmente ad eventuali modifiche delle postazioni di lavoro e ad interventi di ristrutturazione, senza la necessità di modificare l’impianto. Su richiesta la trave può essere fornita con un sistema di illuminazione diretta e indiretta in modo da trasformarla in un elemento multifunzionale.

ACS ISTANTANEA Rotex HPSU, pompa di calore aria/acqua e accumulatore di ACS installabile sia in nuove costruzioni che in edifici ristrutturati, lavora con un compressore modulante in grado di adattare il numero dei giri al reale fabbisogno termico. L’unità interna compact unisce in un solo apparecchio un accumulatore solare da 500 litri e tutti i sistemi tecnici correlati, come scambiatori di calore, pompa, valvole di commutazione, gruppi di sicurezza, Backup-Heater e regolazione elettronica. Base per l’accumulo è HybridCube, sistema capace di produrre ACS secondo il principio dello scaldacqua istantaneo. L’apparecchio è già attrezzato per il collegamento ai pannelli solari termici che possono integrare la produzione di ACS e di riscaldamento. Il sistema può però essere collegato anche con caldaie a gas o a gasolio, caldaie a pellets o caminetti.

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Intervista: Niccolò Aste

Più competenze

per integrare

Nonostante i generosi incentivi del conto energia l’integrazione architettonica dei sistemi solari in Italia è più visibile nei render che nella realtà. Scontiamo mancanze di competenze specifiche e un approccio non corretto all’integrazione. Ne abbiamo parlato con Niccolò Aste, che con l’Unità di Ricerca Energia e Ambiente Costruito del Dipartimento BEST del Politecnico di Milano si occupa da molti anni di energia solare ed edifici di Marco Zani

Modelli progettuali ed incentivi non mancano, eppure in Italia sono presenti pochi veri esempi di integrazione fotovoltaica. L’impianto fotovoltaico integrato è un’entità che può essere considerata sia come involucro dell’edificio, sia come impianto. Assume pregi, difetti e esigenze di entrambe le sfere di appartenenza. Così accade che il progettista dell’involucro lo consideri un “materiale”, mentre l’impiantista, colui che lo farà funzionare, è tenuto ai margini delle tecnologie dell’involucro. Il dialogo risulta quindi essere faticoso. Il nostro gruppo di lavoro (Unità di Ricerca Energia e Ambiente Costruito del Dipartimento BEST, Politecnico di Milano), essendo multidisciplinare e composto da ingegneri, fisici, architetti ha avuto un buon successo nell’integrare le molteplici professionalità coinvolte nell’architettura fotovoltaica.

Centro Ricerche Fiat (CRF) di Orbassano (TO), intervento di retrofit energetico per la realizzazione di una facciata ibrida fotovoltaico-termica. Il progetto è stato citato anche a livello europeo come uno dei più significativi utilizzi delle tecnologie fotovoltaiche. Progetto: Unità di Ricerca Energia e Ambiente Costruito del Dipartimento BEST, Politecnico di Milano

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Impianto installato al Politecnico di Milano e realizzato in collaborazione con il CESI (Centro Elettronico Sperimentale Italiano). È stato il progetto “pioniere” che ha aperto la strada al finanziamento pubblico del fotovoltaico. Progetto: Unità di Ricerca Energia e Ambiente Costruito del Dipartimento BEST, Politecnico di Milano

UNITÀ DI RICERCA ENERGIA E AMBIENTE COSTRUITO DEL DIPARTIMENTO BEST, POLITECNICO DI MILANO Il gruppo di lavoro del Politecnico di Milano svolge attività di ricerca, sviluppo e consulenza sui vari aspetti delle tematiche energetico-ambientali applicate ed applicabili a scala edilizia, urbana e territoriale, ed in particolare: t Sistemi impiantistici ad alta efficienza energetica t Pianificazione energetica e strategica del territorio; t Componenti edilizi per il risparmio energetico e lo sfruttamento delle fonti rinnovabili; t Metodologie di analisi delle prestazioni energetiche degli edifici; t Tecniche e tecnologie per edifici a basso consumo e/o emissioni zero; t Ottimizzazione del sistema edificio-impianto; t Metodi, strumenti e tecniche per la diagnosi e la certificazione energetica; t Sistemi per lo sfruttamento delle fonti di energia rinnovabili (sole, vento, biomassa, geotermia); t Valutazione degli impatti ambientali del settore edilizio, con particolare riferimento alle emissioni atmosferiche; t Programmazione delle azioni integrate di intervento per la valorizzazione energetica del patrimonio edilizio esistente; t Valutazioni di clima ed impatto acustico.

Integrazione significa collaborazione… In Italia si stenta a collaborare. Questo perché, ultimamente, l’architetto punta più a stupire, ossia tende a far prevalere la forma sulla funzionalità, che è una caratteristica fondamentale per la riuscita di una buona integrazione. Non ritiene che l’integrazione fotovoltaica, vista la possibilità di utilizzare diverse inclinazioni, possa liberare maggiormente la creatività del progettista? Liberare la creatività del progettista non vuol dire però agire senza tener conto di esigenze e vincoli specifici. Infatti è neces-


Fotovoltaico a Milano. La nuova sede della Regione Lombardia, la Torre Garibaldi e il World Join Center integrano dei moduli fotovoltaici in facciata. Sebbene la produzione sia penalizzata dall’angolo d’inclinazione non ottimale l’utilizzazione del fotovoltaico come materiale per l’architettura può essere vista con favore.

sente però che di per sé il modulo non ha bisogno di molta manutenzione. Infatti la posizione del modulo, il più delle volte, è inclinata e la pulitura viene garantita dalle precipitazione meteoriche. Il nostro gruppo, per verificare se una cattiva pulitura avesse potuto incidere notevolmente sulla produzione di energia, lo ha sperimentato sull’impianto del Politecnico di Milano. Risultato: abbiamo verificato che il cambiamento è davvero minimo, tanto che veniva riassorbito nella tolleranza delle condizioni meteoriche.

saria, prima di tutto, una buona E la committenza? Milano vanta tre esempi importanti di fotovolprogettazione che tenga conto Al giorno d’oggi, troppo spesso il committaico in facciata: il Grattacielo della Regione, la sia delle esigenze funzionali che tente guarda al fotovoltaico solo dal punto di vinuova Torre Garibaldi e il World Join Center. dei limiti e dei pregi delle tecnolosta del ritorno economico. È un investimento. Non ritiene che nel posizionamento verticale gie utilizzate. Dopodiché, si opera si penalizzi un po’ la resa dei pannelli? una sintesi e si realizza la soluzione Ritiene soddisfacenti le soluzioni tecnologiSì è così, un’installazione in facciata produce migliore. Un buon esempio di inche offerte dal mercato? circa il 50-60% di energia rispetto ad una in cotegrazione è l’ultimo progetto che In Italia la filosofia che regna è quella di vopertura. Però nel momento in cui il fotovoltaico Renzo Piano ha sviluppato a San ler entrare in mercati nuovi senza fare la fatica deve diventare materiale dell’architettura si può Francisco, la Calidi aggiornarsi. Il fotovoltaico piace all’arconsiderare con favore anche la realizzazione di fornia Academy of IL FOTOVOLTAICO VIENE chitetto perché simbolo dell’architettuuna facciata fotovoltaica. In qualche modo la facUTILIZZATO PIÙ PER STUPIRE Sciences. Attorno al CHE PER OTTENERE RISULTATI ra sostenibile, ma spesso viene utilizzato ciata di un edificio deve comunque essere fatta. CONCRETI IN TERMINI DI tetto verde dell’ediper caratterizzare qualcosa di originale e, Ricordiamo che anche se prodotta in minor perEFFICIENZA ENERGETICA ficio sono state podi conseguenza, più per stupire che per centuale è pur sempre energia pulita. sizionate delle superfici orizzontaottenere risultati concreti in termini di efficienza li che integrano celle fotovoltaiche energetica. In molti, forse troppi, casi si richiedoSi parla poco di integrazione di solare termico in laminati vetro-vetro in grado di no componenti su misura, specificamente proPer il nostro gruppo di lavoro tutte le tecnolocatturare la radiazione solare e tradotti per una data realizzazione. gie basate su fonti rinnovabili sono il pane sformarla in elettricità. Piano ha Invece i prodotti standardizzati IN LINEA GENERALE GLI ERRORI quotidiano. Il solare termico è sicuramenPIÙ FREQUENTI RIGUARDANO tenuto conto della funzionalità e esistono, ma si fa fatica ad arrivare te indicato per usi sanitari. Di solito 1 m IL NON CONSIDERARE IL non ha utilizzato le celle come maa volumi industriali che li rendano SURRISCALDAMENTO DEI MODULI E a persona è sufficiente per produrre ACS, GLI OMBREGGIAMENTI, CHE POSSONO teriale decorativo. Qui si parla ovpiù facilmente accessibili dal pun- PROVOCARE MALFUNZIONAMENTI quindi non stiamo parlando di superfici O NOTEVOLI INEFFICIENZE NELLA viamente di alti livelli, dato che in to di vista tecnico-economico. molto estese. Credo poco nell’integrazioCONFIGURAZIONE ELETTRICA quelli più comuni manca generalne al riscaldamento, almeno nell’Italia setmente una conoscenza specifica. Negli esempi di architettura fotovoltaica, ci siatentrionale. Inoltre è più complicato integrare panno degli aspetti perfettibili o errori progettuali? nelli solari termici piani perché più spessi. Esistono Ritiene quindi che ci sia una manBisognerebbe guardare caso per caso. Ma in però in commercio buoni sistemi, anche di tipo canza di competenze? linea generale gli errori più frequenti riguardano avanzato, come ad esempio i tubi sottovuoto, che Le carenze progettuali sono il non considerare il surriscaldamento dei modupossono essere utilizzati come elementi innovativi dovute alla scarsa diffusione di li, gli ombreggiamenti, che possono provocare all’interno del linguaggio architettonico. professionalità specialistiche che malfunzionamenti o notevoli inefficienze, ed erriescano a risolvere efficacemenrori nella configurazione elettrica. Tra questi ultiVuole aggiungere qualcosa? te la sfida dell’integrazione del fomi troviamo la costruzione di stringhe con troppi Più che altro un messaggio di speranza. Mi tovoltaico. Negli Stati moduli che, in periodi freddi, posembra di vedere che le nuove generazioni fanUniti sono nati appo- SPESSO SI RICHIEDONO COMPONENTI SU trebbero salire di tensione e danno fatica ad entrare nel mondo del lavoro, ma MISURA, SPECIFICAMENTE PRODOTTI PER siti studi di architettu- UNA DATA REALIZZAZIONE, SEBBENE LA neggiare l’inverter. Infine, sempre sono più agguerrite e disponibili a imparare vera fotovoltaica che ri- DIFFUSIONE DI SISTEMI STANDARDIZZATI tra gli sbagli più diffusi, troviamo ramente cose nuove. Devono avere delle carte CONSENTIREBBE DI ABBATTERE LE BARRIERE solvono il problema anche alcuni impianti squilibrain più da giocare, che possono essere acquisiTECNICHE ED ECONOMICHE in maniera sistemiti per la distribuzione te tramite la maturazione di competenze LE NUOVE GENERAZIONI ca: sia dal punto di vista dell’archidella potenza o la scelta di compoin materia di efficienza energetica. Per acFANNO FATICA AD ENTRARE tettura che da quello dell’impiannenti complementari inadeguati. NEL MONDO DEL LAVORO, quisire queste competenze, molti si prenMA SONO PIÙ AGGUERRITE dono la briga di seguire corsi di aggiornato e dell’integrazione tecnologica. E DISPONIBILI A IMPARARE Cercano di capire come coniugaLe pratiche di manutenzione, come VERAMENTE COSE NUOVE mento, stage e master che implementino re efficacemente le scelte formali ad esempio l’accessibilità per la pule loro conoscenze, cosa che i progettisti ed architettoniche con le esigenze litura dei moduli, sono tenute in consideraziogià affermati ormai non fanno più. I giovani sono tecnologiche, energetiche e funne durante la progettazione? dunque più propensi ad imparare. La maturazionali. Dipende dalla professionalità di chi opera, ma zione di una tecnologia non richiede proclami in linea di massima bisognerebbe tenere in conma risultati, ottenibili solamente con il conseguisiderazione anche questo aspetto. Teniamo premento di professionalità e competenze.

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Integrazione e rinnovabili

Pensare

l’integrazione Integrazione di sistemi attivi per lo sfruttamento delle energie rinnovabili nel progetto di architettura di Stefano Paolo Corgnati, Daniele Guglielmino *

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l’utilizzo di tecnologie impiantistiche attive per lo sfruttamento di fonti energetiche rinnovabili negli edifici ha subito nel nostro Paese un incremento sostanziale, sospinto dalle prime richieste di Legge, sia a livello nazionale che regionale, e promosso da alcune azioni incentivanti che hanno indotto committenti virtuosi e costruttori oculati ad investire in tale direzione. Per gran parte di queste tecnologie è sorta la questione della corretta integrazione all’interno del progetto di architettura, non solo con riferimento all’ottimizzazione del sistema energetico complessivo dell’oggetto edilizio, ma anche in termini formali, valutando il rapporto con l’immagine finale della costruzione e il grado di integrazione compositiva e visiva degli elementi che sfruttano la fonte energetica. EL CORSO DELL’ULTIMO DECENNIO

Integrazione, non giustapposizione Nel nostro Paese, la naturale successione delle fasi dalla progettazione alla cantierizzazione ha dimostrato come l’attenzione all’inserimento architettonico delle tecnologie solari, termiche, fotovoltaiche o eoliche sopraggiunge spesso in un momento avanzato di tali fasi, e spesso si concretizza attraverso una semplice giustapposizione sulla costruzione con il solo intento di individuarne la più efficace collocazione in termini di resa.

BAHRAIN WORLD TRADE CENTER È stato il primo grattacielo ad integrare la risorsa eolica. Le 3 turbine da 225 kW, sono posizionate ad una altezza di 60, 98 e 136 m. La produzione dichiarata è di 1200 MWh/a

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#2

Non è inconsueto pertanto scorgere, soprattutto all’interno di comuni extraurbani, esterni alle aree metropolitane, in cui i vincoli e le attenzioni delle pubbliche amministrazioni sono meno stringenti, la presenza di collettori solari appoggiati sopra un tetto a due falde ricoperto di tegole marsigliesi, o campi fotovoltaici, inclinati per conseguire la migliore esposizione, collocati su un tetto piano. Tali aspetti denotano l’assenza, in fase progettuale, di una riflessione equilibrata tra gli aspetti energetici e quelli architettonici relativi a come queste tecnologie possano conseguire una reale integrazione tra i componenti e le forme della costruzione. Al centro di tale questione si colloca il tema della progettazione integrata, nella quale i diversi attori, siano essi committenti, progettisti architettonici e impiantistici unitamente agli installatori, affrontano gli aspetti connessi all’integrazione formale già a partire dal kickoff del progetto per stabilire gli obbiettivi connessi progettuali e prestazionali (collocazione dei collettori e superfici occu-


INTEGRATION OF RENEWABLE ENERGY TECHNOLOGIES IN THE BUILT ENVIRONMENT

In Italy during the last decade the integration of renewable energy technologies has been taken into account by national and local rules, driven by the need to increase the green energy production and reduce greenhouse emissions, taking into account at the same time the visual impact of those systems. The matter concerning the integration between architecture and renewable energy technologies is spread around the word. In order to define a clear guideline, useful to architects and engineers, IEA (International Energy Agency) by means the Task 41 "Solar Energy and Architecture", is now working on this topic. The goal this Task is trying to achieve is to solve some key issues, as the meaning of architectural integration, the development tools useful to help designers at different stages of the project, the definition and presentation some existing sample cases, and finally the training plans for technicians. The aim of this paper is to point out the main issues related to integration of renewable energy technologies in Italy, focusing on the relationship between the national and local rules and the professional activity. Some case studies are presented and reviewed, concerning the architecture and the intent of the designer. Finally, a brief focus on the relationship between calculation tools and rendering tools is shown, taking into account potential solution such as BIM approach. Keywords: Renewable energy, innovative technologies, architectural integration.

pate, rendimenti e produzioni attese).

Un primo passo verso l’integrazione La questione dell’integrazione architettonica delle tecnologie per lo sfruttamento delle risorse rinnovabili, diffusa non solo entro i confini del nostro Paese, è presa in carico tra l’altro da IEA (International Energy Agency) Solar Heating

& Cooling Programme attraverso il Task 41 “Solar Energy and Architecture” che si propone di fornire, per quanto attiene alle tecnologie direttamente correlate con lo sfruttamento della risorsa solare, le indicazioni necessarie per la tutela della qualità formale dell’architettura, in presenza di adozione di tecnologie per lo sfruttamento di fonti rinnovabili. In particolare gli obbiettivi riguardano i tre ambiti riportati di seguito: t "OBMJTJEFMMBRVBMJUËGPSNBMFEFMMBSDIJUFUUVSB, tema che deve essere affrontato e risolto attraverso la definizione di criteri di integra-

zione architettonica ai fini di fornire ai soggetti produttori le informazioni necessarie per migliorare i prodotti esistenti e svilupparne di nuovi orientati in tale direzione. t 4WJMVQQP EJ TUSVNFOUJ VUJMJ QFS BGGSPOUBSF JMUFNBEFMMVTPEJUFDOPMPHJFBUUJWFper lo sfruttamento di fonti rinnovabili già dalle fasi preliminari del processo, quando il progetto non è ancora compiutamente sviluppato. Tali strumenti dovrebbero rivolgersi in due direzioni, la prima riguardante la concettualizzazione del sistema energetico proposto, rappresentato in modo comprensibile all’utente finale; la seconda, maggiormente orientata agli aspetti di calcolo e prestazione, in modo tale da definire l’incidenza della produzione energetica da fonti rinnovabili sul bilancio dell’edificio cui sono accoppiati già in fase di concept progettuale. t %FGJOJ[JPOFFQSFTFOUB[JPOFEJFTFNQJVUJMJ[[BCJMJ come casi di studio da proporre in quanto esemplificativi di una corretta integrazione formale e funzionale. Il Task in tal senso si propone anche di contribuire alla creazione di case studies reali costruiti ad hoc per consolida-

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CASTLE HOUSE  LONDON

In corso di ultimazione l’edificio commerciale – residenziale integra 3 aerogeneratori da 20 kW montati a 140 m di altezza. Il diametro del rotore è 9 m

SCENARI LEGISLATIVI 4JDPNJODJBEBMGPUPWPMUBJDP La questione dell’integrazione architettonica viene affrontata dalla legge italiana per la prima volta in modo significativo con riferimento alle tecnologie fotovoltaiche. Si tratta di un contenuto proposto all’interno del D. Lgs. 387/2003, il ben noto come “Conto Energia”. Tralasciando gli aspetti legati alla forma di incentivazione per l’uso degli impianti solari fotovoltaici già ampiamente trattati in letteratura [rif. Biblio] è importante sottolineare che il grado di incentivazione è legato a due variabili principali: 1. Il grado di integrazione architettonica e paesistica dell’impianto t impianto non integrato (es. impianto a terra) t impianto parzialmente integrato (es. impianto appoggiato su di una copertura) t impianto integrato (es. impianto realizzato in sostituzione di un componete edilizio, tamponamento di facciata, copertura); 2. La potenza di picco installata t da 1 a 3 kWp t da 3 a 20 kWp t oltre 20 kWp. Potenza P (kW) 1≤P≤3

Tipo di impianto Non integrato Parzialmente integrato Integrato 0,384

0,422

0,470

3 < P ≤ 20

0,365

0,403

0,442

P > 20

0,346

0,384

0,442

Tabella 1 – 5BSJGGFEJJODFOUJWB[JPOF, espresse in €/ kWh prodotto secondo i contenuti del decreto 19 febbraio 2007 aggiornati per il 2010

Appare evidente che la legge italiana non affronti compiutamente il tema dell’integrazione, se non ai fini di supportare la diffusione di una tecnologia, quella fotovoltaica, per la quale sussistono ottime prospettive nel nostro Paese attraverso delle forme di finanziamento. Per altre tecnologie, quali il solare termico, le indicazioni riconosciute in tema di integrazione architettonica pongono specifiche sintetiche, raramente aiutate da schemi grafici integrativi. A titolo esemplificativo si cita il DGR 4511967 della Regione Piemonte, che oltre ad una serie di indicazioni di carattere descrittivo allega alcuni schemi grafici. In modo particolare, al punto 3.5. Criteri di installazione e integrazione architettonica si legge quanto segue: Gli impianti solari devono conseguire il miglior livello di integrazione architettonica e possono essere installati sulle coperture dei fabbricati (a falde o piane) o su strutture apposite, come pergole e tettoie e sulle facciate degli edifici. Nel caso di edifici in condominio i collettori devono essere collocati su superfici di proprietà condominiali. Gli impianti devono, inoltre, essere accessibili per consentirne la corretta manutenzione. I collettori devono essere collocati in aree non ombreggiate e orientati verso il quadrante Sud. Sono ammessi orientamenti ad Est e ad Ovest solo se non esistono altre opzioni di orientamento dei collettori verso il quadrante Sud. Non sono ammessi orientamenti verso il quadrante Nord. Nel caso di installazioni su tetto a falda, non sono comunque ammesse installazioni di collettori solari con orientamenti e inclinazioni diversi dall’inclinazione e orientamento della falda. Nel caso di installazioni su tetto a falda non sono, inoltre, ammessi bollitori o altri componenti ad eccezione dei pannelli solari. Tali indicazioni sono seguite nel testo del Decreto da valori numerici connessi alle inclinazioni ottimali per la specificità della regione cui si riferiscono.

FRIBURGO  QUARTIERE VAUBAN Anno Proprietà Progettista Destinazione d’uso Tipologia di intervento Tecnologia FV Potenza installata

2003 privata Rolf Disch Residenziale + Commerciale Nuova costruzione e ristrutturazione Tipo vetro vetro integrato in copertura 3-10 kWp

Il quartiere di Am Schlierberg, all’interno del quartiere di Vauban (Friburgo, D) è caratterizzato da 50 case a aventi struttura di telai in legno, tamponature con un elevato standard di isolamento termico e chiusure trasparenti con bassissime trasmittanze. Le coperture di tali casette sono realizzate con due falde, delle quali la meglio esposta è interamente ricoperta di un sistema solare fotovoltaico. L’intenzione di creare un quartiere in grado tendere all’ “energia netta zero” ha richiesto uno studio delle tecnologie per lo sfruttamento di fonti energetiche rinnovabili. La natura dell’intervento si basava sulla ricerca di una totale integrazione formale e funzionale di tali soluzioni: il risultato può considerarsi raggiunto, osservando come il collettore fotovoltaico si sostituisca in toto ad un componente edilizio quale la falda di copertura e integrandosi in modo efficace nell’immagine complessiva degli insediamenti.

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Regole del pollice per una buona integrazione

re il parco di esempi esistenti. A monte della problematica connessa alla corretta integrazione di tali tecnologie si colloca la necessità di sensibilizzare l’utenza alla comprensione della reale fattibilità tecnico economica connessa all’installazione di questi sistemi e di formare correttamente i progettisti o meglio il team di progettisti (specialisti legati agli aspetti architettonici, impiantistici e strutturali). Proprio il tema della formazione dei soggetti coinvolti in tale processo rientra in uno degli ambiti di lavoro del Task 41.

In attesa che i lavori del Task41 di IEA/ SH&CP producano informazioni utili ad indirizzare i progettisti verso una reale integrazione, che in ogni caso includerebbe solo le tecnologie solari, si propongono una serie di considerazioni che possono essere di fatto utili per affrontare questa complessa tematica. Le principali ragioni che inducono a meglio integrare tali sistemi possono agevolmente raggrupparsi nei casi che seguono: t agevolare il rilascio di permessi da parte di soggetti pubblici e rendere più accettabile per l’opinione pubblica lo sfruttamento dell’energia da fonti rinnovabili; t ricercare una buona resa sfruttando gli ele-

La collocazione delle tecnologie dovrebbe richiamare simmetrie e ordini formali. Nella foto le microturbine sul progetto immobiliare Eltonia a New York

menti presenti o previsti nell’edificio; t agevolare il montaggio, che talvolta può basarsi su strutture o componenti comunque presenti nel progetto, contenendo i costi per l’installazione.

QUANDO LA LEGGE VIENE IN AIUTO La citata DGR 4511967 della Regione Piemonte include un allegato che propone soluzioni di integrazione di tecnologie basata su sistemi fotovoltaici e solari termici attraverso una tipizzazione delle potenziali collocazioni e fornendo gli output di uno studio di massima di carattere prestazionale. Tali schede, visibili in fig 1, 2, 3 e 4, da un punto di vista metodologico illustrano sia i benefici formali sia quelli tecnologici di ogni specifica scelta di integrazione, individuando: t la tipologia di inserimento e dunque di integrazione; t i requisiti; t le valutazioni di carattere prestazionale. Operativamente, con questa impostazione si offre al professionista un quadro di come approfondire l’integraSchema di integrazione proposto dalla Legge della Regione Piemonte 28 maggio 2007 n. 13 – 4JTUFNBTPMBSFUFSNJDP JOUFHSB[JPOFJOGBDDJBUB

zione sia da un punto di vista grafico che prestazionale. Producendo uno studio di questo genere che includa: t un render o un foto inserimento della tecnologia sull’edificio; t una descrizione delle principali ragioni che giustificano l’inserimento; t uno studio dell’orientamento e dell’inclinazione; t il calcolo della produttività della tecnologia; il professionista può agevolmente avanzare tale proposta ad un committente o ad un ente pubblico, affrontando in modo compiuto gli aspetti più significativi connessi all’uso di una certa tecnologia. Pertanto un’impostazione analoga a quella delle schede riportate nelle figure che seguono può considerarsi un riferimento . Schema di integrazione proposto dalla Legge della Regione Peimonte 28 maggio 2007 n. 13 – 4JTUFNBGPUPWPMUBJDP JOUFHSB[JPOFJOGBDDJBUB Sistemi Fotovoltaici

Pannelli Solari Termici Tipologia di inserimento

Parete esterna verticale

Tipologia di inserimento

I pannelli solari termici sono inseriti sulla parete esterna verticale dell’edificio.

Parete esterna verticale Il sistema fotovoltaico è inserito sulla parete esterna verticale dell’edificio.

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42

Figura 1

Figura 3 Sistemi Fotovoltaici

Pannelli Solari Termici Tipologia di inserimento

Parete esterna verticale e parapetti

REQUISITI Integrazione architettonica Un pannello solare termico può considerarsi integrato quando oltre alla sua funzione di produrre energia termica, diventa parte della parete esterna verticale dell’edificio o del parapetto.

Orientamento e inclinazione

VALUTAZIONI

Il sistema fotovoltaico può considerarsi integrato quando oltre alla sua funzione di produrre energia elettrica, diventa parte della parete esterna verticale dell’edificio o del parapetto.

Sovrapposizione alle superfici esistenti in modo complanare Sovrapposizione alle superfici esistenti in modo non complanare Nord

NA

Nord-Est

NA

Sud-Est

Nord-Ovest

L’area della superficie captante non deve essere ombreggiata da elementi esterni sia nel periodo invernale che in quello estivo.

Orientamento e inclinazione

Sud-Ovest Ovest

Ombreggiamento

NA

Sud

Est

Tipologia di inserimento

REQUISITI Integrazione architettonica

Sostituzione di materiali di rivestimento della parete o del parapetto

54

43

L’orientamento ottimale per la parete esterna verticale o i parapetti (inclinazione 90° rispetto al piano orizzontale) nel caso di carico costante nel corso dell’anno è sud-sud-est e sud-sud-ovest, con un decremento di circa il 10% nel caso di orientamento a est e ovest. Nel caso di utilizzo prevalentemente estivo o invernale sono maggiormente vantaggiosi rispettivamente gli orientamenti est o ovest e sud come si evince dal grafico.

Legenda ottimale buono sufficiente scarso NA non ammissibile

NA

Rapporto tra la irradiazione media mensile su superfici con vari orientamenti e inclinazione e quella su superficie inclinata di 35° esposta a sud (dati riferiti al comune di Torino)

L’orientamento ottimale per la parete verticale e i parapetti (inclinazione 90° rispetto al piano orizzontale) è sud/sud-est e sud/sud-ovest, con un decremento dell’energia captata di circa il 10% nel caso di orientamento a est e ovest.

Legenda ottimale buono sufficiente scarso NA non ammissibile

Parete esterna verticale e parapetti

VALUTAZIONI Sostituzione di materiali di rivestimento della parete o del parapetto Sostituzione di superfici trasparenti Sovrapposizione alle superfici esistenti in modo complanare Sovrapposizione alle superfici esistenti in modo non complanare Nord

NA

Sud

Nord-Est

NA

Sud-Ovest

Est

Ovest

Sud-Est

Nord-Ovest

95%

Ombreggiamento L’intera area della superficie captante non deve essere ombreggiata da elementi esterni sia nel periodo invernale che in quello estivo. L’ombreggiamento anche di un’area limitata del collettore fotovoltaico, può compromettere la prestazione globale dell’impianto.

90% 85% 80%

35°

75%

90°

70% 65% 60% 0

15

30

45

60

75

90

Orientamento della superficie captante (gradi 0°= sud 90°=est/o vest)

Limiti tecnologico-ambientali Per un utilizzo annuale l’applicazione dei pannelli solari termici su una superficie verticale (inclinazione di 90°) variamente orientata, a parità di condizioni, è meno favorevole dell’applicazione su una superficie inclinata di 35°- 40° ( Per orientamento sud su base annua si ha un decremento del 70% della radiazione captata ). Il sistema necessita di particolare attenzione alla manutenzione.

Vantaggi L’impiego su superfici verticali permette di non modificare la forma complessiva dell’edificio.

Figura 2

NA

Inclinazio ne della superficie captante rispetto al piano o rizzo ntale

100%

Rapporto tra l’irradiazione solare globale media annuale su una superficie verticale nei vari orientamenti e quella su superficie inclinata di 35° esposta a sud

Limiti tecnologico-ambientali Come si evince dal grafico, l’applicazione del collettore fotovoltaico su una superficie verticale (inclinazione di 90°) a parità di condizioni, è meno favorevole dell’applicazione su una superficie inclinata di 35°.

Vantaggi L’impiego in pareti a doppia pelle consente la ventilazione retro pannello, che nel caso di applicazione di moduli in silicio è indispensabile, inoltre permette di non modificare la forma dell’edificio.

Figura 4

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FRIBURGO  ELIOTROP Anno Proprietà Progettista Destinazione d’uso Tipologia di intervento Tecnologia FV Potenza installata Teconologia solare termico

2003 privata Rolf Disch Residenziale Nuova costruzione Policristallino – Tubi sottobuoto

Heliotrop è un’abitazione privata di forma cilindrica realizzata a Friburgo, basata sul principio dell’inseguimento solare: ruota su se stessa di 2 gradi ogni 10 minuti seguendo il percorso del sole in virtù di una colonna centrale in calcestruzzo posta su una piattaforma girevole e alla quale agganciano i telai della struttura rigorosamente in legno. Questo edificio presenta un sistema fotovoltaico volutamente non integrato, al fine di massimizzare la captazione solare. Per contro presenta un’interessante sistema di collettori solari a tubi sottovuoto per la produzione di acqua calda. Tali tubi sono utilizzati come parapetti per i balconi che circondano l’abitazione, definendo una gradevole ed efficace integrazione all’interno di un elemento necessario alla costruzione quale il parapetto medesimo cui si sostituiscono. Questo progetto si pone volontariamente con un tono provocatorio a dimostrare quanto possa essere perseguibile un’applicazione estrema di tecnologie solari. I tubi sottovuoto intergrati nell’architettura sotto forma di un parapetto che avvolge il cilindro che costituisce l’edificio costituiscono un’ottima forma di metabolizzazione di un sistema visivamente “ingombrante”. La falda fotovoltaica completamente indipendente dalla costruzione trova la sua ragione d’essere nell’attività rotatoria ad inseguimento solare che compie l’edificio: in tal modo si mantiene sempre un’inclinazione mediamente ottimale.

Regole formali Da un punto di vista formale, le attenzioni che si possono mantenere interessano fondamentalmente: t MB DPMMPDB[JPOF, che dovrebbe evitare emergenze e ove possibile essere integrata all’interno di componenti (strutturali o di tamponamento) dell’edificio, o richiamare simmetrie e ordini formali (minieolici in sequenza in copertura) t JMDPMPSF, elemento spesso caratterizzante dei sistemi solari, che può essere attenuato sfruttando elementi innovativi presenti sul mercato (Fotovoltaico vetro vetro o colorato o integrato su tegole di copertura) o scegliendo tecnologie che ne minimizzino la presenza rendendola meno impattante (solare termico a tubi sottovuoto) t JMEFUUBHMJPEFMMBQPTBJOPQFSB, che spesso può dare origine a elementi non prevedibili in fase di progetto, quali vistosi faldalini metallici spesso mal posati a rivestimento di collettori t MBOBMJTJ EFJ TJOHPMJ DPNQPOFOUJ F MB MPSP DPMMPDB[JPOF: questo aspetto riguarda sistemi quali i collettori solari termici per quanto attiene ai serbatoi di accumulo, che per alcune soluzioni possono essere posizionati in esterno, in prossimità della superficie captante, con un evidente impatto visivo.

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PEARL RIVER TOWER GUANGDONG

Una volta ultimato sarà ritenuto uno degli esempi più innovativi di progettazione, sia quella strutturale sia quella energetica. Includerà pannelli solari, DSF, attivazione termica della massa, ventilazione sottopavimento e un originale sistema di turbine eoliche integrate.

BOLZANO  EDIFICIO EX POSTE ITALIANE Anno Proprietà Progettista Destinazione d’uso Tipologia di intervento Tecnologia FV Potenza installata

2006 Provincia Autonoma di Bolzano Michael Tribus Terziario Ristrutturazione Modulo policristallino 26 kWp

L’ex edificio delle poste di Bolzano, ora sede degli uffici della Provincia autonoma di Bolzano (Dipartimento all’urbanistica, ambiente ed energia, natura e paesaggio) è frutto di un intervento di risanamento dell’edificio originario trasformato che ha portato la costruzione a conseguire la certificazione “CasaClima A”. Si tratta del primo edificio pubblico italiano passivo, con un consumo energetico corrispondente a circa un litro di gasolio (12 kWh/m anno). Tra gli accorgimenti utilizzati per questo edificio vi è un sistema di ventilazione controllata, un tetto verde praticabile e un sistema di monitoraggio dei sistemi energetici in costante funzione, con un display in grado di mostrarne le prestazioni istantaneamente. Sul fronte Sud, sfruttando un’ampia facciata verticale, viene applicato il sistema FV integrato così come facciata di un blocco edilizio. Il blocco rivestito di FV acquisisce una sua autonomia formale attraverso il contrasto cromatico basato sul colore blu intenso delle celle di silicio, rispetto al bianco uniforme del rivestimento a cappotto del resto dell’edificio. L’applicazione del sistema FV è eseguita in aderenza a superfici dell’edificio in modo da non snaturarne la forma e saturando la disponibilità spaziale in modo da evitare lo sgradevole effetto di elementi “appesi”.


SETTIMO TORINESE  CASA 100K € Anno Proprietà Progettista Destinazione d’uso Tipologia di intervento Tecnologia

in corso – MC A Mario Cuccinella Residenziale Nuova costruzione Sistema Eolico Sistema solare FV Sistema solare termico

Il progetto, in corso di realizzazione nel comune di Settimo Torinese, riguarda un insediamento residenziale ad elevate prestazioni energetiche. È prevista l’adozione di sistemi fotovoltaici, solari termici ed eolici, oltre all’installazione di convertitori energetici altamente performanti quali pompe di calore accoppiate a sonde geotermiche. L’uso della modellazione 3D a fini grafici per la produzione di immagini foto realistiche è evidentemente utile per valutare in via previsionale l’integrazione di tali tecnologie nel progetto. Le soluzioni tecnologiche ed impiantistiche, utili al raggiungimento di consumi energetici contenuti, sono a tutti gli effetti elementi costituenti del progetto, attraverso un’armonizzazione delle componenti sia alla scala urbana che della singola costruzione. Da questo trova origine la collocazione di sistemi eolici in modo da richiamare un certo ordine nel disegno degli spazi aperti, mentre nel disegno dell’edificio vengono inseriti collettori solari termici e fotovoltaici che diventano parti di elementi edilizi, attraverso uno studio di dettaglio utile a focalizzarne anche le prestazioni energetiche.

Una questione aperta: la rappresentazione dell’impatto visivo e delle forme di integrazione nel progetto Per ottenere una visione previsionale quanto più realistica possibile, assume particolare rilevanza la necessità di rendere graficamente l’integrazione architettonica dei sistemi che sfruttano fonti energetiche rinnovabili. Al momento la pratica più diffusa riguarda l’utilizzo di strumenti di modellazione e rendering 3D, sviluppati comunemente da soggetti che non curano la progettazione impiantistica, con il rischio, frequente, che ciò che viene rappresentato non sia esattamente ciò che viene concepito dai progettisti degli impianti. Un aiuto in tal senso viene dall’utilizzo della progettazione basata sul BIM (Building Information Modelling) che si prefigge di integrare flussi di informazioni all’interno dei progetti, provenienti da tutti i soggetti/ specialisti coinvolti, in modo tale da consentire un completo interscambio di dati e un constante aggiornamento delle evoluzioni che i progetti stessi subiscono. Gli strumenti basati sul BIM contemplano la possibilità di interfacciarsi come modelli di calcolo esterni, in grado poi di sviluppare le valutazioni connesse alla prestazione dei sistemi energetici. Occorre infatti ricordare che gli strumenti in uso dai soggetti coinvolti nel gruppo di progettazione per la parte impiantistica e che si occupano di sviluppare i calcoli, non contemplano la possibilità di un output grafico particolarmente rappresentativo dell’immagine finale della tecnologia sull’edificio. La frontiera in materia di modellazione globale dell’edificio è costituita dal tentativo di associare strumenti software consolidati, utili alla rappresentazione grafica del progetto, con moduli costituiti da codici di calcolo dettagliati che sulla base di tali rappresentazioni possano non solo limitarsi ad essere “contenitori” di informazioni, ma anche mezzi utili al calcolo. * Politecnico di Torino

THE LIGHTHOUSE  DUBAI

Bibliografia

Momentaneamente rallentato dalla crisi immobiliare il progetto del Lighthouse punta, con i sui 400 m di altezza, a divenire l’esempio più alto di integrazione di sistemi a fonte rinnovabile. Tre turbine eoliche da 225 kW, 4000 m di pannelli PV e giardini verticali per la socializzazione

t SCHLUETER A., THESSELING F., Building information model based energy/exergy performance assessment in early design stages, Automation in Construction, Volume 18, Issue 2, March 2009, Pages 153-163; t MORBITZER C A, Towards the Integration of Simulation into the Building Design Process, PhD Thesis, Glasgow: University of Strathclyde 2003 t CECCHERINI NELLI L., D’AUDINO E., TROMBADORE A., Schermature solari, Alinea Editrice, Perugia, 2009; t Decreto legislativo 29 dicembre 2003, n. 387, Attuazione della direttiva 2001/77/CE, relativa alla promozione dell’energia elettrica prodotta da fonti energetiche rinnovabili nel mercato interno dell’elettricità; t Decreto del Ministero dell’economia e delle finanze 19 febbraio 2007 Disposizioni in materia di detrazioni per le spese di riqualificazione energetica del patrimonio edilizio esistente, ai sensi dell’articolo 1, comma 349, della legge 27 dicembre 2006, n. 296 t Circolare dell’Agenzia delle Entrate n. 46/E, art. 7, comma 2, del D.Lgs. 387/2003, Disciplina fiscale degli incentivi per gli impianti fotovoltaici. t Delibera AEEG n. 90/2007 t Deliberazione della Giunta Regionale 4 agosto 2009, n. 45-11967 Legge regionale 28 maggio 2007, n. 13 “Disposizioni in materia di rendimento energetico nell’edilizia”. Disposizioni attuative in materia di impianti solari termici, impianti da fonti rinnovabili e serre solari ai sensi dell’articolo 21, comma 1, lettere g) e p)

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Fondazioni fredde

Dimensionare i pali ENERGETICI

Per verificare la sovrapposizione degli effetti dei carichi statici e delle tensioni create dalle diverse temperature del terreno nell’arco dell’anno è bene unire allo studio termotecnico quello geotecnico

L

per il trasferimento di energia termica tra terreno ed edificio mediante l’utilizzo della pompa di calore, ha concentrato l’interesse sulle cosiddette “fonda-

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O STUDIO DEI SISTEMI DI GEOSCAMBIO,

#2

di Michele De Carli*, Mirco Donà*, Diego Vergani**

zioni fredde”, quali pali di fondazioni, muri di sostegno, paratie, gallerie, fognature ecc. Per pali energetici s’intendono i pali di fondazione all’interno dei quali vengono inserite delle tubazioni per la

trasmissione di energia termica col terreno. Presentano pertanto un doppio ruolo, prima di tutto strutturale e in secondo luogo termico.


INFISSIONE DEI PALI

DESIGNING ENERGY PILES Study of geothermal heat pump systems, for transferring heat between land and building through the use of heat pump, has focused interest on so-called "cold foundations, such as pilings, retaining walls, bulkheads, tunnels , sewers, etc.. This paper will deal with energy piles, foundation piles which are placed inside the pipes for the transmission of the ground, so they have a dual role, first and second structural heat. Describes and summarizes the study methodology for the design of energy piles on the basis of geotechnical studies (to check the bearing capacity of the foundation, to ensure their static stability of the building, and reduce sagging of the same within the permissible limits defined by regulations) and the study thermotechnic (important to define the transfer of heat from the building site, during both heating and cooling phase). The two issues must be addressed at the same time, to verify the overlap of the effects of static loads and tensions created by the different temperatures throughout the year in the ground. Keywords: Energy piles, Foundation, Geothermal, Heat pump systems.

I pali vengono inseriti nel terreno mediante un certo numero di tecniche: 1. Infissione statica, ottenuta con una successione di colpi assestati sulla testa del palo impiegando un battipalo. Questa tecnica risulta molto rumorosa e inoltre produce vibrazioni localizzate che, a prescindere da possibili danni prodotti alle proprietà vicine, possono non essere consentite da normative locali o dagli enti preposti alla difesa dell’ambiente. 2. Infissione mediante apparecchiatura vibrante fissata all’estremità superiore del palo. Questa tecnica risulta di solito relativamente silenziosa e le vibrazioni necessarie all’infissione possono essere limitate. Il metodo è consigliabile in depositi di terreno scarsamente coesivo. 3. Infissione a contrasto mediante martinetto. Questa tecnica funziona meglio per pali corti e piuttosto rigidi. 4. Realizzazione di un foro e successivo inserimento del palo, oppure riempimento della cavità con calcestruzzo che, una volta fatta presa, viene a costituire un palo. Esistono diversi metodi per realizzare questa tecnica.

MAIN TOWER DI FRANCOFORTE La Main Tower di Francoforte è sostenuta da 111 pali energetici della lunghezzaFrankfurt di 30 mt, con diametro di 1,5 mt, abbinati a 101 pali di fonMainTower am Main dazione, dal diametro di 0,9 mt. Per ogni palo energetico, un tubo sviluppa 8 loop ad una distanza di 29,40 cm. La potenza per mt lineare of the piles on the ground plan (deltaConfiguration T = 5K) è di 121,18 W. Il rapporto m/m è 9,3 Energy pile

MainTower Frankfurt am Main

configuration of heat exchanger pipes floor slab to the energy station

energy pile head collector

101 piles with heat exchange pipes

112 energy piles with heat exchange pipes

electro fusion coupler heat exchanger pipes

piles without heat exchange pipes

Palificazione del sito © HakaGerodur GeoDrilling 2008

Configurazione del palo energetico

GeoDrilling 2008

© HakaGerodur

Funzione portante dei pali I pali sono membrature strutturali in legno, calcestruzzo o acciaio, utilizzati per trasmettere i carichi di superficie agli strati più profondi del terreno, resistendo ad azioni di sollevamento o ribaltamento, e compattando i depositi di terreno sciolto o incoerente attraverso l’addensamento dovuto alla penetrazione del palo e alle vibrazioni prodotte dall’infissione. La trasmissione del carico può essere realizzata secondo due meccanismi: per distribuzione verticale lungo il fusto del palo o per trasmissione diretta a uno strato

ANCHE I MURI DI CONTENIMENTO DIVENTANO ENERGETICI Ha preso avvio nel febbraio 2010 la realizzazione dell’impianto geotermico del Knightsbridge Palace Hotel a Londra. La particolarità del progetto di Geothermal International sta nel sistema di sonde geotermiche verticali inserite sia nei 50 pali di fondazione dell’edificio sia all’interno dei suoi 150 m di muri di contenimento in cemento armato (EnergyD walls). Questi scambiatori a terreno, abbinati a pompa di calore, dovrebbero coprire il fabbisogno di 150 kW, per riscaldamento e per raffreddamento dei circa 18.300 m di hotel distribuiti su 10 piani

#2

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Principe of energy piles Principe of energy piles

Energy pile

Energy pile system Energy Energy pile system system Energy pile system Energy Energy Energy pile pile pile system system system pile system Energy Energy pile system system Energypile pilesystem system Energy Energy pile pile system

Energy pile

inlet pipes

Energy pile system Energy Energy Energypile pile pile system system system pile system Energy pile system Energy pile system

Energy supply supply e.g.Energy heat pump

Heating Heating Heating Heating Cooling Cooling

Cooling Cooling

Collector Collector

forpipes the liquid inlet carrier forheat the liquid heat carrier

return pipes

the liquid returnfor pipes carrier for theheat liquid heat carrier

Collector Collector

Utilizzo del palo energetico

Temperatura del fluido nel palo

Potenza ottenibile dal terreno per metro lineare di palo

Riscaldamento con pompa di calore

+2/+15°C

40/70 W/m

Raffrescamento con chiller

+25/+35°C

50/85 W/m

Freecooling

+10/+16°C

20/35 W/m

e.g. heat pump

bore pile

bore pile

reinforcing reinforcing cage cage

heat exchanger heat exchanger fixed fixedat atcage cage

fixed fixedatatcage cage

© HakaGerodur

Energy piles

Tabella 1. Valori tipici di temperature e le potenze specifiche ottenibili con pali energetici

Energy piles

Figura 1. Esempio di edificio su pali energetici GeoDrilling 2008 Lay-out impiantistico nel caso di pali energetici; si può notare l’importante sviluppo della GeoDrilling 2008 parte di raccordo orizzontale tra la centrale termica e i pali di fondazione.

profondo attraverso la sua estremità, detta punta; in questo caso i pali si dicono portanti di punta. La distinzione dei pali in base al meccanismo resistente è puramente convenzionale. Tutti funzionano come combinazione di resistenza laterale e capacità portante di punta, eccetto il caso in cui il palo penetri attraverso uno strato estremamente soffice fino a incontrare un sottostrato solido. Valutata la realizzazione di una fondazione su pali, è necessario calcolare la sezione trasversale e la lunghezza del palo basandosi sul carico trasmesso dalla struttura sovrastante, sullo sforzo

ammissibile nel materiale di cui è fatto il palo (di solito si tratta di un valore stabilito da normativa) e sulle proprietà del terreno. Per determinare se risultano progettati in modo adeguato e correttamente disposti in situ si adottano formule dinamiche o prove di carico. È opinione generale che queste ultime costituiscano il sistema più affidabile per determinare l’effettiva capacità portante.

Funzione termica dei pali Assicurata la stabilità statica dell’edificio e rispettati i cedimenti limite, si può ipotizzare l’uso

dei pali anche come risorsa termica, inserendo all’interno della gabbia metallica, in fase d’opera, delle tubazioni a U regolarmente spaziate lungo la circonferenza. Tutti i tipi di pali esistenti, ad eccezione di quelli in legno, possono essere dotati di tubi e funzionare anche come sonde geotermiche, purché adeguatamente distanziati tra di loro. In tal caso, il palo viene progettato in modo da collocare i tubi in prossimità del diametro

TIPOLOGIE DI PALI ENERGETICI Quando vengono utilizzati ai fini energetici i pali possono essere in conglomerato cementizio armato (c.c.a.) e conglomerato cementizio armato precompresso (c.a.p.). Inoltre i pali possono essere: prefabbricati o gettati in opera. Pali prefabbricati I pali di questo tipo vengono prodotti nella lunghezza desiderata in un cantiere specializzato, quindi spediti nel sito per l’infissione; possono essere in c.c.a (Figura 2) e in c.a.p. (Figura 3): Nel caso si vogliano utilizzare pali prefabbricati ai fini energetici è consigliabile l’uso di pali a sezione cava, in quanto le sonde possono essere inserite all’interno della cavità: questa viene poi riempita di ghiaia satura per dare continuità e aumentare lo scambio termico, come mostrato in Figura 4. In tal caso bisogna prestare attenzione alla temperatura di mandata del fluido termovettore per evitare formazione di ghiaccio.

Pali gettati in opera Un palo gettato in opera prevede la realizzazione di un foro nel terreno, che viene successivamente riempito di calcestruzzo. Il foro può essere ottenuto per semplice trivellazione o infiggendo una camicia nel terreno. La camicia può essere infissa con un mandrino; con l’estrazione del mandrino si ottiene un foro rivestito vuoto. È anche possibile infiggere il rivestimento dotando l’estremità di una punta d’infissione: ciò rende subito disponibile una cassaforma pronta da riempire di calcestruzzo. In alternativa, la camicia può essere infissa con l’estremità aperta: il terreno che rimane all’interno viene estratto “a getto” in un secondo tempo, a infissione completata. In Figura 5 si riportano le diverse tipologie di palificazione. Nei pali gettati in opera si inserisce all’interno del foro la gabbia metallica, a cui vengono agganciati i tubi di plastica. Successivamente si getta il calcestruzzo all’interno del foro.

Figura 2. Palo prefabbricato in calcestruzzo armato ordinario (Bowles J. E. 1991)

Figura 4. Foto con palo cavo infisso nel terreno e inserimento delle tubazioni

Figura 3. Palo prefabbricato in calcestruzzo armato precompresso (Bowles J. E. 1991)

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#2

Figura 5. Tipologia di palificazioni gettati in opera (Bowles J. E. 1991)


esterno, ottimizzando lo scambio di calore tra il terreno e il fluido termovettore (acqua o miscela di acqua e anticongelante). I tubi al cui interno scorre il fluido termovettore sono in polietilene oppure in polietilene reticolato, inseriti, in genere, a U in senso longitudinale allâ&#x20AC;&#x2122;interno della gabbia dellâ&#x20AC;&#x2122;armatura. Valori indicativi della potenza termica ottenibile dai pali energetici sono riportati in Tabella 1. Per motivi di stabilitĂ , le sonde vengono annegate nel calcestruzzo che, generalmente, presenta le seguenti proprietĂ  termiche: t conduttivitĂ  termica Îť = 1,8 W/(mK) t capacitĂ  termica volumetrica C = 2,02 MJ/(mď&#x2122;¤K)

Differenza tra pali energetici e sonde verticali La progettazione di questo sistema risulta piĂš complessa di un sistema classico a sonde verticali. Occorre un dimensionamento in grado di evitare che le sollecitazioni termiche provochino un deterioramento eccessivo delle proprietĂ  meccaniche. In altri termini,

i pali devono conservare la capacitĂ  di sopportare i carichi soprastanti. In particolare deve essere scongiurato il congelamento del fluido circolante, la cui temperatura non deve scendere al di sotto di 0°C. Studi recenti (Laloui et al. 1999) hanno dimostrato che un palo energetico è soggetto a deformazioni superiori rispetto a un palo di fondazione normale e che un aumento di temperatura di soli 15°C può generare sforzi non trascurabili. Rispetto ad una soluzione con sonde verticali, in questo caso il sistema geotermico deve adattarsi alle esigenze di costruzione. Per la loro funzione di sostegno, la profonditĂ  e il materiale di cui sono costituti i pali sono definiti in base alle caratteristiche del terreno. Altro aspetto importante nel dimensionamento è lâ&#x20AC;&#x2122;influenza termica dellâ&#x20AC;&#x2122;edificio stesso sul terreno sottostante, qualora la profonditĂ  del palo nel terreno sia limitata.

per le costruzioni vicine, che potrebbero anche venirne danneggiate. Nella progettazione dei pali energetici è fondamentale dapprima effettuare uno studio geotecnico-strutturale, quindi analizzare il problema dal punto di vista termotecnico, infine lâ&#x20AC;&#x2122;interferenza termico-strutturale. Analisi geotecnica Lo studio geotecnico prevede innanzitutto lâ&#x20AC;&#x2122;analisi stratigrafica con prove penetrometriche, per la determinazione dei parametri geotecnici. Successivamente si effettua un predimensionamento del palo, in base ai carichi e ai parametri geotecnici del terreno. Quindi, una volta verificata in modo dettagliato la stratigrafia del sito stesso, si può determinare la capacitĂ  portante della fondazione per poi verificarla con i carichi statici imposti al palo; lo studio della capacitĂ  portante è empirico e vengono usate principalmente formule statiche. Ai fini del calcolo, il carico limite di un palo Qlim viene convenzionalmente suddiviso in due contributi, la resistenza alla punta P e la resistenza laterale S (Figura 7). Nel caso di pali battuti si possono usare analoghe formule dinamiche.

Progettazione dei pali energetici La scelta, per un palo di fondazione, tra prefabbricato e gettato in opera dipende dalle dimensioni degli stessi. Se, in fase di predimensionamento e a paritĂ  di sollecitazioni, il palo da utilizzare presenta dimensioni di diametro inferiori a 1 m e lunghezza pari a circa 12 m, può essere usato un palo prefabbricato che viene infisso nel terreno. Se le dimensioni sono superiori, si preferisce la scelta del palo gettato in opera, a causa delle maggiori difficoltĂ  di trasporto del palo prefabbricato. Inoltre, lâ&#x20AC;&#x2122;infissione per battitura provocherebbe vibrazioni non accettabili

dove si indica: p â&#x20AC;&#x201C; la resistenza unitaria alla punta, s â&#x20AC;&#x201C; la resistenza allo scorrimento allâ&#x20AC;&#x2122;interfaccia laterale paloâ&#x20AC;&#x201C;terreno d â&#x20AC;&#x201C; il diametro L â&#x20AC;&#x201C; la lunghezza del palo.

Tower IG Metall (Mainforum), Frankfurt am Main cross section of the floor slap "$(%++  





















 

  

 

 

  



 

 



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energy piles

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GeoDrilling 2008

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Per la Torre IG Metall (Mainforum) sono previsti, in abbinamento ai pali energetici, scambiatori inseriti in alcune zone della piastra di fondazione. Per ogni palo energetico è previsto un tubo che sviluppa 6 loop ad una distanza di 29,20 cm. La potenza per mt lineare (delta T = 5K) è di 97,27 W. Il rapporto m/mď&#x2122;¤ è 10,6



 

   

TOWER IG METALL

 

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Sezione della piastra di fondazione con evidenziate le aree di scambio e i pali energetici Š HakaGerodur GeoDrilling 2008

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b

Installazione di un palo energetico Diverse fasi realizzative di un palo energetico con getto in opera: installazione delle tubazioni (a), predisposizione della gabbia (b), inserimento della gabbia nel foro (c)

a

Q

A questo punto si può procedere alla verifica dei cedimenti del palo. Il punto di partenza per lâ&#x20AC;&#x2122;analisi del comportamento di una palificata è lo studio del palo singolo o isolato, cioè la previsione della relazione fra carichi applicati alla sommitĂ  del palo e cedimenti che ne conseguono. Tale previsione può essere condotta con metodologie assai varie, che spaziano dal mero empirismo ad analisi numeriche condotte su modelli piĂš o meno raffinati, da procedure semi empiriche, come il metodo delle curve di trasferimento, a trattazioni analitiche approssimate.

z

d

Schema del bilancio energetico di un palo energetico

L

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Figura 8. Q q C l tubo L tubo n tubo Îą

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Flusso termico [W] DensitĂ  di flusso termico [W/mď&#x2122;Ł] Circonferenza [m] Lunghezza del palo [m] Lunghezza delle sonde [m] Numero delle sonde Coefficiente convettivo [W/(mď&#x2122;Ł K)]

Capacità specifica del calore [Ws/(kg K)] Portata massica [kg/s] Temperature [°C] Potenza elettrica della pompa [W] Fattore di efficienza della pompa COP della pompa di calore

Figura 7. Sistema statico di forze in un palo Contributo della resistenza alla punta P e della resistenza laterale L

TORRE GALILEO Sono di profonditĂ  differenti i pali energetici della Torre Galileo a Francoforte. Nellâ&#x20AC;&#x2122;area centrale, sottostante alla torre, i 23 pali hanno lunghezza 30 mt. In quella periferica 26 mt. Il diametro è di 1,5 mt. Come per la Main Tower, per ogni palo energetico, un tubo sviluppa 8 loop ad una distanza di 29,40 cm. La potenza per mt lineare (delta T = 5K) è di 121,18 W. Il rapporto m/mď&#x2122;¤ è 9,3

Tower Gallileo Frankfurt am Main 

Tower Gallileo Frankfurt am Main 6!()0$ 

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Configurazione del palo energetico Š HakaGerodur GeoDrilling 2008

  

Palificazione del sito Š HakaGerodur GeoDrilling 2008

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#2


Caso di solo carico applicato in testa al palo

Analisi termotecnica L’analisi energetica è del tutto analoga a quella di sonde geotermiche convenzionali, ma con particolare attenzione all’interazione tra il terreno e i carichi termici dell’edificio per il tramite la pompa di calore. Occorre verificare in modo attento le temperature minime e massime del fluido termovettore in mandata ai pali energetici durante tutto l’arco dell’anno. Nella Figura 8 è rappresentato uno schema del bilancio energetico da considerare. Dimensionamento strutturale del palo energetico Il palo energetico deve essere dimensionato valutando non solo i carichi strutturali, ma anche l’analisi termica e studiando la combinazione delle due sollecitazioni imposte al palo. Si possono in tal modo riscontrare i casi resi nelle Figure 9-13.

Figura 9. Il palo sollecitato a solo carico è in compressione; spostandosi all’interno del terreno, la resistenza che si oppone al carico avviene nell’interfaccia palo/ terreno. In questo modello semplificato la resistenza laterale mobilizzata è costante, pertanto il risultato tra deformazioni e carico si riduce linearmente con la profondità. (Bourne – Webb P. J. et al. 2009)

Caso di solo ciclo di raffreddamento

Caso di ciclo di riscaldamento e carico di compressione

Figura 10. Quando al palo è applicato un ciclo di raffreddamento, nel caso in cui entrambe le estremità siano libere di muoversi, questo si contrae, con sviluppo di una sollecitazione di trazione. All’aumentare del raffreddamento cresce la sollecitazione a trazione, finché le deformazioni raggiungono il limite di rottura del palo stesso. (Bourne – Webb P. J. et al. 2009)

Figura 11. Quando è applicato un ciclo di riscaldamento al palo, questo si espande, sviluppando una tensione di compressione nel palo stesso. Anche in questo caso un aumento dello stress termico può portare al limite di rottura del palo stesso. (Bourne – Webb P. J. et al. 2009)

Caso di ciclo di raffreddamento e carico di compressione

Caso di ciclo di riscaldamento e carico di compressione

Figura 12. Quando a un carico di compressione applicato alla testa del palo viene associata una variazione di temperatura in raffreddamento si ottiene l’effetto combinato dei casi sopraccitati. (Bourne – Webb P. J. et al. 2009)

Figura 13. Quando a un carico di compressione applicato alla testa del palo viene associata una variazione di temperatura in in riscaldamento si ottiene l’effetto combinato dei casi sopraccitati. (Bourne – Webb P. J. et al. 2009)

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Figura 14. Andamento delle temperature in prossimitĂ  di un palo energetico in situazione di riscaldamento del terreno

Interferenza termico strutturale Lâ&#x20AC;&#x2122;analisi combinata energetico-tensionale può essere risolta con strumenti dettagliati. A titolo di esempio si riportano i risultati di un modello agli elementi finiti (COMSOL Multiphysics: Heat Transfer Module Userâ&#x20AC;&#x2122;s Guide, Version: September 2008, COMSOL 3.5), che permette di valutare tutto il complesso tensionale, deformativo ed energetico del palo caricato (1200 kN) e collocato allâ&#x20AC;&#x2122;interno del terreno, sia in condizioni di riscaldamento (32°C in Figura 14) sia in condizioni di raffrescamento (0°C in Figura 15).

Conclusioni e raccomandazioni da adottare I pali energetici costituiscono unâ&#x20AC;&#x2122;interessante applicazione, dal momento che il costo del-

Figura 15. Andamento delle temperature in prossimitĂ  di un palo energetico in situazione di raffrescamento del terreno

PROGETTAZIONE DELLE ARMATURE DEL PALO In base a quanto prescritto nellâ&#x20AC;&#x2122;Eurocodice 2, per lâ&#x20AC;&#x2122;armatura longitudinale il diametro delle barre non deve essere inferiore a 12 mm, mentre le barre longitudinali devono essere distribuite lungo il perimetro in numero minimo pari agli spigoli della sezione trasversale; nel caso di sezione circolare il numero minimo delle barre è pari a 6. Per le armature trasversali il diametro (sia per staffe che per spirali) non deve essere inferiore a 6 mm, mentre la distanza fra le armature trasversali non deve superare il piĂš piccolo fra i seguenti valori: 12 volte il diametro della barra dellâ&#x20AC;&#x2122;armatura, il diametro della sezione trasversale del palo, e comunque non superiore a 30 cm.

le perforazioni è già previsto dal punto di vista strutturale. Come visto, è importante effettuare uno studio combinato energetico e tensionale, al fine di valutare le reali condizioni di carico del palo in condizioni diverse da quelle di temperatura del terreno indisturbato. Sarebbe inoltre auspicabile pianificare un impianto con pali energetici già durante la fase di progettazione di un edificio; a tal fine è fondamentale la conoscenza geologica, idrogeologica, geotecnica e termica del terreno interessato,

oltre ai carichi termici dellâ&#x20AC;&#x2122;edificio. Dato il notevole sviluppo orizzontale dei tubi dalla centrale termica ai pali di fondazione, bisogna valutare attentamente se isolare o meno la base dellâ&#x20AC;&#x2122;edificio. Una ricarica termica del terreno è indispensabile se non esiste un flusso di acqua sotterranea. Essa può essere realizzata in maniera vantaggiosa tramite una pro-

      



  

     

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duzione di freddo in estate. La temperatura che circola nei pali non deve scendere mai al di sotto di 0°C e non deve mai superare 35°C. In ogni caso, la variazione di temperatura del fluido deve essere compatibile con il dimensionamento statico dei pali. Ciò che deve essere assolutamente evitato è il congelamento del suolo a contatto con il palo, in quanto, in questo caso, si avrebbe una sensibile alterazione della capacità portante del terreno con conseguente pericolo di dissesto delle strutture sovrastanti. In generale si può dire che è possibile operare a -1°C e a +30°C per alcune ore ed occasionalmente per un certo numero di giorni, ma non per settimane. * Dipartimento di Fisica Tecnica – DFT, Università di Padova, Via Venezia 1 – 35131 PADOVA ** Geothermal International Italia, Viale C. Colombo 8 – 20090 Trezzano (MI)

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Progettazione integrata Pianificare i pali energetici già in fase di porgetto preliminare Isolamento Per il notevole sviluppo orizzontale dei tubi valutare se isolare la base dell’edificio Ricarica termica Valutare la produzione di freddo in estate per ricaricare il terreno Rischio congelamento Va evitato il congelamento del suolo a contatto con il palo per non alterare la capacità portante del terreno Numbers of Abstract/Session (given by NOC)

Heating forward return 30°C Heat pump / cooling machine

CASE STUDY AEROPORTO DI ZURIGO

T

P3s

-3-

Temperature sensor T

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Q

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Return cooling 21°C

V1 T

P6 P8 Per motivi legati alla tipologia del terreno l’aeroporto di Zurigo a Dock P3w P1 P2 Midifield è stato costruito su pali di fondazione del diametro da 1 a 1,5 T T T V2 m e che raggiungono una profondità di ca. 30 m. Il suolo, che a cauV3 T T sa dell’elevata permeabilità è saturo d acqua, è utilizzato per lo stocT T T caggio stagionale di calore. A tale scopo 315 pali sono muniti di tubi D D 40°C T T attraversati da un vettore energetico che nei periodi caldi scarica nel Q V7 Q P5 P7 V6 V5 T D terreno il calore proveniente dalle installazioni tecniche dell'edificio, P4 V4 Q mentre in quelli più freddi lo recupera. In estate l’energia per il rafWT-W: heat exchanger – winter (small power transfer) WT-S: heat exchanger – summer (large power transfer) 14°C freddamento fornita dai pali è di 470 MWh e soltanto 90 MWh devono WT-F: heat exchanger – district heating Forward cooling T essere coperti da un impianto di climatizzazione, mentre in inverno il Schema dell’impianto di points Zurigo con Figure 2: System dell’aeroporto layout and measurement fabbisogno energetico viene quasi totalmente coperto dalla pompa di indicata la posizione dei sensori per il monitoraggio. Cooling energy is transferred in the pile system through a heat exchanger (either WT-W or calore collegata ai pali di fondazione. WT-S). The forward fluid temperature of 14°C in the cooling distribution is controlled with a flow rate in the pile circuit, controlled with either valve V2 or V3. As flow rate cannot Una campagna di misurazione condotta nel 2004 ha verificato come variable be decreased below a given value, a smaller heat exchanger (WT-W) takes over the large one (WT-S) when the fluid temperature in theilpile circuit is too low (normally winter), innon riper il raffrescamento estivo, qualora nel circuito di distribuzione si immettesse il fluido a temperatura di 16-17°C geocooling fornito dai pali inenergetici order to create a large temperature difference through the heat exchanger. chiederebbe l’attivazione del chiller. The system operation mode is controlled by the on/off valves V1, V4 and V7. Heat extraction from theIpotizzando pile requires un V1 costo and V4per open, V7 closed tradizionale and P4 switched on. Geocooling heat di riL’investimento complessivo per i pali energetici è stato calcolato in euro 670.000. la soluzione di euro 80.000, il ortempo injection in the pile is achieved with V1 and V4 closed, V7 open and P4 switched off. torno dell’investimento (non calcolando la remunerazione del capitale investito) è calcolato in 8 anni. The pile system monitoring is performed with measurements of 15 fluid temperatures, 11 operation status for the circulation pumps and the heat pump, 5 heat meters including district heating contribution, 15 ground temperatures in four piles which were not used as energy pile and the outside air temperature. These measures are recorded by the building automation system every 5 minutes. Separate dataloggers are also installed to record the electric consumptions of the circulation pumps and the heat pump / cooling machine. The results of the monitoring campaign can be found in Pahud and Hubbuch (2007).

Tipologia dei pali: cls, gettati in opera Pali energetici: 306

3

HEATING PRODUCTION

Diametro: 90-150 cm

The heat pump is 4.4 m long, 2.1 m wide and 2.1 m high. The refrigerant fluid is R717 (ammonia), which requires the heat pump to be placed in a ventilated room maintained under a slight depression for security reason in case of leakage. The heat pump may operate at 25, 50, 75 or 100% of its nominal power. It is shown in figure 3.

Profondità media: 26,8 m

Numero di scambiatori ad U per palo: 5

Volume del suolo termicamente attivato dai pali: 660.000 m 9th International IEA Heat Pump Conference, 20 – 22 May 2008, Zürich, Switzerland

Portata per palo: max. 860 litri/h

Siti di riferimento: http://www.isaac.supsi.ch

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RICERCA Fonti rinnovabili e involucro edilizio

Hybrid Ventilated Façade come esempio di integrazione Lo sfruttamento delle fonti rinnovabili di energia è spesso limitato dalla distanza termodinamica (livelli termici) e dalla discordanza temporale (profili di utilizzo) tra l’”offerta” e la “domanda” di energia. L’innovazione dell’involucro verso sistemi dinamici ed integrati rappresenta una promettente prospettiva, in ambito edilizio, per superare alcune problematiche legate alla conversione dell' energia solare, che per “quantità” e “qualità” appare essere la candidata ideale per il soddisfacimento dei bisogni energetici degli edifici. La Facciata a Ventilazione Ibrida (HVF) si rivela una valida soluzione in cui differenti tecnologie per lo sfruttamento dell’energia solare si integrano in un unicum funzionale di Francesco Goia, Marco Perino, Valentina Serra, Fabio Zanghirella *

D

A TEMPO È RICONOSCIUTO IL RUOLO CHIAVE che l’in-

volucro edilizio gioca nel controllo e nella regolazione dei flussi di energia e massa che transitano attraverso di esso, da e per l’ambiente interno, ma solo nell’ultimo decennio è stato posto l’accento sulle potenzialità che tale componente edilizio presenta come elemento

HYBRID VENTILATED FAÇADE AS BUILDING INTEGRATED PHOTOVOLTAIC SYSTEMS, During the last decade, the integration of technologies for the exploitation of renewable energy sources in building has become an hot topic. The building envelope can play a crucial role in this issue: it becomes a “key” surface, which may allow to collect, convert and store large amount of solar energy. The TEBE Research Group of the Department of Energetics of Politecnico di Torino has performed an extensive experimental campaign on different Advanced Integrated Façades, which are seen as a promising technology for a better exploitation of the solar energy in buildings. Among the other activities, an Hybrid Ventilated Façade (HVF) has been developed and analyzed. The HVF is similar to a “traditional” Double Skin Façade, but it integrates PV panels which power up to 6 fans, enhancing the ventilation through the façade cavity when needed. The results of the experimental assessment demonstrate the good behaviour of this technology in comparison to a conventional façade and support the claim for the further development of dynamic façades with on-board technologies for solar energy conversion and storage. Keywords: Innovative building envelope, Façade integrated photovoltaic systems, Hybrid ventilation, Transparent ventilated façades, Air solar collectors.

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attivo per la captazione, la conversione (ed eventualmente l’accumulo) dell’energia solare. Osservando le evoluzioni delle tecnologie più innovative in tale campo, si potrebbe oggi dire che l’involucro stia mutando, a poco a poco, la propria connotazione: da elemento debole della costruzione (visto come la superficie di controllo, spesso poco efficace e disperdente, del sistema termodinamico dell’edificio) a “preziosa” superficie di confine e di scambio, a diretto contatto con la fonte energetica solare.

Verso un involucro solare Il TEBE Research Group, attivo presso il Dipartimento di Energetica del Politecnico di Torino, conduce da circa dieci anni una sistematica ricerca ed innovazione tecnologica nel settore delle DSF e AIF. In seno a tale attività il gruppo ha potuto testare e sviluppare differenti configurazioni di facciate vetrate a logica attiva e dinamica (Double Skin Façade, Climate Façade, Highly Integrated Façade, Hybrid Ventilated Façade). Tra le tecnologie esaminate, la cosiddetta Facciata a Ventilazione Ibrida (HVF dall’inglese Hybrid-Ventilated Façade) appare particolarmente adatta ad evidenziare le potenzialità dell’integrazione di tecnologie per lo sfruttamento di energia da fonte rinnovabile.

Figura 1. Prototipo di HVF: configurazione estiva (lamelle aperte). La HVF, evoluzione di una classica DSF, è costituita da due layer vetrati: un vetro singolo chiaro posto all’esterno e un vetrocamera basso emissivo sul lato interno. Completano il sistema una schermatura mobile (veneziana o tenda) posta nella intercapedine (di 26 cm) tra i due layer vetrati.


DALLA DSF ALLA AIF Evoluzione della facciata vetrata Lo sviluppo prima delle Facciate a Doppia Pelle (DSF, dall’inglese Double Skin Façade) ed in seguito delle Advanced Integrated Façade (AIF) esemplifica in modo particolarmente rappresentativo il passaggio da un involucro “semplice” e statico and un sistema complesso, dinamico ed attivo. La tecnologia DSF è infatti nata negli anni Settanta come risposta alle notevoli problematiche di carattere ambientale delle costruzioni adottanti facciate vetrate a “curtain-wall”. Questi edifici presentavano spesso condizioni di discomfort termico causato dalle eccessive dispersioni termiche in inverno e dagli eccessivi guadagni solari nelle stagioni calde, oltre a problematiche di comfort visivo legate all’assenza di un controllo della luce DSF, principio di funzionamento naturale in ambiente. Ai problemi di discomfort si associavano, naturalmente, elevati consumi per la climatizzazione estiva ed invernale necessaria per garantire condizioni ambientali accettabili per gli utenti. Grazie all’aggiunta di un secondo layer vetrato (una doppia pelle) e di un sistema di schermatura mobile nell’intercapedine tra i due piani vetrati si riusciva così a ridurre le dispersioni termiche durante i mesi invernali ed a limitare i guadagni solari in estate, con un benefico effetto sulle condizioni di comfort per l’ambiente interno. Sebbene occorra menzionare come le prime realizzazioni di DSF presentassero comunque alcune problematiche e la reale efficienza energetica di tale sistema fosse non sempre riscontrabile, lo sviluppo tecnologico di sub-componenti sempre più performanti (come vetri basso-emissivi e selettivi, schermature tecniche…) ha permesso di superare gli elementi di debolezza di questa tecnologia, tanto che le DSF sono diventate molto popolari negli anni Novanta e nei primi anni Duemila. Da elemento disperdente a elemento captante La successiva evoluzione nel campo delle facciate vetrate ha riguardato proprio il passaggio concettuale da “ottimizzazione di elemento disperdente” a “sviluppo di elemento captante per l’energia solare”, rappresentato dalle Advanced Integrated Façade (AIF). Sotto tale nome sono infatti raccolti una serie di involucri dinamici trasparenti con tecnologie differenti e con diversi gradi di integrazione con il sistema impiantistico per il controllo ambientale, accomunati dall’obiettivo contemporaneo di migliorare le condizioni di comfort interno e di favorire lo sfrutPRINCIPIO DI FUNZIONAMENTO IN REGIME ESTIVO PRINCIPIO DI FUNZIONAMENTO IN REGIME INVERNALE tamento dell’energia solare attraverso la sua conversione in energia termica e/o elettrica. D’inverno il sole irraggia gli elementi della facciate a doppio pelle (vetri e schermature) e l’aria contenuta nell’intercapedine si riscalda. Si viene così a creare un “ambiente cuscinetto”, posto tra l’esterno e l’interno, che riduce le perdite per dispersione. D’estate, grazie alla stratificazione delle temperature tra la parte bassa e la parte alta della facciata ed alle aperture poste alle due estremità si genera un flusso d’aria ascendente. I sistemi di schermatura contenuti nell’intercapedine “intercettano” gran parte della radiazione solare incidente e cedono successivamente tale energia al flusso d’aria, riducendo così i carichi entranti.

Anche decorativa. Facciata DSF presso il John Lewis department store. Il pattern è prodotto attraverso un nuovo coating parzialmente applicato. Photo: Interpane

Uno dei primi esempi di DSF in Spagna. La vetrata interna è a doppia camera. Un passaggio largo 90 cm, adibito a funzioni manutentive separa la facciata esterna da quella interna. In questo caso il controllo solare non è effettuato tramite un dispositivo schermante ma per mezzo di un coating del vetro. “Climate façade” Tale tecnologia, sviluppata negli anni ’90, si presenta come una evoluzione della classica DSF. Caratteristica fondamentale di questa tipologia è la sua integrazione con il sistema impiantistico dell’edificio: la ventilazione non è più naturale, come nelle DSF, ma meccanica e la facciata funge da terminale di estrazione per l’impianto di ventilazione. L’aria che scorre nell’intercapedine è dunque captata direttamente dall’ambiente interno. Durante la stagione estiva, l’aria viene poi rilasciata all’esterno, mentre durante l’inverno essa viene inviata ad un recuperatore di calore per pre-riscaldare l’aria di rinnovo.

Facciata DSF con veneziane presso Eurac, Bolzano

DSF con integrazione FV Le DSF possono essere utilizzate per la riqualificazione energetica di edifici costruiti. La doppia pelle realizzata presso il campus della NTNU a Trondheim si compone di un layer esterno vetrato, anteposto alla muratura esistente, che integra dispositivi fotovoltaici. La radiazione solare incidente è captata in questo caso dalla struttura opaca, similmente a quanto accade nel caso di un Muro Trombe. Nei mesi invernali si viene così a creare una “intercapedine calda”, posta tra interno ed esterno, che riduce le dispersioni di calore. Apposite feritoie favoriscono invece la ventilazione durante i mesi più caldi. Inoltre, la ventilazione della cavità durante l’estate consente di ridurre il fenomeno di surriscaldamento dei moduli fotovoltaici integrati. Foto: Øyvind Aschehoug, NTNU

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Tecnologia La HVF (Figura 1) si presenta come una evoluzione di una classica DSF, da cui mutua le principali strategie funzionali. Costruttivamente, essa è costituita da due layer vetrati: un vetro singolo chiaro posto all’esterno e un vetrocamera basso emissivo sul lato interno. Completano il sistema una schermatura mobile (veneziana o tenda) posta nella intercapedine (di 26 cm) tra i due layer vetrati, che contiene altresì un numero variabile di ventilatori assiali (sino a 6 nel prototipo testato) per la ventilazione assistita della cavità (Figura 2). I ventilatori sono alimentati direttamente da pannelli fotovoltaici adagiati sulla lamella mobile posta in corrispondenza della sezione di uscita superiore della cavità ventilata (Figura 3). In questa ottica, la HVF si caratterizza come una tecnologia che permette il duplice ed integrato sfruttamento dell’energia solare: il sistema “doppia pelle” agisce come collettore solare ad aria; l’elemento fotovoltaico garantisce invece la conversione diretta dell’energia solare in energia elettrica, la quale viene usata dalla HVF in caso di ventilazione assistita. L’integrazione appare dunque particolarmente riuscita sia in termini “energetici”, sia in termini “tecnologici”, sia infine in termini “architettonici”. Infatti, la domanda (potenza elettrica per la ventilazione ibrida) e l’offerta (produzione di corrente da fotovoltaico) sono in fase, poiché è richiesta maggiore ventilazione quando è maggiore la disponibilità della fonte rinnovabile (l’energia solare) ed elevato il rischio di surriscaldamento della cavità (periodo estivo). Inoltre, l’integrazione tra l’involucro, la facciata ventilata e il pannello fotovoltaico è funzionale al comportamento dello stesso involucro. Contraria-

Figura 2. Prototipo di HVF: vista dal basso dei ventilatori assiali posti nell’intercapedine. Questi sono in numero variabile (sino a 6 nel prototipo testato) e servono alla ventilazione assistita della cavità.

mente a quanto accade più frequentemente, la superficie di involucro non è semplicemente “ricoperta” da elementi (collettori e pannelli solari) per la conversione dell’energia solare destinata a differenti usi (con problemi legati anche ad aspetti di natura architettonica), ma si presenta invece come un “unicum”, una fusione funzionale e costruttiva tra involucro e tecnologie per lo sfruttamento della fonte rinnovabile.

Strategie di funzionamento La tecnologia HVF prevede un livello di integrazione limitato con il sistema impiantistico dell’edificio, soprattutto se confrontata con altre

tipologie di AIF (si cita come esempio la tecnologia denominata “Climate Façade”). Come menzionato, l’integrazione con le fonti rinnovabili è principalmente funzionale alla performance del solo elemento di involucro, anche se è ipotizzabile l’utilizzo della HVF in configurazione “supply air” durante i mesi invernali. In dettaglio, le strategie di funzionamento della HVF, al variare della stagione e delle condizioni di irraggiamento, sono descritte nella figura 4:

Figura 4. Strategie di funzionamento della HVF secondo la stagione

Nella mezza stagione o nelle giornate estive caratterizzate da bassi valori di irraggiamento, le lamelle sono aperte. Il comportamento è di tipo “outodoor air curtain” e la ventilazione è naturale (i ventilatori non sono attivati).

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Nel periodo estivo, in corrispondenza di elevato irraggiamento solare, le lamelle che permettono l’ingresso e l’uscita dell’aria esterna nella cavità sono aperte, con un angolo di inclinazione di circa 45° rispetto alla normale. Il comportamento della facciata è di tipo “outdoor air curtain” e si caratterizza per una ventilazione ibrida (assistita dai ventilatori).

Nella stagione invernale le lamelle sono chiuse. La modalità di funzionamento prevista è quella definita “thermal buffer”: la radiazione solare crea un buffer caldo nell’intercapedine di facciata, che ne riduce le perdite per dispersione.

Inoltre, la facciata può funzionare in modalità “supply air”, sfruttando l’effetto “collettore solare” per il preriscaldamento dell’aria di rinnovo, captata attraverso la facciata stessa.


METODI E STRUMENTI PER L’ANALISI SPERIMENTALE La campagna sperimentale ha permesso di ottenere, grazie alla contemporanea valutazione della HVF e di una facciata di riferimento, sia una valutazione della sola tecnologia in esame, sia di un suo confronto con una tecnologia “tradizionale”. La tecnologia HVF è stata testata per circa un anno, permettendone così una valutazione durante differenti stagioni e in diverse modalità. Tuttavia, nell’ottica di integrazione di fonte rinnovabile nel progetto, il comportamento di questa facciata attiva risulta essere particolarmente interessante durante la stagione estiva. È infatti nei mesi caldi che, in generale, le facciate a doppia pelle (e nello specifico le DSF) mostrano il loro “lato debole”, presentando possibili rischi di surriscaldamento. L’integrazione del fotovoltaico nella HVF è proprio rivolta ad aumentare l’efficienza di questa tecnologia rispetto a tale problematica ed i risultati dell’analisi sperimentale qui riportati evidenziano il buon comportamento dell’HVF durante i mesi caldi. Tra le principali grandezze fisiche e parametri prestazionali valutati durante l’analisi si menzionano: t i flussi termici “liminari” qsurf e “totali” qtot intendendo con: t qsurf il flusso termico specifico (W/m) misurato per mezzo di termoflussimetri (che coincide con la quota di energia scambiata all’interfaccia tra vetro interno ed ambiente per convezione ed irraggiamento ad alta lunghezza d’onda) t qtot la somma del flusso termico “liminare” e del flusso termico “short-wave” qshort (coincidente con l’irradianza trasmessa, misurata per mezzo di solarimetri). t L’efficienza di isolamento dinamico ε = Qr / Qent Intendendo con tale paramentro il rapporto tra: t Qr il flusso termico rimosso dalla portata d’aria di ventilazione attraverso la cavità t Qent il flusso termico totale entrante nella facciata attraverso la superficie a contatto con l’ambiente esterno Da un punto di vista fenomenologico, ε corrisponde, quindi, alla quota di flusso totale, entrante attraverso la frontiera esterna della facciata attiva, che è asportata attraverso l’aria di ventilazione. t le energie totali diurne normalizzate Σx (08:00 – 20:00). Utili ad analizzare il comportamento della facciata in termini di energia entrante od uscente, svincolandone i risultati dalle condizioni climatiche esterne. Nello specifico, l’energia totale diurna E diurna è stata normalizzata (Σx) rispetto alla stessa grandezza misurata per la facciata di riferimento.

Test Cell L’analisi sperimentale sul comportamento della HVF è stata condotta per mezzo del sistema sperimentale TWINS in dotazione al Dipartimento di Energetica del Politecnico di Torino. Tale apparato sperimentale consta di due Test Cell (dimensioni: 1,6 m larghezza, 3,6 m lunghezza, 2,5 m altezza controsoffitto) dislocate all’aperto ed adatte ad ospitare prototipi di facciata in scala 1:1 (Figura 5). Una Test Cell ospita una facciata standard, realizzata con una vetrata riflettente, che costituisce la facciata di riferimento; sulla seconda Test Cell è invece montata la facciata sperimentale. Un sistema di controllo della temperature dell’aria interna delle Test Cell permette di mantenere le condizioni interne desiderate con una precisione di ±1°C. Le Test Cell sono liberamente orientabili e la facciata oggetto di prova può pertanto essere disposta secondo diverse esposizioni. Nel dettaglio, l’analisi sperimentale è stata condotta orientando le Test Cell affinché le facciate vetrate fossero rivolte a sud.

20:00

Ediurna = ∫08:00qtot(τ)dτ Σx = ( Ediurna,facciata – Ediurna,riferimento ) / Ediurna,riferimento

Figura 5. Sistema sperimentale TWINS. A sinistra la Test Cell con HVF, a destra la Test Cell con la facciata di riferimento

Analisi del comportamento estivo

Figura 6. Velocità angolare dei ventilatori in funzione dell’irradianza incidente sulla facciata Si evidenzia la necessità di un irraggiamento almeno pari a 70 W/m (irradianza di spunto) affinché i ventilatori possano attivarsi. Durante la giornata, una volta attivata la ventilazione ibrida, valori di irradianza inferiori all’irradianza di spunto sono sufficienti per mantenere attiva tale modalità di ventilazione assistita.

Figura 7. Flusso termico “liminare” estivo in funzione di differenti portate di ventilazione (configurazione con veneziane) L’obiettivo della facciata HVF durante la stagione estiva è quello di ridurre i carichi entranti nell’ambiente interno, rimuovendo per mezzo della ventilazione in intercapedine, parte del flusso totale entrante dall’esterno. In caso di ventilazione naturale si rileva un considerevole gradiente verticale dei flussi termici “liminari” e delle temperature in cavità, che cresce con l’altezza della facciata. Quando la ventilazione diviene ibrida, il flusso termico “liminare” entrante decresce significativamente, parimenti al gradiente precedentemente descritto. Il picco di flusso termico “liminare” si riduce di circa un terzo (da 28 W/m a 19 W/m) passando dalla configurazione naturale alla configurazione “fan-assisted” alimentata dal pannello fotovoltaico. I valori di picco di portata, misurati per le configurazioni a 2 ventilatori, 4 ventilatori e 6 ventilatori, sono rispettivamente pari a 210, 320 e 380 m/h per metro lineare di facciata.

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Figura 8. Efficienza di isolamento dinamico in funzione di differenti portate di ventilazione

Figura 9. Energia totale diurna normalizzata in funzione di differenti portate di ventilazione

L’efficienza di isolamento dinamico ε cresce con l’aumentare della ventilazione della cavità. In dettaglio, tale parametro è stato valutato solo per la configurazione ibrida, data la difficoltà della misurazione della portata in modalità ventilazione naturale. Tuttavia, sulla scorta dell’analisi dei flussi termici “liminari” delle energie diurne normalizzate, è ragionevole supporre che l’efficienza di isolamento dinamico in caso di ventilazione naturale sia inferiore rispetto alle configurazione ibrida. Il miglior comportamento in termini di ε si ottiene con 6 ventilatori attivati ed in generale si nota come la performance cresca con il crescere dei numeri di ventilatori in funzione (e dunque con il crescere del flusso entalpico nella cavità).

Infine, l’analisi delle energie diurne normalizzate permette di evidenziare ulteriormente il buon comportamento della HVF (minore è il valore di Σ, migliore è la performance), sia nei confronti di una facciata di riferimento (con riduzioni del carico entrante nell’ordine del 65-85% rispetto ad una facciata tradizionale), sia in funzione delle differenti strategie di ventilazione. In generale, anche in questo caso, si rileva un aumento dell’efficienza della HVF con il crescere dei ventilatori attivati.

Conclusioni La Hybrid Ventilated Façade, sviluppata presso il TEBE Research Group del Dipartimento di Energetica del Politecnico di Torino, è un prototipo di facciata dinamica trasparente in cui l’integrazione di tecnologie per lo sfruttamento dell’energia solare è funzionale alla performance della facciata stessa ed, eventualmente, al controllo locale degli ambienti (es. ventilazione). La HVF non presenta un grado di complessità costruttiva elevato se confrontato con una tradizionale DSF; tuttavia le performance rispetto ad una DSF migliorano considerevolmente. Tale abilità nel rimuovere i potenziali carichi solari entranti è ottenuta attraverso una stretta integrazione costruttiva e concettuale della tecnologia fotovoltaica nella facciata trasparente attiva. L’involucro edilizio solare rappresenta una sfida ancora aperta: troppo spesso, infatti, le potenzialità di questo concept sono poco sfruttate e le tecnologie attive e dinamiche non completamente sviluppate. L’attività di ricerca in questo settore è quindi particolarmente interessante e, muovendosi dai risultati sinora ottenuti, è possibile (anzi auspicabile) sviluppare nuovi concetti, tecnologie e soluzioni. In tale ottica, il TEBE Research Group del Dipartimento di Energetica – Politecnico di Torino è attualmente coinvolto, nell’ambito di un programma di ricerca di rilevante interesse nazionale (PRIN 2007), nello sviluppo di un innovativo modulo di facciata denominato ActResS (Active, Responsive & Solar), caratterizzato dal comportamento dinamico ed integrante tecnologie per la conversione e l’accumulo di energia solare. * TEBE Research Group, Dipartimento di Energetica, Politecnico di Torino

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Per circa il 50% del tempo la HVF con 6 ventilatori è in grado di rimuovere circa l’80% del flusso incidente sull’interfaccia esterna. Per lo stesso periodo di tempo, la HVF con 4 ventilatori è in grado di rimuovere poco più del 70% del flusso incidente, mentre per la configurazione a 2 ventilatori presenta un’efficienza di isolamento dinamico pari a circa il 65%. Valori migliori di ε possono essere ottenuti se lo schermo utilizzato in intercapedine è una tenda a rullo bi-color (con rivestimento riflettente posto verso l’esterno).

Bibliografia t Annex 44. Integrating Environmentally Responsive Elements in Buildings. State of the art Review. IEA, ECBCS, 2007. http://annex44.civil.aau.dk/ t Goia F., Perino M., Serra V. e Zanghirella F., “Towards an active, responsive and solar building envelope”, In: Zero Emission Buildings. Proceedings of Renewable Energy Research Conference 2010 Conference, Trondheim, June 7th – 8th 2010, pp. 73-84, 2010. t Perino M., Serra V. e Zanghirella F., “Facciate trasparenti attive a ventilazione meccanica e ibrida: valutazione della prestazione energetica tramite misure in test cells”, In: Atti del 63º Congresso nazionale ATI, 23-26 Settembre 2008, Palermo, 2008. t Serra V., Zanghirella F. e Perino M., “Experimental energy efficiency assessment of a hybrid ventilated transparent façade”, In: Energy Efficiency and new approaches, 4th International Building Physics Conference, 4th International Building Physics Conference, Istanbul, Turkey, June 15th – 18th 2009, pp. 247-254, 2009.

Figura 3. Prototipo di HVF: particolare della lamella con moduli fotovoltaici. I ventilatori sono alimentati direttamente da pannelli fotovoltaici adagiati sulla lamella mobile posta in corrispondenza della sezione di uscita superiore della cavità ventilata.


RICERCA Energia solare ed edifici

Architettura cinese per mettere in fase produzione solare e domanda energetica Riduzione della quota di energia “non-solare” mediante l’installazione di pannelli solari, termici e fotovoltaici, sui marcapiano inclinati di David A. Johnston*

SOLAROPTICAL AND THERMAL PROPERTIES OF BUILDINGS INCORPORATING SOLAR PANELS, EMULATING TRADITIONAL CHINESE BUILDING STYLE

A building-integrated solar energy system is proposed, with the panels installed such that the overall morphology resembles that of a traditional Chinese building, i.e., roofing (eaves) at each storey, in addition to that on top of the building. The panels include photovoltaic cells and solar thermal collectors, thus producing electric power as well as heating. The particular morphology provides a number of advantages, in terms of solar energy collection and shading, and their matching to temporal and locational variations in energy demand. Solar heating and photovoltaic power generation were calculated for a number of locations. These were compared with the space heating and air conditioning demands, respectively. The requirement for supplementary energy was calculated. Equivalent calculations for similar buildings without solar panels allowed the saving in non-solar energy to be estimated. The orientation and tilt of the panels were selected to provide maximum energy at the times of maximum demand. Each parameter was investigated for a range of locations, in order to identify trends, which could then be applied to other locations. In most cases, solar power was sufficient to meet the cooling demands. For a number of locations, solar power provided some, but not all, of the heating loads. Keywords: Solar, Energy, Photovoltaic, Thermal, Building, Chinese, Traditional

L

CINA È IL SECONDO PAESE AL MONDO per fabbisogno energetico, tanto che la crescita del consumo di energia va di pari passo con l’impressionante crescita economica. Al fine di limitare l’esaurimento delle risorse e l’impatto ambientale, in Cina molti ricercatori stanno sviluppando tecnologie rinnovabili come l’utilizzo dell’energia solare combinata con altre misure di efficienza energetica. Ricordiamo infatti che la Cina è il più grande produttore e utilizzatore di scaldacqua solari mentre, per quanto riguarda l’installazione di sistemi fotovoltaici, il mercato è ancora ristretto, ma in rapida crescita. Queste nuove tecnologie rinnovabili verranno applicate soprattutto nel settore delle costruzioni, che oggi assorbe il 28% dell’energia totale per il funzionamento, mentre il 15-20% dell’energia è inglobata nel processo costruttivo. Lo sviluppo della nazione ha profondamente segnato il paesaggio costruito. Negli ultimi anni le tradizionali costruzioni cinesi sono state abbattute senza remore per far posto a nuovi edifici di stile occidentale. Eppure, proprio dall’architettuA

ra tradizionale viene suggerita una delle forme d’integrazione più interessanti per l’energia solare. Nelle righe che seguono descriveremo un sistema costruttivo integrato, in cui i pannelli sono montati sui marcapiani e sul tetto, in una forma che mira a richiamare il tradizionale edificio cinese tipo pagoda con i marcapiani sporgenti.

Figura 1 – Tipico edificio residenziale cinese di cinque piani con pannelli solari installati sul tetto e sui marcapiani.

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PERCHĂ&#x2030; I PANNELLI SUI MARCAPIANO Il vantaggio di questo tipo di installazione è la possibilitĂ  di inserire i pannelli sia in edifici in fase di ristrutturazione che in edifici di nuova costruzione. Oltre alla possibilitĂ  di integrare la tecnologia solare, questo tipo di costruzione offre anche altri vantaggi: t i marcapiano sporgenti forniscono ulteriore superficie per lâ&#x20AC;&#x2122;applicazione dei pannelli solari, il che significa maggiore produzione di energia elettrica e energia termica; t lâ&#x20AC;&#x2122;energia viene raccolta per tutta lâ&#x20AC;&#x2122;altezza dellâ&#x20AC;&#x2122;edificio. Conseguenza di ciò è la riduzione delle distanze di trasferimento interno di energia, che comporta notevoli perdite; t i marcapiani inoltre fanno ombra alle finestre poste ai livelli inferiori. Lâ&#x20AC;&#x2122;ombreggiatura ovviamente cambia a seconda delle ore del giorno ma anche delle stagioni. Con accurati studi è dunque possibile individuare lâ&#x20AC;&#x2122;inclinazione migliore, ossia quella che garantisce il miglior rendimento del pannello, riducendo cosĂŹ il fabbisogno di energia necessario per compensare la radiazione solare entrante.

Azienda dei trasporti di Strasburgo Foto: CTS_strasbourg

Energia solare ed energia â&#x20AC;&#x153;nonâ&#x20AC;&#x201C;solareâ&#x20AC;?

gia non solare in un edificio della tipologia sopra descritta (vedi fig.1). Sia che si tratti dellâ&#x20AC;&#x2122;edificio in stile pagoda, oggetto dâ&#x20AC;&#x2122;indagine, che di edifici dallo caratteristiche piĂš europee lo studio consente di ottimizzare la progettazione dei sistemi attivi per sfruttare al massimo lâ&#x20AC;&#x2122;energia solare, termica e fotovoltaica. Questo include non solo il corretto dimensionamento dei sistemi, per ottenere la potenza necessaria, ma anche la loro posizione attorno allâ&#x20AC;&#x2122;edificio, per generare energia nei momenti di picco della domanda. Conseguenza di ciò è una riduzione dellâ&#x20AC;&#x2122;uso di energia non solare, da cui seguono maggiori benefici per lâ&#x20AC;&#x2122;occupante e risparmio energetico. Lo studio ha confrontato le prestazioni di un edificio tipo, dalla forma architettonica sopra descritta, con e senza pannelli solari, identifican-

Tutti i sistemi solari, come noto, sono solitamente accoppiati a fonti complementari â&#x20AC;&#x153;non-solariâ&#x20AC;? (con questo termine lâ&#x20AC;&#x2122;autore tende ad indicare la frazione di fabbisogno energetico non soddisfatto attraverso lâ&#x20AC;&#x2122;energia solare, ndt) che intervengono a coprire la domanda di energia quando lâ&#x20AC;&#x2122;energia solare risulta non essere sufficiente. Obiettivo finale di un sistema ad energia solare è quello di ridurre al minimo lâ&#x20AC;&#x2122;uso di energia non-solare. In questo studio è stato valutato il contributo che lâ&#x20AC;&#x2122;energia solare ha fornito nel ridurre la quota di ener-

METODOLOGIA Il modello preso in considerazione è il piano intermedio di un edificio a torre, con lâ&#x20AC;&#x2122;asse piĂš lungo disposto in direzione nord-sud, diviso in 4 appartamenti esposti rispettivamente a NE, SE, SO, NO. Lâ&#x20AC;&#x2122;analisi di ogni appartamento ha permesso di individuare prima di tutto le differenze tra le zone esposte a sud e a nord, caratteristica fondamentale per i sistemi ad energia solare. Per semplificare le misurazioni, è stato ipotizzato che sia gli appartamenti sottostanti che quelli sovrastanti avessero la stessa temperatura di quelli analizzati e, dunque, lo scambio termico verticale poteva essere ignorato. Ogni appartamento è stato considerato come una singola zona termica, con la massa termica interna costituita dalla cavitĂ  (aria) e da tutte le pareti interne. Le proprietĂ  termiche dei componenti dellâ&#x20AC;&#x2122;edificio sono quelle dettate dalle norme per gli edifici cinesi in vigore nel 2005 e sono riportate nella tabella 1 [12]. Le dimensioni di questi componenti sono riportate in tabella 1 e rientrano nei limiti raccomandati dai codici cinesi per gli edifici. Ă&#x2C6; stata identificata una serie di tratti caratteristici come ad esempio le variazioni giornaliere e stagionali dellâ&#x20AC;&#x2122;irradianza su varie superfici e il grado di ombreggiamento che influenzano la domanda per il riscaldamento e/o aria condizionata. Successivamente, grazie allâ&#x20AC;&#x2122;utilizzo del software di simulazione EnergyPlus v1.2.21, sono stati calcolati i fabbisogni energetici, in seguito combinati con la stima di produzione di energia solare. Sulla base delle caratteristiche sopra descritte, sono state identificate le esigenze annuali a seconda della posizione dellâ&#x20AC;&#x2122;appartamento e della sua domanda di energia primaria. In seguito, selezionando un giorno entro il periodo di misurazione, è stata eseguita la modellazione che ha permesso di valutare se lâ&#x20AC;&#x2122;energia solare, per ogni singolo apparSpessore CapacitĂ  di k U standard calore specifico (W/mK) (W/mď&#x2122;ŁK) (mm) (J Kď&#x2DC;°ď&#x2122;˘ kgď&#x2DC;°ď&#x2122;˘)

Componenti

Materiali

Doppia parete di mattoni (interno)

Mattone

0,5

Cemento

1,2

240 370

2,14 1,33

DensitĂ  (kg mď&#x2DC;°ď&#x2122;¤)

UnitĂ  di capacitĂ  termica 283 kJ mď&#x2DC;°ď&#x2122;Ł

720

1300

1010

2000

720

1300

1010

2000

Tripla parete di mattoni (esterno)

Mattone

0,5

Cemento

1,2

Muri in cemento (interno)

Blocco di cemento vuoto

0,774

240

3,23

900

1100

238 kJ mď&#x2DC;°ď&#x2122;Ł

Muri in cemento (esterno)

Blocco di cemento vuoto

0,774

370

2,01

900

1100

366 kJ mď&#x2DC;°ď&#x2122;Ł

Finestre (vetro singolo)

Vetro

0,95

5

-

-

-

Finestre (vetro doppio)

Vetro

0,95

5+5

-

-

-

Aria

0,125

6,25

Spazio interno

Aria

0,125

-

1008

1,2

1210 kJ mď&#x2DC;°ď&#x2122;¤

-

444 kJ mď&#x2DC;°ď&#x2122;Ł

Tabella 1 â&#x20AC;&#x201C; ProprietĂ  termiche standard e dimensioni dei componenti per lâ&#x20AC;&#x2122;edilizia in Cina nel 2005

28

#2

North Devon District Council (GB) Foto: Halcrow Group Ltd

Possibili adattamenti. La proposta di montaggio dei pannelli suggerita nellâ&#x20AC;&#x2122;articolo non è del tutto nuova e trova esempi applicativi simili nella realtĂ  europea

do il contributo che lâ&#x20AC;&#x2122;energia solare può avere sul fabbisogno complessivo. Il confronto è stato eseguito per differenti localitĂ  climatiche cinesi. Si riportano con maggiore dettaglio i casi di Pechino e Shanghai, che presentano un clima paragonabile alla realtĂ  dellâ&#x20AC;&#x2122;Europa continentale e dellâ&#x20AC;&#x2122;Europa meridionale.

SISTEMI ATTIVI ANALIZZATI t pannelli solari, che forniscono aria calda per riscaldamento diretto oppure acqua calda per il riscaldamento con radiatori; t sistemi di riscaldamento complementari, alimentati a elettricitĂ  e/o combustibili fossili; t condizionatori dâ&#x20AC;&#x2122;aria, possibilmente in grado di funzionare anche come pompe di calore; t pannelli solari fotovoltaici, che forniscono energia elettrica per i condizionatori e per altri usi; tFMFUUSJDJUĂ&#x2039;TVQQMFNFOUBSFQFSJDPOEJ[JPOBUPSJEBSJB

tamento, è un beneficio annuale o stagionale, a seconda della localitĂ  scelta. Unâ&#x20AC;&#x2122;ulteriore serie di simulazioni, calcolate a partire da un intervallo di tempo maggiore, ha permesso di stimare il contributo totale di energia solare e la capacitĂ  di ridurre lâ&#x20AC;&#x2122;uso di energia non solare. Per semplificare lo studio è stato considerato un solo piano dellâ&#x20AC;&#x2122;edificio senza calcolare le dispersioni di calore tra un piano e lâ&#x20AC;&#x2122;altro. La temperatura dellâ&#x20AC;&#x2122;aria negli ambienti interni è stata definita secondo un ciclo giornaliero basato su un modello tipico di occupazione di un edificio residenziale. Gli intervalli sono i seguenti: 22:00-7:00, 7:00-9:00, 09:00-17:00 e 17:00-22:00. Per ciascuno di questi intervalli, i valori delle temperature minime e massime sono diversi per le due localitĂ .

CARATTERISTICHE DELLâ&#x20AC;&#x2122;EDIFICIO Lunghezza (nord-sud): 10 m Larghezza (est-ovest): 6 m Altezza del piano: 2,65 m (luce netta: 2,4 m) Lunghezza totale delle pareti interne: 45 m Finestre: 1,2 m x 1,2 m, 3 a nord o a sud, 4 ad est o a ovest Pannelli solari: lunghezza pari allo sviluppo del lato, 1 m di larghezza


SPECIFICITÀ DELL’EDIFICIO DEL CASO DI STUDIO

Caratteristiche climatiche del sito Pechino si trova nel Nord della Cina dove è richiesto riscaldamento per gran parte dell’anno, considerato che le temperature di gennaio scendono spesso al di sotto di -10°C. Tuttavia, il clima secco nel nord-est del Paese e conseguentemente un cielo sereno con poca nuvolosità portano ad elevati livelli di insolazione. Durante l’inverno, l’altezza solare raggiunge un massimo di 26,58° a mezzogiorno (40°N latitudine). Da questo ne deriva che le superfici verticali, quali muri e finestre, ricevono un elevato irraggiamento nei mesi in cui la domanda di riscaldamento è più alta. Infatti l’altezza solare bassa significa, in generale, un’ombreggiatura quasi nulla prodotta dai pannelli solari sulle finestre sottostanti e praticamente nessuna ombreggiatura ai livelli inferiori. In estate invece l’altezza solare raggiunge un massimo di 73,5° a mezzogiorno. Ne consegue che edifici alti e stretti ricevono d’inverno maggiori apporti solari rispetto ad altre tipologie costruttive. Periodo di massimo riscaldamento Dalle misurazioni effettuate emerge (Fig. 2) come il picco di potenza termica viene raggiunto dai collettori attorno alle ore 11, quando la radiazione solare incide sia sui pannelli sia sulla parete esposta a sud-est. In questo periodo dell’anno, e per questa esposizione, l’energia solare non è disponibile durante la prima parte della mattinata, periodo in cui la domanda è maggiore anche per il riavvio dell’impianto dopo la sospensione notturna. Tuttavia, l’energia solare raccolta durante la tarda mattina provvede a coprire una parte significativa della domanda di riscaldamento.

È stato scelto di effettuare la misurazione il 15 gennaio, nel mese più freddo dell’anno. Rispetto alla metodologia sopra esposta si sono applicate le seguenti variazioni per lo specifico caso: Le pareti sono state considerate di mattoni facciavista. L’albedo per questo tipo di superficie è di 0,2 Si è prevista l’adozione di doppi vetri È stata definito un angolo di inclinazione pari a 40° (corrispondente alla latitudine) per i pannelli solaritermici (recupero di efficienza = 50%).

Power (kW)

Case Study 1 PECHINO

8000 7000 6000 5000 4000 3000 2000 1000 0 0

6

12

18

24

Per questo appartamento l’irraggiamento solare è basso anche nel corso della serata, periodo di forte doTime (24 hour) manda. Sensible heat Solar thermal power Non-solar power Andando a confrontare i dati con quelli relativi ad altri appartamenti sempre sullo stesso piano, ma diversaFigura 2 – Fabbisogno di riscaldamento, apporti mente esposti, è possibile far emergere il contributo dato dall’energia solare e i risparmi che ne derivano per solari e non-solari per una facciata esposta a sud ciascun appartamento. L’apporto di energia solare risulta, ovviamente, maggiore per gli appartamenti espoa Pechino (latitudine 40°N). 15 gennaio. sti a sud-est e sud-ovest, anche perché dotati di pannelli aggiuntivi sulla parete sud dell’edificio. Tuttavia, la conseguente riduzione della domanda energetica non-solare è simile sia per gli appartamenti situati sul lato nord che per quelli collocati a sud Riscaldamento Energia solare Domanda energia Riduzione della domanda di energia non-solare dell’edificio. Questo perché l’energia solare raccolta dai collettori è più efAppartamento giornaliero termica giornaliera non-solare ficace nella riduzione del fabbisogno energetico verso metà mattina (8-9 kWh % (kWh) (kWh) (kWh) del mattino), per gli appartamenti esposti ad est, e nel tardo pomeriggio NE 80 5 76 4 5 (ore 15-17) per gli appartamenti ad ovest. Ma negli stessi intervalli temporali le pareti e le finestre rivolte a est e a ovest ricevono maggiore irragSE 54 14 50 4 giamento e conseguentemente guadagni gratuiti. SW 50 14 47 3 Il surplus di energia solare ricevuta dagli appartamenti esposti a sud ragNO 87 5 82 5 giunge il picco massimo a metà giornata, ovvero quando la domanda è al Tabella 2 – Riscaldamento giornaliero, energia solare e conseguente riduzione minimo a causa del guadagno solare passivo e di una temperatura amdella domanda di energia non solare per i 4 appartamenti di Pechino. biente superiore. Certamente questo surplus di energia di circa 10 kWh ad appartamento potrebbe essere utilizzato per la produzione di acqua calda sanitaria. Concludendo, la disponibilità di energia solare, nonostante non sia in fase con tutti i periodi di forte domanda, copre comunque un frazione del 5-7% del fabbisogno energetico non-solare. Valutazione su ciclo annuale Con l’avanzare della stagione, l’allungamento delle giornate rende disponibile la radiazione solare anche nelle prime ore della mattinata e nel tardo pomeriggio. In particolare, a partire da metà febbraio (fig.3), l’energia solare è disponibile in mattinata durante il riavvio dell’impianto dopo la battuta d’arresto notturna. Questi fattori aumentano l’apporto di energia solare e la conseguente riduzione della domanda di energia non-solare. Per altri periodi dell’anno (marzo e novembre), tale riduzione è addirittura del 10%, anche se in termini assoluti (kWh al giorno) i risparmi sono simili a quelli di gennaio. Durante i mesi estivi l’alta temperatura dell’ambiente elimina la necessità di riscaldare, riducendo così il poFigura 3 – Fabbisogno giornaliero di tenziale contributo solare. L’energia però può essere reindirizzata al riscaldamento dell’acqua per uso domeriscaldamento, apporto solare e non-solare calcolati ogni 15 del mese a Pechino. stico. Il risparmio annuo così ottenuto è di 650 kWh, l’8,5% della domanda totale.

Valutazione dei casi di studio I casi di studio di Pechino e Shanghai (vedasi pagina successiva) mostrano un risparmio energetico (riduzione della domanda di energia non-solare dovuta all’uso di pannelli solari) del 5-10% per il riscaldamento e fino al 50% per l’aria condizionata. L’alto risparmio per l’aria condizionata è dovuto al buon abbinamento dei cicli giornalieri per domanda e disponibilità di irraggiamento. Tuttavia, anche se il risparmio relativo al riscaldamento è più basso, in termini di kWh risparmiati è dello stesso ordine di quello ottenuto per l’aria condizionata attraverso il fotovoltaico. Poiché queste due componenti costituiscono in genere il 60 e il 20% del bilancio totale di energia operativa di un edificio residenziale, tali risparmi potrebbero ammontare

rispettivamente al 10 e 3% del totale di energia. Gli appartamenti presi in esame sono collocati in edifici residenziali con orari di occupazione quotidiana non sempre ben abbinati alla disponibilità di energia solare. Probabilmente lo sfruttamento dell’energia solare nel settore commerciale potrebbe comportare un risparmio energetico più elevato.

Ottimizzazione del posizionamento dei pannelli solari Si è osservato come la riduzione della domanda di picco potrebbe essere migliorata con il trasferimento tra gli appartamenti dell’energia elettrica in eccedenza. Analogamente potrebbero essere vantaggiosi anche trasferimenti di energia termica.

7,5 6 5,7

In un successivo lavoro è stato possibile affinare il processo di progettazione al fine di ottimizzare i parametri d’involucro dell’edificio e il dimensionamento dei pannelli su questo montati. Lo scopo della valutazione rimane sempre quello di identificare e massimizzare la frazione di energia non solare che viene eliminata grazie all’energia solare. La metodologia adottata ha previsto di migliorare la trasmittanza dei componenti d’involucro al fine di soddisfare completamente il fabbisogno energetico

#2

29


Case Study 2 SHANGHAI

Per studiare il contributo potenziale di energia solare, sia per il riscaldamento degli ambienti che per il loro condizionamento, sono stati scelti alcuni giorni sia nel mese di gennaio che in quello di luglio. Dopodiché, per la misurazione è stato utilizzato l’edificio tipo descritto in precedenza ma con le seguenti variazioni aggiuntive: t Pareti: vernice bianca. (In aggiunta alle proprietà termiche indicate nella tabella 1, l’albedo per questo tipo di superficie è di 0,7). t Vetri: singoli t Pannelli solari: inclinazione = 31° (=latitudine); funzione combinata; solare termico (calore di recupero di efficienza = 40%) + fotovoltaico (Efficienza di conversione elettrico = 15%). t EER dei condizionatori = 2.

Appartamento

Power (W)

Caratteristiche climatiche del sito La città di Shanghai (31° N) è situata nella “transition zone”, regione che coincide con il bacino idrografico del fiume Chang Jiang (Yangtze). È caratterizzata da una domanda di raffrescamento in estate e di riscaldamento in inverno. Le temperature in genere vanno dai 5°C dei mesi invernali ai 25°C o più in estate. I requisiti di controllo della temperatura sono quindi meno rigorosi rispetto al caso precedente, anche se i problemi impiantistici sono resi più complessi dalla necessità per l’impianto di lavorare per la produzione di caldo e freddo. In inverno, il sole raggiunge la massima altezza di 35,5°C a mezzogiorno del 21 dicembre. L’ombreggiatura delle finestre sarà significativa, ma i pannelli solari posti ad un livello più alto non faranno molta ombra a quelli sottostanti. In estate invece, quando il sole passa quasi allo zenit, ci sarà un’ombreggiatura quasi totale sulle finestre per metà della giornata riducendo i carichi per raffreddamento. Risparmi assoluti inferiori con clima mite I risultati di Shanghai sono simili a quelli ottenuti a Pechino. Il ciclo quotidiano mostra infatti le stesse tendenze, ma ridimensionate a causa del clima più mite. Dalla figura 4 inoltre è possibile notare che l’energia solare, nelle primissime ore del mattino, è in grado di coprire la richiesta di riscaldamento, incluso il recupero da raffreddamento causato dallo spegnimento del sistema durante la notte. Nonostante un maggiore periodo di irraggiamento solare il risparmio energetico per i quattro appartamenti, in termini assoluti (kWh al giorno), risulta essere minore rispetto a Pechino. Tuttavia, questi risparmi sono più elevati in termini percentuali (Tabella 4), coprendo una quota che può raggiungere anche il 10% della domanda di riscaldamento. Il calore in eccesso può essere utilizzato per il riscaldamento domestico dell’acqua calda. Anche le variazioni annuali, come mostrato in fig. 5, sono simili a quelle di Pechino. I risparmi energetici possono raggiungere i 3 kWh al giorno (febbraio), con una riduzione percentuale del 30% (maggio). Il risparmio energetico annuale è di 460 kWh, ovvero il 15%.

6000 5000 4000 3000 2000 1000 0 0

6

18

24

Time (24 hour) Sensible heating

Solar thermal power

Non-solar power

Figura 4 – Fabbisogno di riscaldamento, apporti solari e non-solari per una facciata esposta a sud a Shanghai (latitudine 31°N), il 15 gennaio.

Riscaldamento Energia solare Domanda energia Riduzione della domanda di energia non-solare giornaliero termica giornaliera non-solare kWh % (kWh) (kWh) (kWh)

NE

21

10

20

1

9,5

SE

20

25

18

2

10

SW

23

25

21

2

8,7

NO

26

10

25

1

4

Tabella 4 – Riscaldamento giornaliero, energia solare e conseguente riduzione della domanda di energia non solare per i 4 appartamenti di Shanghai

Appartamento

Raffescamento giornaliero (kWh)

Energia solare giornaliera (kWh)

NE

2,0

7,9

Power (W)

Figura 5 – Fabbisogno giornaliero di riscaldamento, apporti solari e non-solari calcolati ogni 15 del mese a Shanghai.

Copertura del fabbisogno estivo Come indicato in precedenza, i pannelli previsti per il caso di Shanghai presentano una funzione combinata PVT. Uno degli aspetti che si voleva verificare era se il tipo di installazione suggerito comportasse degli ombreggiamenti sul pannello posizionato al piano inferiore. Nonostante una notevole altezza solare non si verificano fenomeni di ombreggiamento particolarmente significativi. La figura 6 mostra che l’energia fotovoltaica totale continua ad essere utilizzabile anche durante il pomeriggio, nel momento in cui inizia la necessità di raffrescamento. La domanda di condizionamento risulta poi essere bassa, a causa della bassa temperatura interna, e non supera per gran parte della giornata l’energia messa a disposizione dai pannelli solari. L’energia utilizzata per il raffrescamento estivo, misurata in data 15 luglio, viene mostrata, per l’appartamento esposto a sud-est, in fig. 6, mentre in tabella 5 vengono mostrati i risultati di tutti e quattro gli appartamenti situati al piano. Il trend annuale, mostrato in fig. 7, dimostra che l’energia solare disponibile è superiore alla domanda di aria condizionata per tutto l’anno. Di conseguenza, la riduzione annua della domanda di energia non-solare è del 55%.

3000 2500 2000 1500 1000 500 0 0

Air conditioning demand

18

24

Solar PV power

Non-solar demand

Domanda energia Riduzione della domanda di energia non-solare non-solare kWh % (kWh) 1,6

0,4

20

SE

2,8

10,9

1,3

1,5

54

6,6

10,9

3,6

3,0

45

NO

3,2

7,9

1,6

1,6

50

#2

12

Figura 6 – Carico di raffreddamento, energia fotovoltaica e energia non-solare per una facciata esposta a sud, a Shanghai (latitudine 31°N), il 15 luglio.

SW

attraverso l’energia solare. Questo è avvenuto riducendo i carichi di raffreddamento attraverso schermature e di riscaldamento, massi-

6

Time (24 hour)

Tabella 5 – Raffrescamento giornaliero, energia solare e conseguente riduzione della domanda di energia non solare per i 4 appartamenti di Shanghai

30

12

mizzando i guadagni solari gratuiti. Nei modelli precedentemente studiati, si è ipotizzato che l’energia termica prodotta dai pannelli solari contribuisse in via diretta al riscaldamento de-

Figura 7 – Fabbisogno giornaliero di aria condizionata, apporti solari e non-solari calcolati ogni 15 del mese a Shanghai.

gli ambienti. Nell’ottimizzazione è stata invece valutata la produzione di elettricità da pannelli solari fotovoltaici con cui alimentare pompe di calore. Venendo ai sistemi solari attivi (termici e fo-


6000

Annual insolation (MJ)

5000 4000 3000 2000 1000 0 0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

Tilt (degrees) South facing

East/west facing

Figura 8 – Insolazione annuale ad Haerbin (latitudine 46°N)

510% Risparmio energetico per riscaldamento Riduzione della domanda di energia nonsolare dovuta all’uso di pannelli solari 50% Risparmio energetico per l’aria condizionata ORIENTAMENTO SUD Coincidenza dei cicli giornalieri per domanda energetica elettrica e disponibilità di irraggiamento ORIENTAMENTO EST E OVEST Produzione solare termico in fase con fabbisogni mattutini e serali

6000

Località Annual Insolation (MJ/m2)

5000 4000

Dimensione Dimensione del del campo FV campo FV (facciata (facciata sud) est/ovest)

Hearbin – 46°N

12

2

Pechino – 40°N

8

0

3000

Dalian – 38°N

10

0

2000

Shanghai – 31°N

12

0

Chongquing – 29° N

12

0

Honk Kong – 22°N

10

0

1000 0 0

10

20

30

40

50

60

70

80

Tilt (degrees) South facing

East/west facing

Figura 9 – Irraggiamento annuale ad Hong Kong (latitudine 22°N)

tovoltaici) l’ottimizzazione ha comportato non solo la valutazione sulle superfici installate ma anche sul posizionamento ottimale con l’intento di far coincidere la domanda (potenza elettrica per riscaldamento/raffreddamento) e l’offerta (produzione di energia da fotovoltaico). Sotto questo aspetto i fattori presi in considerazione sono: l’inclinazione, la superficie installata e l’esposizione. Definire l’angolo d’inclinazione Per un pannello esposto a sud, un semplice calcolo mostra che l’inclinazione ottimale per la massima insolazione annuale è uguale a quella della latitudine. Risultati differenti emergono per le esposizioni est e ovest, ma ragioni di carattere estetico suggeriscono di mantenere la medesima inclinazione su tutti i prospetti dell’edificio. In Fig.8 viene mostrata l’insolazione annua (con cielo sereno) dei pannelli solari esposti sia a sud che a est /ovest ad Haerbin (latitudine = 46°N). L’insolazione massima per i pannelli esposti a sud si verifica in un intervallo di inclinazione che varia dai 36° ai 42°, mentre per i pannelli esposti a est/ ovest varia tra i 37° e i 44°. I pannelli con una inclinazione tra i 36° e i 42° riceveranno un’insolazione ottimale per tutti e tre gli orientamenti. Risultati simili anche per il caso di Hong Kong (latitudine = 22°N), mostrato in fig. 9. L’inclinazione ottimale per i pannelli esposti a sud è di 24°-31° e di 31°39° per quelli ad est / ovest. Quindi 31° è l’inclinazione ottimale dei pannelli su tutti e tre gli orientamenti. Coniugare produzione e richiesta energetica

90

Tabella 5 – Dimensioni dei pannelli solari. Nuovi pannelli solari termici possono essere installati sulle pareti est e ovest. Quelli esposti a est fornirebbero calore al mattino, per il riavvio dell’impianto ma anche per la produzione di ACS. Quelli esposti a ovest fornirebbero riscaldamento e ACS durante la serata.

Un impianto fotovoltaico esposto a sud riceve il massimo irraggiamento tra metà mattina e il tardo pomeriggio, ossia quando il sole è più alto e la domanda di condizionamento è maggiore. È questo un chiaro esempio di coincidenza temporale tra produzione e richiesta energetica. Il passo successivo vuole comparare la generazione di elettricità con la domanda elettrica anche per le altre esposizioni e definire una certa quantità di superficie installata che possa soddisfare in termini di quantità i carichi di riscaldamento/raffrescamento. In Fig.10 vengono mostrati i risultati della simulazione in merito alle superfici necessarie per l’edificio tipo situato a Dalian (38°N). Nella esposizione sud una superficie di 10 m risulta sufficiente per compensare i carichi su ciclo annuale. Se l’edificio fosse a Herbin (46°N), sarebbero invece necessari 14 m. In questo caso però, poiché il marcapiano a disposizione è di 12 m i pannelli supplementari dovrebbero essere collocati sulle esposizioni est e ovest. Simili calcoli eseguiti anche per altre località dimostrano come una superficie di 8-12 m sia sufficiente per compensare la domanda di energia elettrica per il funzionamento di una pompa di calore su ciclo annuale. Posizionando il campo fotovoltaico sul fronte sud rimane ampia superficie disponibile per i collettori solari termici sugli orientamenti est e ovest, dimostratisi in precedenza indicati per coprire la domanda di picco per ACS al mattino e alla sera.

Bibliografia [1] D. Johnston, Solar energy systems installed on Chinese-style buildings, Energy and Buildings 39 (2007) 385–392. [2] D. Johnston, C. Johnston, K. Johnston, Solar panels installed on buildings to emulate the traditional Chinese architectural style, Patent application GB 2427209A (2005). [3] CAPB, Building Energy Standards and Codes, 2002 http://www. china-building.com.cn/. [4] JGJ 26-95, Energy conservation design standard for new heating residential buildings, July 1, 1996. [5] Li C., Thermal factors research on buildings in Beijing, China. [6] EnergyPlus Weather Data, 2007 (Source: Solar and Wind Energy Resource Avail-ability), http://www.eere.energy.gov/buildings/ energyplus/cfm/weather_data.cfm. [7] G.N. Tiwari, Solar Energy: Fundamentals, Design, Modelling and Applications, Alpha Science, 2002. [8] J. Kreider, Handbook of Heating, Ventilation and Air Conditioning, CRC Press, 2001. [9] K.L. Uemoto, N.M.N. Sato, P. Ikematsu, V.M. John, Estimating performance of cool coloured paints, in: Proceedings of the Conference on Building Energy and Environment, Dalian, 2008, T09-41.

Conclusioni L’installazione di pannelli solari nella modalità proposta influenza le performance solari dell’edificio, sia quelle passive dell’involucro che quelle dei sistemi attivi. L’ombreggiatura prodotta dai marcapiani sporgenti riduce l’irraggiamento sulle finestre e sui muri sottostanti, abbattendo la domanda di raffrescamento in climi caldi. L’installazione di pannelli fotovoltaici sull’orientamento sud dell’edificio mette in fase la produzione e la domanda di energia per la climatizzazione estiva realizzata con pompe di calore invertibili. Questo approccio, inoltre, lascia disponibili superfici per i collettori solari termici sui prospetti est e ovest che vedrebbero anch’essi una produzione in fase con la domanda mattutina e seraledi ACS. * School of Engineering, Northumbria University, Newcastle, United Kingdom

#2

31


PROGETTI

Il progetto

DNA Rinnovabile La riqualificazione energetica di un complesso produttivo ha puntato ad una completa integrazione di fonti rinnovabili nell’involucro e negli impianti a cura della redazione

L

sono disseminate di architetture industriali dalla scarsa cifra estetica e da livelli di comfort e di prestazione energetica modesti. Abbattere e ricostruire l’enorme patrimonio edilizio esistente, seppur suggerito da più parti, potrebbe causare gravi danni all’ambiente. Si può e si deve migliorare quanto si ha a disposizione. È quanto avvenuto nel caso della riconversione di un fabbricato industriale, precedentemente destinato a logistica, che oggi, completamente riqualificato dal punto di vista estetico ed energetico, ospita la filiale italiana di una multinazionale del settore componenti per l’involucro e sistemi solari e costituisce un ambiente di lavoro confortevole per i dipendenti e un case study applicativo della vasta produzione dell’azienda. E PERIFERIE DELLE GRANDI CITTÀ

Descrizione del fabbricato L’edificio è costituito da due corpi di fabbrica collegati da una passerella. Il corpo di fabbrica di più recente costruzione è stato concepito con due zone d’uso differenti: la zona nord-ovest, ad unico volume, destinata a show room e le zone sud e sud-ovest, che si sviluppano su tre piani, destinate ad uso uffici e sala conferenze. L’altro corpo di fabbrica, di recente ristrutturazione, vede una zona dedicata alla ristorazione (piano terra zona sud-ovest) e le restanti zone dedicate ad uffici. La superficie utile climatizzata del complesso edilizio di cui si tratta, servita dagli impianti centralizzati, è di circa 3.950 m². Sul

secondo edificio si attestano i capannoni che attualmente hanno subito un intervento di ripristino limitato e non fanno capo al sistema edificio-impianto oggetto della costruzione-riqualificazione esemplare di cui si tratta ma che è stato comunque utilizzato, data la sua ampia superficie di copertura, per l’installazione di un impianto fotovoltaico. Uno dei fattori chiave di questo successo è stata la creazione di un involucro con ampie super-

FACCIATA VETRATA A NASTRO. La struttura della passerella di collegamento è suddivisa orizzontalmente in tre fasce, di cui quelle esterne a pannelli ciechi e quella centrale in vetrocamera. Esternamente alla struttura sono state applicate pale frangisole fisse orizzontali da 300 mm, agganciate in corrispondenza di ogni montante con appositi supporti integrati sulla copertina esterna.

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#2


fici vetrate correttamente orientate, isolate termicamente e dotate di schermature solari esterne. Per i fronti rivolti a sud e a est, la scelta è ricaduta sulla facciata sviluppata dalla stessa azienda. Per quanto riguarda invece la parte impiantistica di produzione energetica da fonti rinnovabili sono stati inseriti un impianto di solar cooling da 15 kW, un impianto geotermico a set-

RENEWABLE DNA

The new complex started by making use of an existing prefabricated building dating from the Nineties, next to which an office block has been built from scratch. The project shows it is possible to make industrial architecture functional and technologically avant-garde. The energy feeding the new building is clean. Heated by thermal solar installations, cooled by a system of solar cooling, made self-sufficient by energy from photovoltaic panels on roof and walls. Inside the building were created spaces for socializing, prompting exchange of experience and to promote the cross-ventilation. It was considered essential also creating an outer shell with broad glazed surfaces that were correctly oriented, properly insulated thermally and shielded from the sun on the outside. Keyword: Schüco, renewable energies, solar cooling, BIPV, shading, GSHP.

SPECIALIZZAZIONE PER L’INVOLUCRO Come già da tempo avviene in altri paesi, in questi anni anche in Italia si inizia ad intravvedere la figura di un esperto in involucri edilizi che riesca a curare gli interessi del committente ponendosi al servizio sia del serramentista e dell’impresa di costruzioni che degli architetti. Proprio con quest’ottica di collaborazione è stata progettata la facciata E². Realizzata su una struttura a montanti e traversi isolata termicamente, la facciata si caratterizza per il suo disegno, ottenuto grazie alla complanarità dell’intero sistema e all’allineamento dei telai delle finestrature alla struttura. Le componenti tecnologiche sono nascoste nei montanti della facciata, completamente automatizzata grazie ai meccanismi di azionamento collegati ai sistemi di controllo dell’edificio. Le finestre installate, del tipo ad apertura parallela, oltre alla gradevolezza estetica data dall’inserimento a scomparsa nella struttura della facciata, presentano una buona efficacia sotto il profilo della ventilazione naturale degli ambienti.

L’apertura a tutta altezza che si ottiene lungo l’intero perimetro degli elementi consente l’ingresso dell’aria esterna attraverso la parte inferiore e al tempo stesso la fuoriuscita dell’aria viziata dalla parte superiore della finestra.

QUALITÀ DELL’AMBIENTE INTERNO Oltre ai moderni sistemi rinnovabili installati all’interno dello stabile, nella riqualificazione non è stata tralasciata la qualità dell’ambiente interno, parametro sempre più importante nelle valutazioni di performance di un edificio, e per la produttività degli occupanti (UNI EN 15251). Sono stati creati ambienti luminosi e ampi che configurano vere e proprie “piazze” aperte o rivolte all’esterno, come lo spazio ristorante o il giardino centrale. Aree create per socializzare e favorire lo scambio di opinioni.

DIVISIONE INTERNA. Il volume della sala riunioni al primo piano si sovrappone parzialmente alla reception su pilotis e ne definisce la percezione, sezionando l’ambiente in maniera concreta e percettiva nelle due parti a diversa altezza.

#2

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CONTROLLARE Lâ&#x20AC;&#x2122;EFFICIENZA DEL SISTEMA EDIFICIOď&#x161;şIMPIANTO Nei vecchi edifici, le esigenze di comfort, illuminazione e qualitĂ  dellâ&#x20AC;&#x2122;aria portano a fabbisogni energetici tendenzialmente elevati. Per contrastare questa tendenza, negli ultimi anni, si sono diffusi modelli numerici di valutazione dinamica del comportamento termico ed energetico del sistema edificioimpianto, mediante specifici software utili per valutazione e analisi di sensitivitĂ  per diverse possibili soluzioni. La verifica e il mantenimento delle condizioni richieste deve essere oggetto di accurati monitoraggi: gli attuali sistemi di building Management System (bMS), oltre alle azioni di regolazione e supervisione degli impianti, possono dare le informazioni necessarie a verificare la rispondenza delle previsioni nella realtĂ  e permettono di ottimizzare le attivitĂ  manutentive ed ispettive, con una riduzione dei costi di gestione e la conservazione degli impianti installati. Altro elemento di fondamentale importanza ai fini del contenimento del consumo energetico e dellâ&#x20AC;&#x2122;ottimizzazione dei sistemi applicati è lâ&#x20AC;&#x2122;impianto di automazione sviluppato per lâ&#x20AC;&#x2122;edificio, grazie al quale è possibile il controllo dellâ&#x20AC;&#x2122;intero involucro e di alcune zone interne. Si tratta di un impianto realizzato in modalitĂ  bus con tecnologia Konnex (KNX/Eib), soluzione aperta che garantisce lâ&#x20AC;&#x2122;interoperabilitĂ  tra dispositivi di differenti produttori. Cuore della gestione automatica delle schermature solari esterne è la centralina di protezione solare, in grado di gestire centralmente tutti i principali programmi automatizzati.

Integrazione possibile TRA VECCHIO E NUOVO. Lâ&#x20AC;&#x2122;assenza di elementi significativi di dialogo ha determinato scelte progettuali â&#x20AC;&#x153;introverseâ&#x20AC;? in cui le varie parti costruite hanno il loro fulcro nello spazio a verde ricavato tra il nuovo corpo direzionale/espositivo e il capannone esistente, schermato da un lungo muro curvo in calcestruzzo armato che si contrappone agli spazi espositivi a doppia altezza.

te sonde supportato da pannelli solari da 10 kW di potenza e infine un impianto fotovoltaico sul tetto da circa 600 kWp. Cuore della gestione automatica dellâ&#x20AC;&#x2122;edificio è la centralina di protezione solare che implementa varie funzioni: gestione indipendente di 8 settori con orientamenti differenti; automa-

tismo di ombreggiamento con inseguimento del sole; protezione della schermatura (automatismo vento, pioggia e gelo); programma di chiu9B9F;M79FH=^75H=CBH<9F98I7H=CB 2)6+=)*C'-)2'= sura automatica serale; funzioni di blocco per la C:9B9F;MF9EI=F9A9BHG:CF %2(%44)%6%2') F9:IF6=G<A9BHC:H<99L=GH=B; 731)-28)6)78-2+ pulizia in sicurezza; monitoraggio del bus KNX. 6I=@8=B;5F9D5FH=7I@5F@MKCFH<M C:BCH9 =;IF9G<CKGH<9 D9F:CFA5B79C:H<=GDCFH=CBC: H<97CAD@9L9L=GH=B;6I=@8=B;  "95H=B;F9EI=F9A9BHG8FCD:FCA 

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Ad ogni fronte la sua facciata La simulazione dinamica effetGH=@@DFCJ=8=B;9L79@@9BH=B8CCF tuata con DesignBuilder ha con=@@IA=B5H=CB5B8@9HH=B;D9CD@9=B H<96I=@8=B;G99CIHG=895B;@9C: sentito di associare a ciascun fronte H<9GIB X5B8GC@5F:57HCFC:H<9 ;@5GG;



dellâ&#x20AC;&#x2122;edificio il componente dâ&#x20AC;&#x2122;involu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â&#x20AC;&#x2122;90, in cui lâ&#x20AC;&#x2122;unica preoccupazione era avere ampie superfici a disposizione. Ora, quello che sembrava essere poco piĂš di un )LJXUH$QQXDOHQHUJ\FRQVXPSWLRQ magazzino insediato in unâ&#x20AC;&#x2122;area di oltre 31.000 m², attraverso applicazioni energeticamente efficienti e allâ&#x20AC;&#x2122;avanguardia, è IRUKHDWLQJDQGFRROLQJEHIRUHDQGDIWHU HQHUJ\UHTXDOLĂ&#x2030;FDWLRQ stato trasformato in un moderno edificio, a cui è stata inoltre affiancata una palazzina uffici di nuova realizzazione.

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#2

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Il fabbisogno termico per riscaldamento passa da 99.800 kWh a 45.800 kWh, con una riduzione del 54%, e il fabbisogno frigorifero per il raffrescamento passa da 66.600 kWh a 32.600 kWh, con una riduzione del 51%.

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A=7FC @CIJF9GH<5H7@CG9K<9B H<9H<F9G<C@8C:=FF58=5H=CB=G 9L799898CBH<99LH9FB5@GIF:579G   1 A=BGIAA9F5B8 

1 A=BK=BH9F=GD5FH=7I@5F@M =BBCJ5H=J9 'CF9CJ9F=BK=BH9F H<9A=7FC @CIJF9G<58=B;GMGH9A 8C9GBCH:I@@M7@CG96IH@9HG=B GIB@=;<HIDHC5<9=;<HC:FCI;<@M  7A:FCA_CCF@9J9@9LD@C=H=B; GC@5F9B9F;MK=H<CIH75IG=B; 5BBCM=B;;@5F9

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5LVFDOGDPHQWR Heating

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NUOVI UFFICI. Pareti vetrate continue sul fronte principale, incastonate da una cornice di rivestimento a lastre in conglomerato di resina e fibra di legno. Nella facciata sud, parete vetrata che evidenzia lâ&#x20AC;&#x2122;applicazione di sistemi fotovoltaici avanzati, di sistemi complessi per il controllo automatizzato per il benessere climatico, oltre alla protezione dallâ&#x20AC;&#x2122;irraggiamento solare e alla gestione dei valori ambientali interni allâ&#x20AC;&#x2122;edificio.


cro piĂš adatto a garantire il benessere visivo e termico degli occupanti. La maggior parte dei fronti est e sud sono rivestiti con una facciata dotata di schermature mobili ester-

ne. Questa è realizzata da una struttura a montanti e traversi ad elevato isolamento termico. Le finestre installate, ad apertura parallela, presentano unâ&#x20AC;&#x2122;elevata efficacia sotto il profilo della ventilazione naturale degli ambienti.

Una lunga facciata vetrata a nastro ad altezza variabile, anchâ&#x20AC;&#x2122;essa realizzata con il sistema a montanti e traversi, fascia il fronte nord e il piano terreno sui fronti est e sud (in parte) della nuova palazzina e costituisce lâ&#x20AC;&#x2122;involucro esterno di re-

ANALISI DEI SISTEMI SCHERMANTI Il sistema di finestratura delle facciate sud-est e sud-ovest, con vetrate a tutta altezza è munito di una particolare schermatura esterna mobile costituita da microlamelle di alluminio (facciata E² con aperture parallele PAF e schermature CTB). La schermatura solare a micro-lamelle in alluminio è inserita a scomparsa nella zona marcapiano, rimanendo complanare al resto del sistema. Grazie alla configurazione delle lamelle, la tenda associa ombreggiatura e trasparenza consentendo a chi si trova allâ&#x20AC;&#x2122;interno di fruire della vista esterna ed evitando, al tempo stesso, durante le ore diurne il ricorso allâ&#x20AC;&#x2122;illuminazione artificiale. Caratteristiche prestazionali Il complesso costituito da vetro e schermo esterno ha un fattore solare, misurato dallâ&#x20AC;&#x2122;iFt di Rosenheim, pari a 0,07 che riesce a mantenere un buon livello di luminositĂ  interna e consente la visione verso lâ&#x20AC;&#x2122;esterno (altezza del sole 20° e fattore solare del vetro g = 0,6). La trasmittanza complessiva (vetro e profili) è pari 1,5 W/(m²K). Da menzionare anche il sistema di controllo delle microlamelle frangisole che vengono abbassate al superamento di un valore di soglia dellâ&#x20AC;&#x2122;irraggiamento sulla superficie esterna, scelto pari a 120 W/m² durante lâ&#x20AC;&#x2122;estate e 200 W/m² durante lâ&#x20AC;&#x2122;inverno; inoltre, durante la stagione invernale, lo schermo a microlamelle non viene abbassato totalmente. Lascia libero ingresso alla radiazione solare per unâ&#x20AC;&#x2122;altezza di circa 70-100 cm dal pavimento, sfruttando lâ&#x20AC;&#x2122;energia solare senza dare abbagliamento agli utenti. Altra conseguenza derivante dallâ&#x20AC;&#x2122;uso della facciata è la riduzione della sua temperatura superficiale interna, rispetto a quella che si avrebbe in assenza di schermi Effetto delle microlamelle APERTURA A PANTOGRAFO. Meccanismo di apertura dei serramenti, a movimento orizzontale a pantografo verso lâ&#x20AC;&#x2122;esterno, che consente di realizzare una sezione di G=AI@5N=CB=9::9HHI5H9B9@@5:5G9 =B5GG9BN58=G7<9FA==B^;IF5 passaggio attorno allâ&#x20AC;&#x2122;anta, pur rispettando i vincoli normativi di sicurezza riguardo DFC;9HHI5@9<5BBC7CBG9BH=HC S9J=89BN=5HC@]5B85A9BHC89@@5 alla8=J9F=^75F99CHH=A=NN5F9 massima larghezza (10 cm). Questa soluzione si presta particolarmente alla H9AD9F5HIF5F58=5BH9B9@@CGH9GGC realizzazione di sistemi di ventilazione naturale5A6=9BH95G9;I=HC89@@5DF9G9BN5 o ibrida, il cui funzionamento può =J5BH5;;=9B9F;9H=7=89@@5 essere facilmente controllato mediante la motorizzazione del meccanismo di apertura. GC@IN=CB9DF9G79@H5&5H9B89BN5 89;@=G7<9FA=-7<W7C.S85 89@@]5F7<=H9HHIF5J9FGCIBA5;;=CF 7CBH5HHCHF5@]5A6=9BH9=BH9FBC 9=@ACB8C9GH9FBCHFCJ5=B EI9GH9H97BC@C;=9IBCGHFIA9BHC 589;I5HC8CDC@9BIA9FCG9 9GD9F=9BN989@I89BH= 89;@=5BB=] 9]

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Andamento degli apporti solari in un ambiente rappresentativo dellâ&#x20AC;&#x2122;edificio (ufficio di medie dimensioni avente una superficie )LJXUD&RQIURQWRWUDJOLDSSRUWLVRODUL utile in pianta di 45 m² e una superficie vetrata di 21 m², quindi LQDVVHQ]DHLQSUHVHQ]DGLODPHOOH con un elevato rapporto aeroilluminante) in presenza o in assenza IUDQJLVROH6FKžFR&7% delle microlamelle frangisole. Ă&#x2C6; evidente il divario che si crea tra la soluzione con e senza schermatura, ma è notevole soprattutto il basso )LJXUH&RPSDULVRQRIVRODU valore di picco pari a circa 6,5 W/m² in presenza delle microlamelle. LUUDGLDWLRQZLWKDQZLWKRXWWKH 6FKžFR&7%VXQEOLQGPLFURORXYUHV

F95@=NN5HCIB=AD=5BHCGC@5F9 7CBH97BC@C;=55G=@=7=C5ACF:C :CHCJC@H5=7C7CGH=HI=HC85  =B^@AGCHH=@97<9D9FA9HH9 D5BB9@@=D9FIB5DCH9BN=5@=HP 8=5;;=IB;9F95=G9FF5A9BH=8= 7CAD@9GG=J58=

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:CB85A9BH5@98=5D9FHIF9D9F -I@@5HCGI8 CJ9GHC@HF9 @]=@@IA=B5N=CB99@5J=G=6=@=HPG= 5@@5:577=5H5-7<W7C=B F5;;=IB;97CGTIB9@9J5HC;F58C 7CFF=GDCB89BN5585@7IB=@C75@= 8==BH9;F5N=CB9B9@@]=BJC@I7FC 89GH=B5H=5G5@9F=IB=CB9SGH5H5 98=@=N=C &5DF9G9BN589;@= F95@=NN5H5IB5:577=5H558CDD=5 9@9A9BH=:CHCJC@H5=7=7CGH=HI=H=85 Andamento della temperatura radiante nello stesso ambiente, D9@@989G7F=HH5B9@@5G7<985 D=77C@=9@9A9BH=EI58F5H=8=GDCGH= a seguito della presenza degli schermi CTB. Ă&#x2C6; da osservare H97B=75898=75H5GI@@57I= che lâ&#x20AC;&#x2122;eventuale presenza di5;F=;@=5F95@=NN5IB:5HHCF98= schermi interni, ancorchĂŠ utile per GID9F^7=99GH9FB5SDF9G9BH9IB 7CD9FHIF589@@5GID9F^7=9J9HF5H5 ridurre lâ&#x20AC;&#x2122;abbagliamento, può indurre una temperatura media D5FH=7C@5F9=AD=5BHC:CHCJC@H5=7C D5F=5 97=CBCBCGH5BH9 radiante piĂš elevata a causa del surriscaldamento dello schermo

stesso dovuto alla radiazione solare incidente su di esso.

#2

35


TRASMITTANZA TERMICA. La pelle interna ha un valore Uw=1,55 W/mk. La configurazione a doppia pelle garantisce un comportamento dinamico che in inverno, grazie al riscaldamento dell’aria dell’intercapedine, consente di ridurre le dispersioni termiche dal 10 al 30% in funzione del criterio secondo cui sono realizzate le zone di ingresso e uscita dell’aria.

SCHERMATURA SOLARE. Nell’intercapedine di circa 400 mm sono inserite schermature solari motorizzate a lamelle orientabili. comando automatizzato da centralina meteorologica o da pulsantiera a parete o da touch Screen Schüco. Facciata Sud a doppia pelle edificio nuovo – Sezione verticale 1- Canale di raccolta delle acque meteoriche formata da lamiere sagomate in alluminio 2- Griglia in lamelle di alluminio estruso per l’ingresso e l’uscita dell’aria, facciata a montanti e traversi Schüco FW60+, staffa in acciaio a L 375x170 mm di aggancio al solaio 3- Pannello fotovoltaico architettonico Schüco a silicio amorfo con quadrettatura 9x9 mm per garantire il 20% di trasmissione luminosa 4- Schermatura solare motorizzata a lamelle orientabili 5- Lamiera sagomata in alluminio di finitura 6- Vetrata continua formata da infissi in alluminio Schüco AWS 70 HI apribili a tutta altezza con vetrocamera basso emissivo Clima Guard 10/20/5+5 mm con plastico acustico 7- Griglia calpestabile in acciaio, profilo in acciaio a L di sostegno 8- Fascia marcapiano formata da lamiera sagomata in alluminio, strato isolante, pannello in cartongesso 12,5 mm, strato isolante, profilo in acciaio a L di contenimento del massetto

113 113

ception, sala riunioni, showroom e passerella di collegamento tra parte ristrutturata e parte nuova del complesso. Questa facciata, nella porzione relativa alla sala riunioni è dotata, sui prospetti Nord e Sud, di ante di ventilazione e di schermature oscuranti interne, realizzate con un telo tecnico il cui lato esterno, rivestito in alluminio, riesce a riflettere verso l’esterno parte dell’irraggiamento solare entrato attraverso il vetrocamera. Alcune bocchette di aspirazione collocate sul lato sud a livello del controsoffitto attivano un movimento dell’aria dal basso verso l’alto, evitando il surriscaldamento dell’intercapedine che potrebbe venire a crearsi sul quel fronte a teli abbassati.

36

#2

9- Pavimentazione in basalto 20 mm, strato di posa 60 mm, tappeto acustico, massetto in calcestruzzo alleggerito 110 mm, solaio in calcestruzzo armato 500 mm 10- Boiserie in legno di rovere 30 mm, doppio pannello in cartongesso 25 mm, telaio di supporto in profili di acciaio a C 50x30 mm 11- Tenda avvolgibile 12- Parete divisoria Nordwall in vetro temperato monolastra 12 mm con struttura in alluminio 13- Lamiera in alluminio, pannello in cartongesso 10 mm, strato isolante 30 mm, pannello in cartongesso 10 mm, lamiera in alluminio 14- Profilo in acciaio a sezione tubolare di controventamento 15- Controsoffitto in doghe di alluminio, telaio in profili di acciaio a C 40x20 mm appesi al solaio con ganci regolabili, pannello isolante 60 mm, solaio in calcestruzzo armato 200 mm 16- Rivestimento in pannelli fonoassorbenti Topakustik di Fantoni in MDF con finitura melaminica colore acero, doppio pannello in cartongesso 25 mm, strato isolante 75 mm, setto in calcestruzzo armato 250 mm


Doppia pelle fotovoltaica Elemento caratterizzante il prospetto sud del nuovo edificio è la facciata a doppia pelle con pianta ad U che si estende su due piani per unâ&#x20AC;&#x2122;altezza di circa 900 cm e sulla quale affacciano uffici al primo piano e sala del consiglio di Amministrazione al secondo. Unâ&#x20AC;&#x2122;unica intercapedine a tutta altezza, con griglie per lâ&#x20AC;&#x2122;ingresso e lâ&#x20AC;&#x2122;uscita dellâ&#x20AC;&#x2122;aria alla base e in sommitĂ , garantisce la ventilazione naturale. Le facciate esterne sono state

trattate diversamente a seconda del loro orientamento. Sui lati corti (est e ovest) sono inseriti infissi apribili a sporgere realizzati con vetro sigillato strutturalmente, mentre sul fronte sud sono inseriti moduli fotovoltaici architettonici a film sottile amorfo. La trasmissione luminosa garantita da questi moduli, che fanno entrare il 20% di luce, è pari a quella ottenuta sulla facciata dinamica con la schermatura solare mobile; garantisce quindi unâ&#x20AC;&#x2122;ottimale illuminazione naturale e al tempo stesso consente visibilitĂ  dallâ&#x20AC;&#x2122;interno verso lâ&#x20AC;&#x2122;esterno (fattore solare non superiore a 0,18). Lâ&#x20AC;&#x2122;intercapedine è ispezionabile esclusivamente dallâ&#x20AC;&#x2122;interno. La pelle interna della doppia

parete, necessariamente apribile, è stata realizzata con un doppio nastro di infissi apribili a tutta altezza. Una schermatura solare a lamelle da 35 mm posta nellâ&#x20AC;&#x2122;intercapedine e collegata alla stazione meteorologica garantisce una corretta gestione in funzione dellâ&#x20AC;&#x2122;irraggiamento solare.

Climatizzare con fonti rinnovabili Gli impianti a servizio dellâ&#x20AC;&#x2122;edificio sono tutti alimentati da fonti rinnovabili, sia per la climatizzazione invernale, attraverso una pompa di calore, che per quella estiva, con il solar cooling. La pompa di calore geotermica a ciclo annuale è supportata da un impianto solare per il ri-

POMPA DI CALORE. La pompa di calore ha una potenzialità di 17 kW ed è supportata da sistemi solari specifici per questa applicazione che, pur lavorando a bassa temperatura, non soffrono della formazione di condensa.

PRODURRE ENERGIA. Lâ&#x20AC;&#x2122;edificio viene climatizzato attraverso impianti solari termici, pompa di calore con sonde geotermiche e con un sistema di solar cooling

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'5B85H5DF=B7=D5@9=AD=5BHC5D5J=A9BHC -9F65HC=C=B9FN=5@9=AD=5BHC5D5J=A9BHC <=@@9F585GGCF6=A9BHC 77IAI@C75@8CD9F5GGCF6=HCF9 -H5N=CB98=HF5G:9F=A9BHCD9F;F5B8==AD=5BH= -H5N=CB9GC@5F9 77IAI@C7CA6=B5HC #8F5I@=75DCAD58=75@CF9 *CAD58=75@CF9 -CB89;9CH9FA=7<9 C@@9HHCF=GC@5F=D=5B= GIDDCFHCDCAD58=75@CF9 C@@9HHCF=GC@5F=H9FA=7= 5@=A9BH5N=CB95GGCF6=HCF9 .CFF99J5DCF5H=J5 C@@9HHCF9DF=B7=D5@9 =F7I=HCD9F=BH9;F5N=CB975@8C :F988C

                                   

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SOLARE E GEOTERMICO. Schema degli impianti di solar cooling e pompa di calore geotermica 120

121

#2

37


RAFFRESCAMENTO SOLARE Durante l’estate, la pompa di calore produce solo acqua calda sanitaria. Viene attivato il secondo gruppo, ossia il solar cooling, per raffreddare il serbatoio inerziale in supporto al sistema di raffrescamento a pavimento. Fonte di energia per il Solar cooling è un serbatoio da 2000 litri riscaldato da 18 collettori solari. Questi sono di tipo piano, ma hanno prestazioni paragonabili a quelle dei più comuni tubi sottovuoto perché, grazie al vetrocamera anteriore riempito con Argon, aumentano sensibilmente le prestazioni alle temperature di lavoro richieste dall’assorbitore, riducendone le dispersioni termiche. Il calore dei collettori è trasferito all’accumulo caldo da una stazione di scambio per grandi impianti che ne riscalda in modo indipendente la parte superiore ed inferiore, favorendo la stratificazione, che alimenta il refrigeratore ad assorbimento, cuore del sistema solar cooling. Il refrigeratore si attiva quando l’accumulo raggiunge una temperatura di ca. 75°C.

scaldamento invernale e la produzione di acqua calda sanitaria per gli uffici dell’ala nuova. Questa è abbinata a sette sonde verticali profonde 80 metri composte da tubi accoppiati DN32. Tale calore a bassa temperatura (12°c circa) è sfruttato per il riscaldamento e la produzione di acqua calda sanitaria tramite un ciclo a compressione di vapore ad alta efficienza. L’impianto di riscal-

38

#2

damento delle sale mostra e reception è di tipo a pavimento; tra questo e la pompa di calore è interposto un serbatoio inerziale che fa fronte alle discontinue necessità del sistema di riscaldamento. Alla pompa di calore è abbinato un accumulo combinato tank-in-tank da 900 litri, la cui parte superiore serve alla produzione di acqua calda sanitaria, mentre la parte inferiore è di supporto alla pompa di calore durante la fase di riscaldamento. Se c’è sole a sufficienza, le temperature raggiunte dalla parte inferiore dell’accumulo

consentono di sostituire la pompa di calore per il riscaldamento del serbatoio inerziale. Il sistema solare a servizio dell’accumulo combinato può anche riscaldare parzialmente il fluido proveniente dalle sonde geotermiche, contribuendo indirettamente a fornire maggiore energia alla pompa di calore. Cuore del Solar cooling, sistema di raffrescamento solare, è un chiller ad assorbimento da 15 kW frigoriferi. Il ciclo termodinamico è operato da una soluzione LiBr-acqua, in cui quest’ultima funge da fluido refrigerante. Il ciclo termodinamico opera a pressioni molto basse creando le condizioni ideali di lavoro per l’acqua, che attiva un ciclo evaporazione/condensazione simile a quello di un comune condizionatore domestico. L’assenza di componenti meccaniche in movimento, fatta eccezione per tre piccole pompe di circolazione, rende il sistema molto silenzioso

COMMITTENTE

Schüco international italia s.r.l., Padova

PROGETTO ARCHITETTONICO, DIREZIONE LAVORI GENERALE E INTERIOR DESIGN

B+B Associati Studio di Architettura, Renato Bredariol, Marco Bonariol

ANALISI ENERGETICA

Prof. Roberto Zecchin – TiFS Manes

PROGETTO IMPIANTI MECCANICI

Termoproject s.a.s., Luciano Callegaro

PRESTAZIONE ENERGETICA GLOBALE

Classe energetica A – 8,44 kWh/m³ anno – Limite di legge 16,91 kWh/m³ anno

SUPERFICIE AREA

31.401 m²

SUPERFICIE UTILE COMPLESSIVA

20.962 m²

SUPERFICIE UFFICI

4.200 m²


e affidabile. Una pompa del vuoto mantiene la depressione necessaria al corretto funzionamento dellâ&#x20AC;&#x2122;assorbitore e si attiva saltuariamente in orari programmabili. La torre evaporativa a flusso verticale

ha potenza sufficiente a smaltire il calore sottratto allâ&#x20AC;&#x2122;acqua refrigerata sommato al calore fornito dai 18 collettori. Un sistema di back-up, che integra il calore prodotto dai pannelli solari tramite una caldaia, consente un funzionamento continuo dellâ&#x20AC;&#x2122;im-

pianto. La scelta di utilizzare una caldaia a gas e non una fonte di calore di tipo elettrico permette di mantenere molto alto il rendimento del sistema nel suo complesso, riducendo al minimo le emissioni di CO2.

ENERGIA DA RINNOVABILI E IMPIANTI

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#AD=5BHC-C@5FCC@=B;-7<W7C -7<W7C-C@5FCC@=B;*@5BH

577=5H5-7<W7C -7<W7C 5Q589

#AD=5BHC:CHCJC@H5=7C-7<W7C=B7CD9FHIF5 -7<W7C,CC:*<CHCJC@H5=7D@5BH

Collettori per il solar cooling La copertura ospita anche collettori solari termici per la produzione di acqua calda sanitaria, il supporto al riscaldamento e il raffrescamento mediante macchina ad assorbimento (solar cooling). Infatti lâ&#x20AC;&#x2122;area destinata e show-room e ai corsi di istruzione è climatizzata mediante un impianto a pannelli radianti alimentato, nella stagione estiva, dal citato refrigeratore ad assorbimento, nella stagione invernale da una pompa di calore accoppiata al terreno.

IMPIANTI IN COPERTURA. Lâ&#x20AC;&#x2122;impianto fotovoltaico installato in copertura copre con 3570 pannelli una superficie di 4550 m², per una potenza totale installata di 600 kWp, ed è collegato a 17 inverter ad alta efficienza (97,4%). Lâ&#x20AC;&#x2122;installazione di pannelli di tipo monocristallino con tre modelli di celle differenti e due taglie, di potenze da 165 Wp e 170 Wp, consentirĂ  di valutare e confrontare nel tempo le prestazioni dei vari tipi di moduli. Lâ&#x20AC;&#x2122;impianto è monitorato in tempo reale nei principali parametri elettrici e prestazionali, e un display consente di visualizzare la produzione totale ed istantanea di energia. Un sofisticato sistema di gestione ed elaborazione dati permette inoltre di far dialogare fra loro le varie apparecchiature come gli inverter. Ogni inverter è dotato di tre inseguitori MPP separati, che garantiscono unâ&#x20AC;&#x2122;elevata sicurezza dâ&#x20AC;&#x2122;uso e un controllo, istante per istante, del sistema ai fini di raggiungere il massimo rendimento. Il dimensionamento dellâ&#x20AC;&#x2122;impianto è stato pensato per coprire in toto il fabbisogno energetico elettrico dellâ&#x20AC;&#x2122;edificio e, secondo i calcoli dei progettisti, il risparmio in termini di anidride carbonica non emessa sarĂ  di circa 500 tonnellate lâ&#x20AC;&#x2122;anno. Al fine di ottenere il massimo grado di integrazione architettonica, lâ&#x20AC;&#x2122;installazione dellâ&#x20AC;&#x2122;impianto, tra i piĂš estesi realizzati in Italia su una copertura, è stata effettuata direttamente in appoggio, con unâ&#x20AC;&#x2122;inclinazione rispetto allâ&#x20AC;&#x2122;orizzontale di 6°.

VEDUTA Dâ&#x20AC;&#x2122;INSIEME. Rendering con schema delle tecnologie impiegate

#2

39


Solar cooling

Configurazioni standard per impianti di raffrescamento solare di piccola taglia

TUBI SOTTOVUOTO installati sul tetto del Leicester college (GB) abbinati ad una macchina per il raffrescamento solare Climatewell a triplo stadio di assorbimento con assorbitore a cloruro di litio

di R. Fedrizzi , G. Franchini , D. Mugnier , P. N. Melograno , M. Theofilidi , A. Thuer , B. Nienborg , L. Koch , R. Fernandez , A. Troi , W. Sparber 

La riduzione del fabbisogno energetico degli edifici residenziali mediante sistemi passivi, assieme all'utilizzo di soluzioni attive che fanno uso di fonti rinnovabili porteranno, in un vicino futuro, alla realizzazione di edifici ad energia quasi zero, come richiesto dalla nuova direttiva europea (EPBD) per il 2021.

40

#2

L’

per la produzione di acqua calda sanitaria e per il riscaldamento invernale rappresenta una tecnologia consolidata, con un alto tasso di penetrazione in diversi paesi europei, in particolare in Austria e Germania. Negli ultimi anni, l’energia solare ha trovato applicazione anche in sistemi per la produzione di acqua fredda (macchine frigorifere ad assorbimento) destinata ai sistemi di condizionamento ambientale, applicazione incentivata soprattutto dalla UTILIZZO DI PANNELLI SOLARI TERMICI


CONSUMI PER IL CONDIZIONAMENTO ESTIVO

EVALUATION OF STANDARD SOLAR COMBI PLUS SYSTEMS FOR SMALL SCALE APPLICATIONS

La necessità di garantire, all’interno degli edifici, livelli di confort ambientali sempre più elevati, si è tradotta in un forte incremento delle vendite di apparati destinati al condizionamento estivo ed invernale degli edifici. Indice di un accresciuto standard di vita tra le mura domestiche è anche il forte consumo energetico che negli ultimi anni si è registrato nel settore residenziale in tutta Europa: circa il 49% del consumo energetico totale [ESTTP]. Un’indagine condotta su 15 paesi dell’Unione Europea ha messo inoltre in luce che per il solo condizionamento estivo si consumano circa 90 TWh di energia elettrica, di cui 33 TWh imputabili alla Spagna, 27 TWh all’Italia e 10 TWh alla Francia [Adnot]. Per far fronte a questo problema, la Comunità Europea ha adottato politiche [EU_2002] che promuovono l’utilizzo di fonti di energia rinnovabile per coprire del tutto, o in parte, i carichi termici degli edifici [EU_1997].

Small sorption chillers are available on the market for the installation in solar assisted domestic hot water and space heating plants. Their use in office and residential buildings could potentially lead to a significant mitigation of the primary energy consumption and therefore of the CO production for air conditioning. However, the economical sustainability of this technology shows significant hurdles due to the costs of the investment and of the plant’s design. The latter could be reduced if standard system configurations were considered for installation, as it actually happens in the case of ordinary domestic hot water plants. The presented work concerns with the analysis of the methods and the results elaborated within the IEE program Solar Combi+ project. The aim of this project is to take small scale sorption chillers and identify and promote standardized systems for combined solar water, space heating and cooling production up to cooling loads of 20 kW. Accelerating and smoothing the market entry of those systems, the project contributes to achieving energy policy goals of the EU and supports the diffusion of a technology. Keywords: Solarcooling, Solar Combi+ project, sorption, chiller, small scale, standardized

contemporaneità tra elevata radiazione solare e domanda frigorifera. Tali macchine possono essere efficacemente inserite in impianti detti solar combi plus, in cui l’energia solare è utilizzata sia per la produzione di acqua calda sanitaria, sia per il riscaldamento e il raffrescamento ambientale (Figura 1). Solar thermal domestic hot water heating (DHW)

DHW

& space heating

Solar Combi

& space cooling

Solar Combi+

Figura 1 – Schema esemplificativo di un sistema solar combi plus.

Ostacoli alla diffusione del raffrescamento solare Fino a qualche anno fa, sul mercato erano presenti soltanto produttori di macchine frigorifere ad assorbimento di grossa taglia (>100 kWf). Attualmente si sono invece rese disponibili anche macchine di piccola taglia, con potenza compresa tra i 5 kW e i 30 kW. Gli alti costi di investimento, tuttavia, uniti alla mancanza di esperienza da parte di installatori e progettisti nella progettazione di impianti solar combi plus, rappresentano il principale ostacolo alla diffusione di questo tipo di macchine.

Verso soluzioni impiantistiche standard L’individuazione di soluzioni impiantistiche standard porterebbe da un lato a ridurre consi-

derevolmente i tempi di progettazione delle singole applicazioni e dall’altro a costituire la base sulla quale definire soluzioni-pacchetto commercializzabili su larga scala. Lo studio che segue descrive i metodi ed i risultati ottenuti nella fase di individuazione di configurazioni standard di impianto, condotta all’interno del progetto IEE Solar Combi+. Lo scopo del progetto è identificare e promuovere sistemi standardizzati per la produzione combinata di acqua calda sanitaria, riscaldamento e raffrescamento ambientale con potenze frigorifere fino a 20 kW. Accelerando e facilitando la fase di inserimento nel mercato di questi sistemi, il progetto contribuisce a raggiungere gli obiettivi energetici imposti dall’Unione Europea e sup-

ALCUNE MACCHINE AD ASSORBIMENTO DI PICCOLA TAGLIA PER SOLAR COOLING Sonnenklima

Yazaki Giappone

EAW Germania

Sonnenklima Germania

Rotartica Spagna

Modello

WFC-SC5 chillii® WFC 18

Wegracal SE15

Suninverse 10

Solar 045

Tecnologia

Assorbimento Assorbimento Assorbimento Assorbimento Assorbimento Assorbimento Adsorbimento Adsorbimento Adsorbimento Adsorbimento

Produttore

Climatewell Svezia

SolarNext Germania

Climatewell 10 chillii® PSC12

SorTech Germania

SorTech Germania

SJTU Cina

InvenSor Germania

ACS 08 chillii® STC8

ACS 15 chillii® STC15

SWAC-10

HTC 10 chillii® ISC10

Potenza frigorifera [kW]

17,5

15

10

4,5

10

12

7,5

15

10

10

Temperatura acqua calda [°C]

88/83

90/80

75/65

90/85

83/-

85/78

75/68

75/69

85/79

95/87

Temperatura di re-cooling [°C]

31/35

30/35

27/35

30/35

30/-

24/29

27/32

27/32

30/36

32/38

Temperatura acqua fredda [°C]

12,5/7

17/11

18/15

13/10

-/15

12/6

18/15

18/15

15/10

18/15

0,7

0,71

0,77

0,67

0,68

0,62

0,56

0,56

0,39

0,5

0,60 x 0,8 x 1,77

1,75 x 0,76 x 1,75

1,13 x 0,80 x 1,96

1,09 x 0,76 x 1,15

1,20 x 0,80 x 1,6

0,80 x 0,60 x 2,2

0,79 x 1,06 x 0,94

0,79 x 1,35 x 1,45

1,80 x 1,20 x 1,4

0,65 x 1,30 x 1,65

420

660

550

290

875

350

260

510

1600

370

COP Dimensioni (L x D x H) [m x m x m] Peso [Kg]

Fonte: Dr. Uli Jakob, SolarNext. Aggiornato a ottobre 2008

Climatewell

Rotartica

EAW

Impianto Solution con macchina Sortech. © Solution

#2

41


METODO

Loads

Due configurazioni impiantistiche Lo studio è iniziato con la definizione di due configurazioni impiantistiche (rappresentate in Figura 2) dettate da esigenze tecniche e di mercato. Le due configurazioni si equivalgono ad eccezione della posizione del boiler di backup: nella configurazione a), esso è posto in serie ai sistemi di distribuzione dell’acqua calda per il riscaldamento e domestica. Nella configurazione b), esso è invece inserito in un circuito separato dal principale: il boiler riscalda l’acqua nell’accumulo attraverso una serpentina dedicata senza che l’acqua calda sanitaria passi attraverso il boiler stesso. Tale configurazione è stata presa in considerazione per soddisfare la legislazione spagnola che impedisce l’impiego di impianti realizzati secondo la configurazione a). Su tali configurazioni è stata condotta un’estensiva campagna di simulazioni numeriche eseguite in TRNSYS. Ciascun partner industriale del Consorzio ha poi optato per la configurazione che, tra le due, meglio si adatta alle caratteristiche operative della propria macchina ad assorbimento. Parametri Per ognuna di queste configurazioni, sono stati individuati parametri “fissi”, “semi-fissi” e “liberi”, i quali sono stati fatti variare in un certo intervallo di valori. La combinazione di tutti i parametri ha portato all’effettuazione di circa 2500 simulazioni numeriche i cui risultati in termini di prestazioni energetiche e benefici ambientali sono stati utilizzati per la selezione di un ridotto numero di soluzioni impiantistiche standard. PARAMETRI FISSI La collocazione geografica dell’impianto di solar combi plus. Per quanto riguarda la collocazione geografica, sono state scelte tre località europee, rappresentative di aree climatiche caratterizzate da differenti carichi termici di riscaldamento e raffrescamento [ECOHEATCOLL WP1, ECOHEATCOLL WP2]; in particolare sono state considerate Napoli, Toulouse (sud della Francia) e Strasburgo (Francia centrale). La tipologia di applicazione (edificio/utenza) nel quale tale impianto è installato. Sono state scelte anche tre applicazioni di piccola taglia con diversi fabbisogni energetici in termini di acqua calda sanitaria, riscaldamento e raffrescamento. In particolare sono stati presi in considerazione due edifici residenziali con diverso consumo energetico estivo ed invernale ed una costruzione adibita ad ufficio. Fissate le caratteristiche costruttive degli edifici ed il loro utilizzo, i consumi energetici sono stati stimati in funzione del clima di riferimento (Napoli, Toulouse, Strasburgo). La Tabella 1 riporta i carichi termici relativi a riscaldamento e raffrescamento; per quanto riguarda il fabbisogno di acqua calda sanitaria, sono stati stabiliti circa 13 kWh/m/a per Toulouse e 11,5 kWh/m/a per Napoli. Non è stato previsto alcun consumo di acqua calda sanitaria in relazione all’applicazione Ufficio. Il tipo di macchina frigorifera ad assorbimento utilizzata Poiché per le simulazioni sono state prese come riferimento cinque macchine frigorifere commerciali di potenza nominale diversa, la dimensione degli edifici è stata scalata in funzione della potenza frigorifera di riferimento delle stesse (potenza frigorifera alla temperatura nominale del generatore e temperature di condensatore /evaporatore dipendenti dalle tecnologie impiegate per lo smaltimento del calore e la distribuzione del freddo). In questo modo si è reso possibile un confronto tra le prestazioni dei sistemi con macchine diverse. PARAMETRI SEMI-FISSI I parametri fissi sono stati considerati tali perché non possono essere stabiliti dal progettista/installatore. Al contrario, le tecnologie utilizzate per la realizzazione dell’impianto possono essere in qualche misura negoziate. Queste sono state quindi considerate come parametri semi-fissi; in particolare lo studio ha preso in esame i seguenti parametri: Tipo di collettore: collettore piano o a tubi sottovuoto. Sistema di smaltimento del calore: torre evaporativa, scambiatore acqua/aria e scambiatore acqua/aria con nebulizzazione d’acqua in batteria per realizzare un raffreddamento evaporativo (scambiatore ibrido). Sistema di distribuzione dell’acqua refrigerata/riscaldata: pavimento radiante e radiatore ad aria. I radiatori ad aria sono stati considerati in relazione a tutte le applicazioni, mentre il pavimento radiante è stato simulato solo in relazione alle costruzioni residenziali. PARAMETRI LIBERI L’area dei collettori termici e la dimensione del serbatoio di accumulo dell’acqua calda, sono stati presi come parametri liberi dell’analisi. Anche in questo caso comunque sono stati stabiliti dei limiti, legati alle superfici disponibili per l’installazione di collettori solari sul tetto degli edifici considerati: Area dei collettori compresa tra 2 e 5 m/kWf,rif Volume del serbatoio di accumulo dell’acqua calda compreso tra 25 e 75 l/marea collettore Anche l’area dei collettori è stata scalata in funzione della potenza frigorifera di riferimento delle macchine ad assorbimento analizzate. Riferimenti per la valutazione Tra tutti i parametri determinati, tre sono stati presi a riferimento per tale valutazione: Frazione Solare Totale Solar Yield Percentuale di energia primaria risparmiata annualmente I primi due sono parametri tecnologici. La frazione solare totale rende conto della percentuale di carico complessivo (produzione di acqua calda sanitaria, riscaldamento e raffrescamento) che è coperta attraverso lo sfruttamento della fonte solare. Il solar yield indica l’ammontare della radiazione solare raccolta in un anno dai collettori termici. Poiché esso dipende dalla collocazione geografica, ma anche dalla temperatura del fluido circolante nei collettori stessi e quindi dalle macchine frigorifere e dai sistemi di distribuzione di caldo e freddo, il solar yield dà un’immagine dell’efficienza con cui l’impianto utilizza la risorsa. L’energia primaria risparmiata è infine un parametro tecnico-ambientale, che permette di confrontare i consumi energetici complessivi relativi al sistema solar combi plus (comprensivi dei contributi legati alle pompe di circolazione, ai ventilatori del sistema di smaltimento del calore ecc.) con quelli di un sistema tradizionale di riferimento.

42

#2

Heating Boiler

DHW Collector

Chiller Cooling

heat rejection

Loads Heating

DHW Collector

Boiler

Chiller Cooling

heat rejection

Figura 2 – Configurazioni impiantistiche selezionate dai partner industriali Fote: www.solarcombiplus.eu

Carichi termici relativi alle tre applicazioni individuate Appl. residenziale con fabbisogno “alto”

Ufficio

Appl. residenziale con fabbisogno “basso”

Riscaldam. Raffrescam. Riscaldam. Raffrescam. Riscaldam. Raffrescam. (kWh/m/a) (kWh/m/a) (kWh/m/a) (kWh/m/a) (kWh/m/a) (kWh/m/a) Strasburgo

69

34

-

-

-

-

Toulouse

34

50

46

6

25

6

Napoli

9

81

21

18

9

18

Tabella 1 – I carichi termici variano in funzione delle condizioni climatiche caratteristiche della collocazione geografica

Configurazione standard TORRE EVAPORATIVA

SCAMBIATORE IBRIDO

COLLETTORI SOTTOVUOTO COLLETTORI PIANI COLLETTORI SOTTOVUOTO COLLETTORI PIANI PAVIM. RADIANTE

RADIATORI AD ARIA

4,27

m/kW

4,27

m/kW

4,27

m/kW

4,27

m/kW

75

l/m

75

l/m

75

l/m

75

l/m

SYield

488

SYield

436

SYield

507

SYield

449

4,27

m/kW

4,27

m/kW

4,27

m/kW

4,27

m/kW

75

l/m

75

l/m

75

l/m

75

l/m

SYield

531

SYield

471

SYield

554

SYield

486

Tabella 2 – Esempio di configurazioni standard scelte in funzione del parametro solar yield [kWh/m/anno]. Clima di riferimento Toulouse, costruzione residenziale a basso consumo energetico.

Ognuna delle variabili di valutazione indicata è stata utilizzata per l’individuazione delle migliori configurazioni impiantistiche: per ogni set di parametri fissi e semi-fissi, sono stati determinati i valori dei parametri liberi (dimensioni dei collettori e del serbatoio di accumulo) che massimizzano le prestazioni dell’impianto. La Tabella 2 riporta alcuni esempi di configurazioni scelte utilizzando il solar yield come variabile di valutazione, Toulouse come collocazione geografica e l’edificio residenziale a basso consumo energetico; per ogni combinazione di parametri semi-fissi, sono indicate le dimensioni di collettori e serbatoio di accumulo ed il valore di solar yield calcolato.


porta la diffusione delle macchine frigorifere ad assorbimento. A questo scopo, gli autori hanno eseguito, mediante TRNSYS, una serie di simulazioni su una configurazione impiantistica base, al variare delle condizioni climatiche di riferimento, delle applicazioni e delle soluzioni tecniche impiegate (dimensioni di collettori ed accumulo di acqua calda, tipo di sistema di evacuazione del calore ecc.). I risultati delle simulazioni sono stati studiati attraverso un’analisi parametrica, che ha permesso di selezionare le soluzioni più favorevoli dal punto di vista del risparmio energetico.

RISULTATI

Solar heating and cooling a Bolzano Presso Ebner Solartechnik sono installati 150 m di collettori solari piani che alimentano una macchina ad assorbimento da 15 kW che raffresca circa 400 m di uffici. Tre serbatoi per accumulo consentono autonomia nel raffrescamento estivo da giugno a settembre e copertura di gran parte del riscaldamento invernale. La distribuzione avviene attraverso pavimenti radianti. Fonte: solairproject.eu

La Tabella 3 mostra i risultati delle simulazioni svolte in relazione all’edificio residenziale a basso consumo energetico posto a Napoli ed attrezzato con un pavimento radiante. Si è scelto di mostrare i risultati relativi a Napoli, in quanto la città è caratterizzata dal clima estivo più sfavorevole a causa della sua ubicazione geografica, ma soprattutto a causa della vicinanza del mare che dà origine a cospicui carichi latenti sia di giorno che di notte. La tabella, che riporta valori mediati relativi alle cinque macchine frigorifere considerate testate nei due impianti di Figura 2, permette di confrontare le prestazioni dell’impianto solar combi plus al variare dei parametri.

GLI SPAGNOLI AMICI DEL SOLAR COOLING Tralasciando questi ultimi mesi di recessione economica, particolarmente sentita dall’industria spagnola delle costruzioni, colpita nel pieno del boom edilizio, la diffusione delle tecnologie solari nella penisola iberica ha registrato una crescita tumultuosa. Un tale successo è legato anche al sistema di certificazione energetica adottato dal Governo spagnolo, che non considera come in Italia (e in altri paesi europei) il fabbisogno di energia primaria quanto il livello di emissione di CO in atmosfera del sistema edificio. È quindi sufficiente arricchire il progetto con impianti ad energia rinnovabile per scalare la vetta della certificazione energetica. Senza dimenticare l’obbligo, per i nuovi edifici e gli interventi di riqualificazione, di produrre dal 30 al 70% dell’acqua calda destinata ad usi domestici utilizzando l’energia termica solare. Ciò spiega il successo del solar cooling, in un Paese dove il raffrescamento estivo è spesso più energivoro del riscaldamento invernale.

APERTI O CHIUSI Gli impianti di solar cooling vengono in genere suddivisi tra sistemi chiusi e aperti. I primi si basano su macchine frigorifere ad assorbimento o ad adsorbimento alimentate da acqua calda proveniente dai collettori solari; queste producono direttamente acqua refrigerata, che nelle applicazioni di piccola taglia per impieghi residenziali viene addotta al sistema radiante a pavimento o ai terminali di condizionamento (ad esempio, fan coil). I sistemi ad assorbimento sono oggi più diffusi di quelli ad adsorbimento, che in passato erano disponibili solo per grandi potenze (mentre oggi sono disponibili anche modelli di piccola taglia). Le macchine ad adsorbimento sono più ingombranti, presentano una minore efficienza (COP di 0,5 contro 0,7 di quelle ad assorbimento), ma vengono alimentate con acqua calda a temperatura più bassa: tra i 60 e 95°C contro 75-120°C dei sistemi ad assorbimento. Nel primo caso sono quindi sufficienti collettori piani di produzione standard. I sistemi aperti, invece, utilizzano l’acqua in raffreddamento a diretto contatto con l’aria da trattare attraverso un processo di raffrescamento evaporativo con deumidificazione dell’aria tramite disseccante. I sistemi più diffusi sfruttano il principio del desiccant cooling (DEC) ed impiegano deumidificatori rotanti con sostanze assorbenti in forma solida.

La tipologia dei collettori influenza poco la frazione solare, molto l’accumulo Una volta che area dei collettori e tipo di sistema di smaltimento del calore sono fissati, cambiando il tipo di collettore (da collettori a tubi sottovuoto a collettori piani – vedi set 1 e 2) si ottiene una esigua diminuzione di copertura dei carichi attraverso l’energia catturata dal sole: la frazione solare totale decresce del 5-10%. Un effetto più cospicuo si ha invece sull’energia primaria risparmiata: al variare delle dimensioni del serbatoio di accumulo, si verificano variazioni di tale parametro comprese tra il 15% ed il 30%. Questo è sostanzialmente dovuto al fatto che i collettori a tubi sottovuoto permettono di raggiungere temperature mediamente più elevate rispetto alla seconda tipologia e questo ha un effetto sia sulle prestazioni estive sia su quelle invernali. Si può notare, inoltre, come il ruolo del serbatoio di accumulo diventi via via più significativo al diminuire delle temperature ottenibili all’uscita del collettore: mentre nel caso dei collettori a tubi, la variazione del volume da 75 a 25 l/m porta ad una diminuzione del 40% dell’energia primaria risparmiata, nel caso di collettori piani, la stessa diminuzione delle dimensioni dell’accumulo provoca una diminuzione di circa il 60% delle prestazioni in termini di energia primaria risparmiata.

Torre evaporativa vs scambiatore ibrido Mettendo a confronto le prestazioni di impianti attrezzati con differenti sistemi di smaltimento del calore, si nota che i risultati migliori si ottengono utilizzando una torre evaporativa. Nei casi analizzati, si ottengono variazioni dell’energia primaria risparmiata dell’ordine del 6-8%. L’andamento è in questo caso soprattutto dovuto al maggiore quantitativo di energia elettrica che lo scambiatore ibrido consuma rispetto ad una torre evaporativa. Va fatto notare a questo punto che la differenza indicata riguarda l’energia primaria risparmiata rispetto a quella utilizzata da un sistema tradizionale che permetta di coprire gli stessi carichi. Poiché però nelle simulazioni, le dimensioni degli edifici sono state scalate in funzione della potenza di riferimento della macchina ad assorbimento (a sua volta funzione della temperatura del fluido fornito dal sistema di smaltimento del calore), in termi-

#2

43


ni assoluti, la differenza di prestazioni ottenibili con le due tecnologie può essere molto elevata. Lo scambiatore acqua/aria, infatti, pur approntato con spruzzatori che irrorano la batteria, non riesce in alcun caso a produrre gli abbattimenti di temperatura del fluido realizzabili con una torre evaporativa. Nel funzionamento estivo, quindi, qualora si prenda in considerazione uno scambiatore ibrido quale mezzo per lo smaltimento del calore, al condensatore della macchina frigorifera si presenterebbe un fluido a temperatura più elevata rispetto a quella che si avrebbe utilizzando una torre evaporativa.

Raffrescamento solare a Napoli: radiatori ad aria COL SC

1

2

Temperature più elevate con maggiori superfici installate I dati in Tabella 3 mostrano ancora che a parità di volume di accumulo, il solar yield aumenta al diminuire dell’area del campo di collettori. Ciò è dovuto alle minori temperature ottenibili in relazione ad un’inferiore superficie occupata da collettori, che si ripercuote a sua volta in più esigue perdite di calore dai collettori verso l’ambiente e quindi in un migliore sfruttamento della risorsa. L’effetto è amplificato in relazione ai set di dati 2 e 3 che fanno riferimento a superfici coperte da collettori inferiori in termini assoluti rispetto al primo insieme di dati (la potenza di riferimento della macchina frigorifera è inferiore). Mentre variando l’area dei collettori, a parità di volume d’accumulo e di tecnologie utilizzate, si verificano variazioni di solar yield attorno all’8% in tutti i casi considerati, le differenze di energia primaria riportate sono dell’ordine del 20%. È quindi chiaro come si debba, da un punto di vista prettamente tecnico, preferire l’installazione di elevate superfici di collettori.

Migliori performance con i pavimenti radianti La Tabella 4 riporta i risultati medi relativi alle stesse macchine frigorifere ed alla stessa applicazione (edificio residenziale a basso consumo energetico posto a Napoli); in questo esempio

3

AC VA FST EPR SY [m/kW] [l/m] [%] [%] [(kWh/anno)/m]

ET WCT

4,27

50

70

38

555

ET WCT

4,27

75

73

45

574

ET WCT

5,00

25

67

34

466

ET WCT

5,00

50

76

49

515

ET WCT

5,00

75

80

56

533

FP WCT

4,27

50

64

29

505

FP WCT

4,27

75

68

36

525

FP WCT

5,00

25

61

23

418

FP WCT

5,00

50

70

39

468

FP WCT

5,00

75

75

47

489

ET

HC

4,27

50

68

35

547

ET

HC

4,27

75

71

39

588

ET

HC

5,00

25

68

35

524

ET

HC

5,00

50

71

38

534

ET

HC

5,00

75

77

50

545

l’edificio è dotato di un sistema di distribuzione del calore con radiatori ad aria. Si nota una diminuzione delle prestazioni d’impianto (vedi set dati 1 e 4), con un effetto più rilevante sull’energia primaria risparmiata: si rilevano diminuzioni comprese tra il 40 e il 50%. In generale le prestazioni ottenibili attraverso l’utilizzo di pavimenti radianti sono superiori a causa della maggiore temperatura alla distribuzione durante il periodo estivo (13-18°C invece di 7-12°C) ed alle minori temperature durante il periodo invernale. Inoltre i pavimenti radianti garantiscono una maggiore inerzia termica, che si rispecchia in una più efficace copertura dei carichi in condizioni di fornitura di caldo e freddo variabili, come quelle che possono verificarsi in impianti che fanno uso di fonti rinnovabili, per loro natura aleatorie. D’altro canto, non sempre risulta economica l’installazione di tali sistemi di distribuzione; nel caso di ristrutturazione energetica di un edificio, per esempio, molto spesso risulta più vantaggioso l’impiego di radiatori ad aria. Anche in questo caso comunque, qualora l’impianto sia dimensionato corret-

SMALTIRE IL CALORE IN ECCESSO Una delle criticità del raffrescamento solare è lo smaltimento del calore (circa doppio rispetto ad un normale chiller), inevitabile se si considera che il raffrescamento si ottiene sottraendo energia termica dall’ambiente, che in qualche modo deve essere restituita. Se si ha la fortuna di possedere una piscina, il problema non si pone, poiché si può provvedere in modo economico al riscaldamento dell’acqua. Ma si possono utilizzare anche sonde geotermiche per dissipare il calore. Nel caso peggiore occorre smaltirlo con torri di raffreddamento o scambiatori, come previsto nelle configurazioni standard analizzate nell’articolo.

Macchina ad assorbimento chilii PSC10, costruita dall’austriaca Pink, fornita di torre di raffreddamento evaporativa

44

#2

Tabella 3 – Prestazioni di un sistema solar combi plus relative ad un edificio residenziale a basso consumo energetico localizzato a Napoli. Simulazioni relative ad un edificio attrezzato con pavimento radiante quale sistema di distribuzione. Sono riportate cinque configurazioni per ogni set di parametri al fine di mostrare il potenziale miglioramento delle prestazioni ottenibile attraverso il corretto dimensionamento dell’impianto.

LEGENDA: COL Tipo collettore – Collettori a tubi evacuati (ET – Evacuated Tubes), piani (FP – Flat Plate) SC Sistema smaltimento calore – Torre evaporativa (WCT – Wet Cooling Tower), scambiatore ibrido (HC – Hybrid Cooler) AC Area collettori VA Volume dell’accumulo FST Frazione Solare Totale EPR Energia Primaria risparmiata SY Solar Yield

tamente, si possono raggiungere risparmi di energia primaria, utilizzata per la produzione combinata di acqua calda sanitaria, riscaldamento e raffrescamento, superiori al 30%.

La configurazione “ottima” Il confronto dei dati nella Tabella 3 e nella Tabella 4 evidenzia come la configurazione impiantistica che fa uso di pavimenti radianti, torre evaporativa e collettori a tubi sottovuoto sia quella preferibile perché permette di massimizzare le prestazioni del sistema solar combi plus dal punto di vista energetico ed ambientale. Questo risultato è applicabile a tutte le macchine ad assorbimento analizzate. Inoltre, le soluzioni migliori in termini di energia primaria rispar-

Condensatore utilizzato nella configurazione Sortech


Raffrescamento solare a Napoli: radiatori ad aria COL SC

4

I BENEFICI DEL SOLAR COOLING

AC VA FST EPR SY [m/kW] [l/m] [%] [%] [(kWh/anno)/m]

ET WCT

4,27

50

63

13

540

ET WCT

4,27

75

68

22

580

ET WCT

5,00

25

65

18

528

ET WCT

5,00

50

69

22

498

ET WCT

5,00

75

75

35

534

Tabella 4 – Prestazioni di un sistema solar combi plus relative ad un edificio residenziale a basso consumo energetico localizzato a Napoli. Simulazioni relative ad un edificio attrezzato con radiatori ad aria quale sistema di distribuzione.

miata si ottengono relativamente alle maggiori dimensioni della superficie dei collettori e del serbatoio di accumulo. Un cambiamento nell’andamento si noterebbe per aree utilizzate attorno a 7 m/ kWf,rif. Tali valori non sono stati però esplorati approfonditamente poiché effettivamente non accettabili in relazione alle applicazioni considerate; il valore riportato di 5 m/ kWf,rif costituisce un limite superiore difficilmente valicabile.

Tolleranze progettuali per ottimizzare i costi Se si considerano le soluzioni più “vicine” alle migliori, l’effetto di variare il tipo di collettore e di sistema di smaltimento del calore non è del tutto indipendente dal tipo di macchina frigorifera analizzata. Questo ed altri aspetti legati ai costi di investimento ed operativi lasciano una certa libertà in fase di progettazione e realizzazione di impianti solar combi plus. In particolare, soluzioni impiantistiche che non garantiscono le migliori prestazioni energetiche possono dare origine a costi nettamente inferiori. In molti stati membri della UE, per

LEGENDA: COL Tipo collettore – Collettori a tubi evacuati (ET – Evacuated Tubes), piani (FP – Flat Plate) SC Sistema smaltimento calore – Torre evaporativa (WCT – Wet Cooling Tower), scambiatore ibrido (HC – Hybrid Cooler) AC Area collettori VA Volume dell’accumulo FST Frazione Solare Totale EPR Energia Primaria risparmiata SY Solar Yield

esempio, l’utilizzo di uno scambiatore ad aria o ibrido è una scelta quasi obbligata a causa delle restrittive legislazioni atte ad impedire la diffusione di batteri della legionella dalle torri evaporative. Tali leggi si traducono in continui e costosi controlli sanitari, che possono incidere significativamente sui costi operativi dell’impianto.

Il raffrescamento solare offre alcuni vantaggi rispetto ai chiller a compressione o alle pompe di calore. I sistemi a ciclo chiuso, per esempio, hanno un funzionamento chimico che riduce pressoché a zero le parti in movimento, con benefici sia dal punto di vista energetico (alcuni sistemi utilizzano l’energia elettrica per la sola unità di controllo) che manutentivo e di durata. C’è poi la flessibilità di approvvigionamento: acqua calda dal sole, certamente, ma se conviene anche da cogenenerazione, teleriscaldamento, oppure da caldaie a gas o a biomassa. Ma il vero punto di forza è che il solar cooling utilizza nei periodi caldi l’energia termica prodotta da collettori solari che altrimenti sarebbero sottoutilizzati, evitando di utilizzare elettricità per raffreddare le case proprio nelle stagioni e negli orari di picco per il gestore elettrico. C’è infatti una piena concordanza tra la curva di massimo irraggiamento solare e il fabbisogno di freddo.

RIGRAZIAMENTI Ringraziamenti vanno all’EACI che ha finanziato il progetto Solar Combi+ all’interno del programma IEE (Intelligent Energy Europe, contratto Nº: EIE/07/158/SI2.466793).

CONCLUSIONI

Bibliografia

Sistemi ben dimensionati sono caratterizzati da superfici captanti che vanno da 3.5 a 5 m/kW di capacità frigorifera, ed un serbatoio con volume compreso tra 50 e 75 l/m di collettori solari. Anche la strategia di controllo influenza significativamente le prestazioni del sistema in termini di energia risparmiata. Un adattamento del sistema di controllo alla macchina frigorifera in funzione della località, dell’applicazione e della configurazione, offre un potenziale di miglioramento significativo della funzionalità. Il controllo delle pompe e lo smaltimento del calore meritano particolare attenzione. Nonostante i sistemi analizzati diano origine a sostanziali riduzioni del consumo di energia per la produzione di acqua calda sanitaria, riscaldamento e raffrescamento, il loro costo di investimento è significativamente più elevato rispetto a quello dei sistemi che fanno uso di sole fonti fossili. In questa fase di ingresso della tecnologia nel mercato, è quindi necessario lo sviluppo di politiche nazionali e locali incentivanti, che riducano l’entità dell’investimento iniziale.

t European Solar Thermal Technology Platform Federation (ESTTP), 2006, “Solar Heating and Cooling for a Sustainable Energy Future in Europe”. t Adnot, J., et al., 2003, “Energy Efficiency and Certification of Central Air Conditioners (EECCAC)”, Final Report – Vol. 1., Armines, Paris. t European Commision, 2002, “Final report on the Green Paper: Towards a European strategy for the security of energy supply”, COM(2002) 321. t European Commision, 1997, “Energy for the Future: Renewable Sources of Energy – White Paper for a Community Strategy and Action Plan”, COM(97)599. t IEE ECOHEATCOOL project WP1: The European Heat Market. t IEE ECOHEATCOOL project WP2: The European Cold Market.

 : EURAC Research, Bolzano, Italy,  : Università degli Studi di Bergamo, Dalmine (BG), Italy  : Tecsol, Perpignan, France  : CRES, Pikermi, Greece  : AEE INTEC, Gleisdorf, Austria  : Fraunhofer ISE, Freiburg, Germany  : Ikerlan Technological Research Centre, Miñano, Spain

Applicazione di solar cooling di piccola taglia in un edificio residenziale a Milano. Grazie al buon isolamento dell’involucro, per raffrescare i due piani dell’abitazione (45 + 45 m) è sufficiente un campo solare di 20 m e una macchina ad assorbimento da 4,5 kW fornita dalla spagnola Rotartica. L’impianto è stato installato nel 2007. Fonte: solair-project.eu

#2

45


INCHIESTA PRIVATA

Rinnovabili, non è sempre utile coprire il carico di picco

I

L DIMENSIONAMENTO DEI GENERATORI TERMOFRIGORIFERI È,

Dimensionare il generatore a fonte rinnovabile a copertura del 100% del carico termico e frigorifero può essere antieconomico. La curva di durata si rivela un valido strumento per la valutazione del fabbisogno stagionale medio e per l’adozione di soluzioni ibride

nella pratica progettuale, finalizzato ad assicurare la copertura del carico termico e frigorifero nelle peggiori condizioni. Gli impianti sono dimensionati, in riscaldamento, in funzione della potenza termica di picco (determinata attraverso la UNI EN 12831, che notoriamente porta al sovradimensionamento dei generatori) e, in raffrescamento, in funzione della potenza frigorifera di picco, calcolata secondo il metodo Carrier-Pizzetti o secondo altri metodi proposti da ASHRAE (funzioni di trasferimento, radiant time series…). Sebbene questo criterio assicuri la copertura

RENEWABLE HEATING OR COOLING SYSTEMS COMBINED TO A TRADITIONAL ONE FOR SHORT PAYBACK TIME SOLUTIONS Renewable energy heating and cooling systems market diffusion is limited by high installation costs that often imply too long investment payback time. In situations into which the investor wants only short payback time solutions, could be very interesting to take into account a "hybrid" system, with "traditional" heating or cooling systems combined to a renewable one; the renewable energy cooling or heating system has to be designed on the base load, the traditional one only as auxiliary system in peak load conditions. These solution permits to obtain important investment cost savings but only a small primary energy ratio decrease because traditional systems works only few hours during the year. To well define the percentage of the peak load covered by the renewable part of the system it is very important to study heating and cooling load curve and create a sort of "load duration curve". Also external air temperature or humidity ratio duration curve could be created to better design air source heat pump systems. Load heating and cooling duration curve could be an useful tool to define the best technical and economical solution and could also be very important to understand well the influence of part load conditions for all heating and cooling systems. Keywords: Renewable, energies, hybrid systems, heat pump, load curve, ROI

46

#2

di Fabio Minchio*

del carico in condizioni limite, non sempre permette di conseguire una prestazione energetica media stagionale che: 1. assecondi le aspettative tecnico-economiche del committente; 2. garantisca il rapporto di energia primaria più elevato possibile per la soluzione tecnica scelta. È chiaro a tutti, come sia sempre più necessario progettare, non solo in relazione alla potenza, ma anche in relazione ai fabbisogni energetici e al loro andamento nel tempo.

daia che modula fino al 30% si troverà per oltre il 90% delle ore della stagione di riscaldamento ad operare in attacca-stacca! Le norme di calcolo delle pre-

Carico parziale per la prestazione stagionale È noto quanto il rendimento dei generatori tradizionali di calore sia influenzato dalle perdite di accensione e spegnimento. Una gran parte delle caldaie installate, anche se modulanti, si trova ad operare per molte ore all’anno al di sotto del proprio limite di modulazione. È il caso, ad esempio, delle caldaiette da appartamento normalmente scelte con potenza termica nominale di 24-28 kW al fine di garantire acqua calda sanitaria istantanea, a fronte di carico termico di progetto che raramente sfora i 7-8 kW. In questa situazione, una cal-

DIMENSIONAMENTO DELLA CALDAIA. Le caldaiette da appartamento scelte per fornire acqua calda sanitaria istantanea, con potenza termica nominale di 24-28 kW, operano per molte ore all’anno al di sotto del proprio limite di modulazione.


Rinnovabili, massimizzare la produzione annuale

Nota la curva di carico orario a ciascun valore di potenza Pi si correla la durata hi corrispondente alle ore in cui il carico termico è pari o superiore al valore della potenza considerata. Il risultato può essere espresso attraverso una curva che, sull’asse delle ascisse presenta le ore stagionali, in percentuale sulla durata totale della stagione, e sull’asse delle ordinate la potenza termica in percentuale sulla potenza termica di picco. Se anziché i valori percentuali si usano i valori assoluti è possibile ottenere il fabbisogno energetico annuale di riscaldamento o raffrescamento integrando l’area sottesa al grafico. In generale, essendo la curva in riscaldamento correlata più direttamente alle condizioni climatiche esterne, è proprio la stagione invernale ad evidenziare come le ore in cui si verificano condizioni di picco, o condizioni vicine al picco stesso, siano molto limitate rispetto alla durata complessiva della stagione. Tanto più il carico dipende da fattori esterni variabili con le condizioni climatiche tanto più è ridotta l’incidenza dei periodi di picco sul fabbisogno totale. Infatti d’estate, a seguito dell’incidenza dei fabbisogni di ventilazione, degli apporti solari e degli apporti interni, che variano in misura meno accentuata rispetto alle condizioni climatiche, si riscontra una maggiore frequenza e durata di condizioni prossime a quelle di picco. 100% 90%

Figura 1. Curva % durata stagione – potenza termica e frigorifera. La curva di durata blu è relativa all’impianto di climatizzazione estiva, quella rossa all’impianto di riscaldamento. In entrambe le stagione è considerato anche il carico di ventilazione comprensivo di deumidificazione

80% 70% 60% 50% 40% 30% 20% 10% 0%

0% 10 % 95 % 90 % 85 % 80 % 75 % 70 % 65 % 60 % 55 % 50 % 45 % 40 % 35 % 30 % 25 % 20 %

%

10

15

5%

0%

Se l’attenzione alla curva annuale di carico termico e frigorifero risulta importante per sistemi tradizionali di generazione dell’energia, a maggior ragione lo è nella progettazione di impianti di climatizzazione alimentati da fonte rinnovabile (si considerano fra questi le categorie definite dalla Direttiva Europea RES 2009/28/CE, comprese quindi le pompe di calore). In questo caso, infatti, l’aspetto energetico è preponderante, sia nel dimensionamento sia nella valutazione tecnico-economica degli stessi. È noto, ad esempio, come nella progettazione di un impianto solare termico il target di progetto debba essere un fattore di copertura annuale (o stagionale) del fabbisogno di energia termica, per la produzione di acqua calda sanitaria o per riscaldamento, che tenga conto dell’andamento mensile dei carichi al fine di evitare problematiche di funzionamento estivo. Il progetto osserva una variabile energetica di riferimento, non una potenza di picco. Lo stesso avviene

CURVA DI “DURATA” PER UN EDIFICIO SCOLASTICO A ROMA

%Pmax

stazioni energetiche, così come le norme di prodotto, stanno dando sempre più importanza alle prestazioni a carico parziale. È su di esse, infatti, che si basa l’effettiva prestazione stagionale dell’impianto.

%durata stagione

per il fotovoltaico, ed in generale per tutti i sistemi alimentati da fonte solare, dove la scelta della potenza da installare è guidata dall’obiettivo di massimizzare la produzione annuale, in relazione ai propri consumi di energia elettrica annuale.

I costi per la copertura del carico di picco Un altro aspetto, non sempre adeguatamente valutato quando si intraprende la scelta di realizzare una centrale termica con sistemi alimentati da fonte rinnovabile (ad esempio, pompe di

calore o caldaie a biomasse) è il costo di investimento iniziale. Considerato più elevato rispetto ai sistemi tradizionali è generalmente compensato da risparmi operativi, cospicui, ma spesso tali da non garantire tempi di ritorno compatibili con le esigenze dell’investitore. Il costo della centrale termica è direttamente correlato alla potenza termica o frigorifera installata. Scegliendo un impianto con tecnologia alimentata a fonte rinnovabile (o più in generale ad alta efficienza energetica), con l’obiettivo di coprire con essa il 100% del carico di picco termico o frigorifero, si determinano costi di installazione che, in alcuni casi, possono dissuadere l’investitore.

Curva di “durata” per dimensionare la centrale

SOLUZIONE IBRIDA. Il down-sizing del generatore a fonte rinnovabile risulta maggiormente interessante quando vi sia la possibilità di associare, con facilità, sistemi tradizionali a sistemi “rinnovabili” o ad alta efficienza: per il minor costo di una caldaia rispetto a quello della pompa di calore e soprattutto per il minor numero di sonde geotermiche installate.

Lo strumento più utile in questo caso è una sorta di “curva di durata”, mutuando la terminologia dall’idraulica, che mette in relazione le ore in cui il carico è pari, o superiore, ad un certo valore di potenza termica o frigorifera e la potenza termica o frigorifera stessa. È possibile realizzare tale curva partendo dai dati orari di carico termico o frigorifero ottenibili attraverso simulazione dinamica. In Figura 1 è possibile vederne un esempio riferito ad un edificio destinato a sede scolastica nel clima di Roma, con fabbisogni energetici determinati attraverso software di simulazione dinamica. Dall’analisi del grafico di Figura 1 è possibile osservare come un generatore di potenza pari a circa il 60% della potenza di picco sia in grado di coprire autonomamente circa il 95% delle ore di

#2

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SOLUZIONE IBRIDA VS SOLUZIONE 100% RINNOVABILE Come varia il rapporto energia primaria in riscaldamento Si ipotizzi per la caldaia a condensazione un rendimento medio stagionale pari al 100% (sul PCI) e per la pompa di calore un COP medio stagionale pari a 4. Per la conversione dell’energia elettrica in energia primaria si considera il valore determinato dalla Del. AEEG EEN 03/08, come indicato nelle specifiche tecniche UNI TS 11300-2, e pari a circa il ηelettrico = 45%. Nel caso di impianto 100% “geotermico” il rapporto energia primaria REP100%GEO è pari a:

REP100%GEO = COPmediostagionale · Ș elettrico = 1,8 Nel caso di impianto “ibrido” è ragionevole ipotizzare, nel caso di clima del nord Italia, che la caldaia operi per la copertura di circa il 15% del fabbisogno di energia termica e la pompa di calore geotermica per il restante 85%. Il rapporto di energia primaria complessivo dell’impianto è una media pesata dei valori delle due tecnologie:

REPGEO +CALDAIA = 0,15 · ȘCALDAIA + 0,85 · COP mediostagionale · Șelettrico= 1,68 PCI

Produzione ACS con recupero totale di calore e compressore DC inverter per la nuova pompa di calore reversibile aria/acqua PRANA i-NRG di Climaveneta. Adatta per installazione interna o esterna. Potenza di 17,8 kW.

funzionamento dell’impianto di riscaldamento e circa l’82% delle ore di funzionamento dell’impianto di climatizzazione estiva. Per potenze superiori, continuerà ad operare con un’integrazione fino al restante 40% da parte di un sistema ausiliario il cui contributo, se si considera l’aspetto energetico, risulta veramente irrisorio. Tale situazione è sempre valida, con valori chiaramente diversi in funzione della destinazione d’uso, delle caratteristiche dell’involucro edilizio e delle condizioni climatiche in cui l’edificio si colloca. A seguito di queste considerazioni e visti i costi elevati di investimento delle tecnologie rinnovabili o ad alta efficienza, è possibile ipotizzare di dimensionare quest’ultimi non per la copertura del 100% del carico ma per la copertura del carico di base (ad esempio 60-70% della potenza termica e frigorifera di picco). In termini di prestazione energetica stagionale si ha una variazione minima, ma al tempo stesso si ottiene una riduzione del costo d’investimento iniziale, tale da migliorare il tempo di ritorno dell’investimento e il valore attuale netto dello stesso.

Soluzioni ibride Il down-sizing del generatore a fonte rinnovabile risulta maggiormente interessante quando vi sia la possibilità di associare con facilità sistemi tradizionali a sistemi “rinnovabili” o ad alta efficienza. Un caso tipico è la realizzazione di un impianto con pompe di calore accoppiate con scambiatori a terreno. Supponiamo di realizzare un impianto al 100% geotermico e confrontarlo con un impianto misto caldaia a condensazione + pompa di calore geotermica dimensionata per la copertu-

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#2

SISTEMA IBRIDO CON POMPE DI CALORE AD ARIA. È possibile ipotizzare un sistema ibrido, con caldaia a condensazione, per far operare la pompa di calore solo nelle condizioni in cui si prevede non si verifichi significativo brinamento della batteria.

ra del 60% della potenza di picco. Nel secondo caso l’investimento iniziale sarà inferiore (anche se non proporzionalmente in ragione dell’influenza della variabile energetica nel dimensionamento delle sonde geotermiche) visto il minor costo di una caldaia rispetto a quello di della pompa di calore e soprattutto al minor numero di sonde geotermiche installate. Il rapporto energia primaria (box a lato) r isulterà ridotto solo in modo modesto (circa il 7%) rispetto alla soluzione precedente: la presenza di un generatore tradizionale così dimensionato non compromette quindi in modo significativo il risparmio energetico operativo conseguibile. In generale, il beneficio in termini di risparmio di costo d’investimento iniziale per la soluzione ibrida è ampiamente superiore rispetto alla diminuzione del risparmio economico operativo determinato da tale scelta. Inoltre non vi sono particolari complicazioni in termini di regolazione ed è anche possibile valutare la scelta di un sistema tradizionale con funzione non solo di sistema ausiliario ma anche di vero e proprio back-up con conseguente maggiore affidabilità dell’impianto. Quanto sopra non sta a significare che una soluzione 100% “rinnovabile” non sia auspicabile, se sostenibile dal punto di vista economico.

Applicabilità della soluzione ibrida Rimanendo nel campo delle pompe di calore, lo strumento della curva di durata, o dell’analisi della curva stagionale di carico, o anche di temperatura aria esterna e umidità specifica, risulta di grande aiuto qualora si voglia realizzare un sistema multi sorgente o dimensionare più correttamente un impianto con pompa di calore ad aria. In questo caso, ad esempio, è possibi-

le ipotizzare un sistema ibrido, con caldaia a condensazione, per assicurare una migliore taratura della potenza termica della macchina in relazione al carico e per far operare la pompa di calore solo nelle condizioni in cui si prevede non si verifichi significativo brinamento della batteria. Allo stesso modo con pompe di calore geotermiche, non solo per ragioni di costo ma anche, ad esempio, per ragioni ambientali (per contenere il numero di perforazioni), è possibile valutare impianti ibridi sia lato impianto sia lato sorgente. In questo caso la curva di carico d’interesse è quella relativa alla potenza termica che grava sulla sorgente/pozzo termico durante la stagione invernale od estiva.

Conclusioni In presenza di impianti alimentati da fonte rinnovabile, sia per ragioni legate alla non programmabilità naturale di queste fonti, sia per ragioni di tipo tecnico-economico, è fondamentale utilizzare come strumento di progettazione l’analisi della curva di durata del carico termico e frigorifero, o delle variabili climatiche d’interesse. Solo su queste basi è possibile valutare la condizione operativa ottima della centrale termica dal punto di vista tecnico ed economico. Lo strumento si rivela altresì utile per la valutazione della prestazione energetica stagionale di tutti i sistemi di climatizzazione. Consente infatti di mettere in luce il comportamento dell’impianto a carico parziale, fattore chiave per il successo di una realizzazione impiantistica. *Studio 3F-Engineering


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Stato dell’arte

Biomasse per riscaldamento

Aspetti energetici, ambientali ed economici nell’utilizzo delle biomasse per il riscaldamento di Marco Noro*

N

della collettività verso i temi ambientali, e il temuto quanto verosimile incremento dei prezzi dei combustibili fossili, hanno portato la collettività ad una maggiore attenzione alla diffusione delle biomasse legnose come fonte energetica. Significativo il balzo in avanti avvenuto nell’ultimo decennio, dove le biomasse legnose sono passate, secondo le elaborazioni dell’Enea sui dati MiSE, dal 6,4% del 2000 al 9,7% del 2007 nei consumi energetici per il riscaldamento nel settore residenziale. Contemporaneamente, le tecnologie utilizzate a tale scopo hanno subito notevoli miglioramenti, sia sul piano tecnologico ed energetiEGLI ULTIMI ANNI LA CRESCENTE SENSIBILITÀ

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#2

co, sia su quello della sicurezza e delle emissioni inquinanti, pur conservando la convenienza di questo tipo di tecnologie in alternativa ai tradizionali combustibili.

Tipologie e caratteristiche delle biomasse Per biomassa si intende ogni sostanza organica di origine vegetale o animale. Dalle biomasse si possono ottenere direttamente combustibili solidi (legna da ardere, residui agricoli e forestali), oppure combustibili liquidi e gassosi ottenuti tramite opportuni processi di trasformazione strutturale della parte organica (combustibile da rifiuti solidi urbani, biodiesel da piante oleagino-

se, bioetanolo da piante zuccherine ecc.). Ci occuperemo in questa sede dei principali biocombustibili (combustibili ottenuti dalle biomasse) legnosi che già attualmente hanno un utilizzo negli impianti di riscaldamento anche di piccolamedia taglia, tralasciando combustibili come il bioetanolo, il biometanolo ed il biodiesel che trovano applicazioni più specifiche nei motori endotermici per l’autotrazione. Occorre precisare che la “convenienza energetica” dei biocom-


combustioni più efficaci e durature (in tal senso è importante che durante la fase di carica i ciocchi di legna vengano posizionati in maniera raRecent major interest in biomasses fuels is in developed countries, where wood contributes only for 2% to the total energy demand. zionale, evitando di lasciare troppi “vuoti”). In recent years some issues (increasing sensibility of public opinion to environmental problems, increase of fossil fuels costs and deIl corretto dimensionamento della potenvelopment of biomasses conversion technologies) are leading to a major attention to the diffusion of biofuels. za termica del generatore di calore e l’accopThe paper reports on main wood biomasses and their use in heating plant. In recent years wood boilers have got remarkable impropiamento ad un accumulo termico consentono vements both from the technology, the efficiency, the safety and the pollutant emissions point of view. Here we consider modern di risolvere i tradizionali problemi che si avevasolutions, in particular wood, cip and pellet boilers, analizing energetic and environmental aspects and typical installation schemes for small and medium size applications. Finally, an economic analysis of the profitability of such heating plants is reported. no negli impianti costruiti fino a qualche anno fa: frequenti interruzioni della combustione con Keywords: Biomassess fuel, wood, emissions, cip, pellet, boiler conseguente maggiore produzione di inquinanti, fumosità e ceneri, frequenti sporcamenti del camino e della caldaia, minore efficienza stagionale e maggior aggravio per la pulizia della cabustibili non è affatto scontata. Caldaie a legna: tecnologie mera di combustione e rimozione delle ceneri. Studi di tipo LCA (Life Cycle AssesCaldaie a pezzi di legna Più sicurezza nella combustione sment), che considerano i fabbisoNelle caldaie a ciocchi di legna la tecnologia Le moderne caldaie a fiamma inversa sono gni di energia diretti (nei processi maggiormente sviluppata è senz’altro quella deldotate poi di diverse tecnologie che le rendono produttivi del biocombustibile in la caldaia a fiamma inversa. Un tipico esempio è affidabili, efficienti e sicure: questione) ed indiretti (ad esemrappresentato in Fig. 1. Il nome deriva dalla posit tipicamente hanno un ventilatore per spingepio nelle fasi di raccolta o trasporto zione della camera di combustione, situata al di re l’aria di combustione all’interno della camedella biomassa) sono stati effettuasotto della zona di carico della legna (si possora di combustione posto nella parte anteriore ti sia per il biodiesel che per i biono caricare pezzi lunghi da 40-50 cm per caldaie oppure nella parte posteriore per l’aspirazione combustibili legnosi. Si rimanda fino a 50 kW fino a 100 cm per caldaie di mediadei fumi (con conseguente depressione in caalla bibliografia per gli approfongrossa taglia, dell’ordine delle centinaia di kW), mera di combustione che richiama l’aria comdimenti del caso (Sheehan et al., per cui la fiamma si sviluppa in modo da non inburente); 1998) (Nussbaumer e Oser, 2004). vestire direttamente il combustibile, garantendo t l’aria è sempre divisa fra aria primaria (viene introdotta immediatamente sopra la griglia sulla quale è appoggiata la legna e consente l’avPRO E CONTRO DELLE BIOMASSE A FINI ENERGETICI Vantaggi vio della combustione e la formazione di uno t si possono considerare risorse rinnovabili (purché vengano impiegate ad un ritmo non superiore alla capacità di rinnovastrato di braci che permettono la gassificaziomento biologico); ne del legno e la conseguente pirolisi con fort sono, fra tutte le energie rinnovabili, quelle che si possono sviluppare più rapidamente, essendo le tecnologie già mature; mazioni di gas combustibili, soprattutto CO e t sono esenti da zolfo e quindi non provocano formazione di ossidi di zolfo nella combustione, agenti tossici e responsabili delle piogge acide; H) e secondaria (immessa direttamente in cat non provocano aumento della CO nell’atmosfera, perché si può considerare che la quantità di gas che emettono durante la mera di combustione dove avviene appunto la loro combustione è pari a quella assorbita durante la fase di crescita mediante la fotosintesi (Riva, 2003). combustione con i gas); Svantaggi t ventilatore di espulsione dei fumi a giri variat hanno una bassa densità fisica ed energetica e sono stagionali; questo comporta problemi di trasporto e di stoccaggio; t hanno un alto contenuto di umidità ed una particolare resistenza meccanica e chimica, cosa che rende l’essiccamento e la bili (nei modelli più evoluti) e presenza di una l’utilizzo di biomasse alternative comminuzione difficili e costosi.al legno (mais, sansa, gusci, etc.) il cui utilizzo in realtà comporta sonda lambda per il controllo del tenore di osproblemi non ancora completamente risolti in questo tipo di apparecchi.

ENERGETIC, ENVIRONMENTAL AND ECONOMIC ASPECTS OF THE USE OF BIOMASSES FOR HEATING

© Viessmann

Tabella 3: Potenziale di biomassa in Italia (disponibilità annuale di sostanza secca) Tabella A – Potenziale di biomassa in Italia ( disponibilità annuale di sostanza secca) REGIONE Piemonte Valle D'Aosta Lombardia Veneto Trentino-Alto Adige Friuli-Venezia Giulia Liguria Emilia-Romagna Toscana Marche Lazio Umbria Abruzzo Molise Campania Basilicata Puglia Calabria Sicilia Sardegna TOTALE

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[kton/a] 2.479 0 3.617 1.745 2 593 4 1.557 724 539 437 430 229 163 317 452 1.219 212 732 260 15.711

110 2 40 367 65 56 19 398 238 58 248 102 290 31 287 50 814 1.012 598 121 4.906

48 0 17 75 13 11 5 63 64 17 57 14 55 29 66 12 370 190 186 29 1.320

257 1 242 91 35 65 96 237 365 32 112 67 60 44 120 65 46 154 26 65 2.181

[kton/a]

LE BIOMASSE DELLA FILIERA ITALIANA Nel contesto italiano, le principali risorse di biomassa utili ai fini energetici sono: t la biomassa residuale, come i residui agricoli (paglie di cereali, residui verdi), i residui forestali e della lavorazione del legno (frascami, ramaglie, scarti) ed i residui agroindustriali e dell’industria alimentare (vinacce, sanse, lolla). Tale possibilità risulta fondamentale in quanto, non soffrendo dei costi di produzione o coltivazione, risulterebbe una conveniente materia prima; t rifiuti organici; t reflui zootecnici; t colture energetiche erbacee ed arboree dedicate (oleaginose come la colza ed il girasole, zuccherino-amidacee come il sorgo ed il grano, e ligno-cellulosiche come il discanto, la ginestra, il salice, il pioppo ecc.).

Fonte: Enea

Analisi economica Il costo totale di un impianto alimentato a biomassa comprende il costo dell’apparecchio, della sua installazione, dell’eventuale impiantistica correlata (sistema di accumulo inerziale, impianto idraulico, etc.), il costo del combustibile ed il costo della gestione e della manutenzione.

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I PRINCIPALI COMBUSTIBILI PER IL RISCALDAMENTO RESIDENZIALE

Cippato, un combustibile derivato dalla sminuzzatura di legno derivante da scarti di lavorazione, potature, manutenzioni dei boschi, ecc., con dimensioni e contenuti di umidità variabili a seconda delle macchine cippatrici utilizzate e delle tipologie di legni e stagionatura adottate;

Pellet, cilindretti di legno essiccato e pressato della dimensione di alcuni millimetri: offrono il duplice vantaggio di avere PCI e densità energetiche nettamente superiori e una notevole facilità di trasporto.

Legna in ciocchi o tronchetti, delle dimensioni variabili fra 100 e 1000 mm, essenze tipiche sono faggio, quercia, pioppo o le conifere, con almeno un anno di stagionatura all’aria, preferibilmente sotto una tettoia, in modo da garantire un contenuto di umidità inferiore al 25-30%;

sigeno nei fumi tramite l’azione sulle serrande dell’aria o direttamente agendo sulla velocità del ventilatore; ciò consente di ottimizzare la combustione anche durante i transitori di ac-

censione/spegnimento ed i funzionamenti ai carichi parziali. Per quanto riguarda la sicurezza nel funzionamento, vi è la presenza di uno scambiatore

Figura 1 – Esempio di caldaia a legna. Si notino la presenza delle serrande dell’aria primaria divise da quelle dell’aria secondaria (terminata la fase di combustione, esse si chiudono automaticamente ed il ventilatore di aspirazione fumi si spegne; la piccolissima quantità d’aria che riesce a trafilare serve a mantenere un residuo di brace utile a rimettere in funzione la caldaia anche dopo otto ore senza dover ripetere le operazioni di accensione), dei turbolatori ad alta temperatura in camera di combustione che ottimizzano il percorso ed il tempo di residenza della fiamma e dei fumi, dei turbolatori nei canali dei fumi (con relativa maniglia per il loro azionamento per la pulizia dei tubi) (fonte: sito internet www.ht-heiztechnik.it).

ACCUMULO INERZIALE L’assenza di un accumulo termico comportava negli impianti meno recenti frequenti interruzioni della combustione con conseguente maggiore produzione di inquinanti, fumosità e ceneri. Questo significava minore efficienza stagionale e maggior aggravio per la pulizia della camera di combustione e rimozione delle ceneri.

Impianto a biomassa con Caldaia a legna a tiraggio naturale; termocamino con scambiatore di calore acqua/fumi integrato; campo solare; un circuito di riscaldamento miscelato; produzione sanitaria istantanea con scambiatore integrato.

Impianto a biomassa con caldaia a pellet, con caricamento automatico del combustibile mediante sistema pneumatico da stiva di stoccaggio campo solare; tre circuiti di riscaldamento miscelati di cui due con controllo termico in utenza mediante sonda ambiente; produzione sanitaria istantanea con scambiatori integrati. Schemi d’impianto forniti da Windhager

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#2

Impianto a biomassa con termocucina; caldaia a gas o gasolio esistente con comando on/off automatico; campo solare; due circuiti di riscaldamento miscelati; produzione sanitaria istantanea con scambiatore integrato.

Impianto a biomassa con caldaia a gasificazione di legna; campo solare; circuito piscina con doppio scambiatore integrato; due circuiti di riscaldamento miscelati di cui uno con controllo termico in utenza mediante sonda ambiente; produzione sanitaria istantanea con scambiatori integrati.


VASO APERTO O CHIUSO In relazione all’installazione, è da ricordare che (Raccolta R-2005 ISPESL): t le caldaie a legna sono ancora soggette all’obbligo di installazione del vaso di espansione aperto per potenze > 35 kW; t per potenze inferiori ai 35 kW, nel caso di generatori a combustibile solido non polverizzato a caricamento manuale è previsto il vaso aperto. La temperatura massima del termostato di blocco, se la pressione idrostatica è minore di cinque metri, non deve superare i 90°C; t sempre per potenze < 35 kW, per gli impianti a caricamento automatico (con coclea) è previsto sia il vaso aperto che quello chiuso. Per gli impianti fino a 100 kW il dispositivo di dissipazione della potenza residua può essere sostituito dalla valvola di scarico termico.

di emergenza: si tratta sostanzialmente di una serpentina di rame immersa nell’acqua di caldaia, con un lato allacciato ad una presa di acqua fredda e l’altro ad uno scarico che entra in funzione in caso di interruzione dell’alimentazione elettrica o guasto della pompa di circolazione (questo tipo di caldaie, una volta accese, sono caratte-

Differenti tipologie di depositi per lo stoccaggio di pellet e cippato

rizzate da una notevole inerzia termica, causata dalla presenza di una elevata quantità di combustibile al proprio interno). Caldaie a cippato e pellet La tecnologia delle moderne caldaie a cippato ed a pellet presenta molti punti in comune con quella delle caldaie a pezzi di legna, ma anche delle peculiarità: il combustibile, che deve essere immagazzinato in un locale (o in un silo per le taglie più piccole) confinante con la centrale termica, viene estratto tramite un sistema agitatore-coclea che può essere altamente personalizzabile in funzione delle svariate situazioni. Gli impianti sono totalmente automatizzati e non

CAUTELE PROGETTUALI Deposito di combustibile In relazione al problema della sicurezza nell’installazione delle caldaie a cippato o pellet, oltre al già citato vaso di espansione, occorre tutelarsi contro il ritorno di fiamma dalla caldaia verso il silo di deposito del combustibile, situazione che potrebbe verificarsi, ad esempio, in caso di pressione positiva nel focolare (ecco perché molti modelli presentano dispositivi atti al controllo di tale grandezza). Occorre quindi poter interrompere fisicamente il flusso di combustibile dal deposito alla caldaia prevedendo, ad esempio, due coclee separate da una tramoggia di caduta del combustibile (una proveniente dal silo, l’altra che porta il combustibile in caldaia). Canna fumaria Separazione fisica tra deposito di combustibile Importante è poi, per quanto concerne tutte le tipologie di caldaie a bioe centrale per evitare i ritorni di fiamma masse legnose, la corretta progettazione e realizzazione del camino di evacuazione dei fumi. Esso va realizzato in materiale refrattario o, preferibilmente, in acciaio inox coibentato, in modo da garantire, oltre un buon tiraggio, che i fumi non scendano sotto la temperatura di rugiada, soprattutto nelle moderne caldaie in cui la temperatura dei fumi è piuttosto bassa (attorno ai 100°C). Va in ogni caso prevista una manutenzione e pulizia annuale, soprattutto se si utilizzano i pezzi di legna.

DISTANZE DI SICUREZZA

#2

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Tabella 2: Tipologie di apparecchi e camere di combustione per tipiche applicazioni in Europa13 Tabella B – Tipologie di apparecchi e camere di combustione per tipiche applicazioni in Europa ĂƉƉůŝĐĂnjŝŽŶĞ ƚŝƉŽ ŵĂŶƵĂůĞ ƉĞůůĞƚ

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Note: d – dimensione tipica; ceneri e tenore idrico – percentuale in peso; * – percentuale di biomassa < 10%

Note: d: dimensione tipica, ceneri e tenore idrico: percentuale in peso, * percentuale di biomassa < 10% Fonte: Biomass Combustion in Europe Overview on Technologies and Regulations, 2008, NYSERDA Report 08-03, NYSERDA 9477

Occorre inoltre sottolineare che gli apparecchi a biomassa funzionano nelle migliori condizioni solo con un determinato carico e con alte temperature del focolare. Queste condizioni si raggiungono a regime dopo un periodo di funzionamento più lungo rispetto a quello richiesto dai tradizionali combustibili liquidi o gassosi, variabile in funzione della tipologia e della taglia del generatore, dal tipo di presentano limiti dimensionalato (oltre che di diminuzione dell’efficienza) all’aucombustibile, etc. Per questo motivo nel caso degli apparecchi alimentati a biomassa un li (da poche decine di kW aisovradimensionamento mementare del contenuto umidità;maggiori inoltre, bruciancomporta di problemi rispetto al caso degli impianti tradizionali (maggiori emissioni, minori rendimenti, etc.). E’ quindi che ci siano pochi arresti nel gawatt); la loro economicità di do pellet ricavato dalla corteccia piuttosto cheauspicabile dal funzionamento dell’apparecchio, solo brevi periodi di stand-by ed un funzionamento con il carico più esercizio si giustifica perciò alto mag-e stabile legnopossibile. si hannoNel fumicaso con contenuti di caldaie diè particolato preferibile eprevedere in parallelo un generatore alimentato a combustibili tradizionali ad integrazione, undiopportuno accumulatore di acqua calda ed giormente al crescere della taglia di NOx elevati, a causa dell’elevato contenuto cealtri accorgimenti a livello impiantistico. dell’impianto, per cui sono partineri einerziale di azoto(puffer) nel combustibile. L’accumulatore è costituito da un serbatoio d’acqua termicamente isolato, collegato direttamente alla mandata della caldaia tramite un’apposita colarmente indicati per il riscalI fattori che maggiormente influenzano le emis-pompa. Esso consente alla caldaia di funzionare in modo regolare, evitando interruzioni dovute a insufficiente richiesta di energia da parte damento di edifici di dimensioni sioni sono tuttavia quelli tecnologici, cioè di progetdell’impianto di riscaldamento: in queste condizioni, invece di bloccare la combustione o surriscaldare gli ambienti, la caldaia può continuare a funzionare energia nel serbatoio di medio-grandi (alberghi, scuole, tazione e realizzazione della caldaia. Quelle di immagazzinando “vecaccumulo. L’accumulatore inerziale costituisce un “volano” termico per l’impianto di riscaldamento che ospedali, condomini, centri permette comchia” tecnologia, a pezzi di legna senza possibilità di aumentare il comfort di esercizio e di assicurare alcune ore di riscaldamento anche a caldaia L’accumulatore inerziale viene dimensionato merciali, ecc.). Il pellet, rispetto al spenta. di controllo sull’aria primaria e secondaria, a fiamma in funzione della quantità di legna contenuta nella caldaia, della potenza termica nominale e dal carico termico dell’edificio.

cippato, gode del vantaggio di verticale verso l’alto, senza sonda lambda e con caessere ad elevata densità Ienerdipotenze combustione nonindicativamente disegnata ad hoc per ot-tra 5 e 10 kW, i termo-camini tra 20 e caminettimera hanno nominali comprese kW. getica (PCI attorno ai 16-1835MJ/ timizzare le tre T (temperatura, tempo di residenza I caminetti riscaldano sia per irraggiamento che tramite la circolazione di aria calda e vengono kg, densità 600-700 kg/m)solitamente e, a e turbolenza) sostanzialmenutilizzati perpresentano integrare ilemissioni riscaldamento domestico. I caminetti a focolare aperto sono costituiti da tradizionali, quelli a focolare chiuso causa della sua forma in piccoli te focolari superiori, non solo delle caldaie a metano, masono an- in grado di riscaldare gli ambienti in modo più uniforme e continuo e consentono di ottenere migliori rendimenti termici e minori consumi cilindretti di legno vergine di essicche di quelle a gasolio. Tuttavia, le moderne caldaie legna. Funzionano generalmente a ciocchi o bricchette di legno con alimentazione manuale o, se cato e pressato, tende a compora legna, in particolare quelle a pellet, presentano li 13 FiguraReport 2 – Modello di caldaia a pellet a tarsi come un fluido, facilitandovelli di emissione confrontabili in alcuni casi Biomass Combustion in Europe Overview oned Technologies andmiRegulations, 2008, NYSERDA 08-03 , condensazione di un noto costruttore NYSERDA 9477 ne il trasporto. Recentemente un gliori di quelli delle moderne caldaie a gasolio. (fonte: sito internet www.oekofen.it) ϰϴ costruttore ha proposto caldaie a pellet a condensazione (Fig. 2). Rendimento minimo della caldaia secondo EN 303-5 e classificazione

Efficienza ed impatto ambientale

54

#2

Classe 3 Rendimento delle caldaie (%)

Le emissioni inquinanti delle caldaie a legna sono dipendenti sostanzialmente da tre fattori: la tecnologia adottata, la qualità del combustibile e la presenza dell’accumulo. Diciamo subito che il terzo fattore ha un peso rilevante solo nel caso di caldaie a ciocchi di legna, meno in quelle a cippato e poco o nulla in quelle a pellet, per i motivi prima descritti. La qualità del combustibile influisce in termini di aumento degli incombusti e del partico-

Limiti di emissione per caldaie con alimentazione manuale secondo EN 303-5 e classificazione

Classe 2

Limiti di emissione per caldaie con alimentazione manuale secondo EN 303-5 e classificazione Classe 1

Potenza termica nominale (kW)


LE VECCHIE CALDAIE NON REGGONO IL CONFRONTO SULLE EMISSIONI Recentemente alcuni studi hanno individuato nella combustione della biomassa legnosa una delle principali fonti di particolato in atmosfera (sia PM 10 che PM 2.5). Alcune regioni hanno disposto conseguentemente delle restrizioni all’utilizzo della biomassa legnosa, con particolare riferimento agli apparecchi di piccola taglia presenti sul mercato nazionale e progettati in base a criteri ormai superati. In Tab. I vengono riportate le emissioni di alcune tipologie di caldaie: quelle di tecnologia vecchia presentano maggiori emissioni su tutti i fronti, in particolare per quel che concerne i gas serra (in termini di emissioni di metano ed altri idrocarburi incombusti). La sostituzione di una caldaia di vecchia generazione con una moderna a legna con accumulo termico o con una a pellet può ridurre le emissioni di metano di 8-9000 volte, aumentando nello stesso tempo l’efficienza. La semplice installazione di un accumulo termico con una caldaia vecchia può ridurre le emissioni di metano di sette volte e quelle di particolato di ventuno volte (confronto casi d ed e). Un miglioramento simile si ha semplicemente con cariche di legna piccole e frequenti piuttosto che di grossa entità (la centralina di controllo riesce a regolare meglio l’eccesso d’aria). L’emissione di particolato è 180 volte maggiore nello scenario peggiore rispetto a quello migliore. Le efficienze di combustione possono arrivare, nelle moderne caldaie, fino al 92-94% sul PCI.

Caldaie di vecchia generazione

Caldaie a legna moderne

Bruciatori e caldaie a pellet

Caso

CO (%)

CO

Policomb. con acc. 10 kW

a

8,4

4100

660

-

87

65

Policomb. cariche legna grandi

b

4,7

5200

1300

-

350

72

Policomb. cariche legna piccole

c

6,8

4800

1100

610

89

71

A legna con acc. 24 kW

d

8,3

5900

1500

670

103

67

A legna cariche legna grandi

e

6,9

4800

4800

2200

28

f

5,6

8200

3000

-

-

64

Aria soff. fiamma inv. con acc.

g

12,2

707

14

1

27

125

Idem con legna umida 26%

h

11,5

507

33

0,8

25

111

Idem con legna umida 38%

i

5,1

3781

690

73

89

101

Atmosferica con acc.

j

10,3 1300

89

14

32

72

Atm. con acc. legna umida 26%

k

9,1

770

63

9,2

23

81

Aria soff. fiamma inv. con acc. comb. bricchette

l

10,2

880

28

4,3

18

60

Bruc. pellet. fiamma pil. pot. nom.

m

9,5

36

4

0,76

22

68

Bruc. pellet. fiamma pil. funz. int.

n

6

350

78

2,7

-

71

Bruc. pellet. fiamma pil. funz. int.

o

4,8

290

31

-

28

68

Bruc. pellet. fiamma pil. funz. int.

p

3,7

960

250

14

65

66

Bruc. pellet. igniz. el. pot. nom.

q

13

120

3

0,55

16

70

Bruc. pellet. igniz. el. funz. int.

r

9,1

990

60

5,3

64

64

Bruc. pellet. igniz. el. funz. int.

s

8,6

120

10

0,84

15

67

Caldaia pellet. pot. nom.

t

11,7

30

1

-

13

-

Caldaia pellet. funz. int.

u

6,8

380

2

-

12

62

Caldaia pellet. funz. int.

v

3,8

1100

92

-

51

62

Bruc. pellet. igniz. el. funz. int. pellet di corteccia

w

10,6

730

42

1,8

-

180

Caldaia a gasolio

x

12,2

2

1

0,46

12

37

Caldaia multi-combustib. gasolio, legna, pellet

y

10,6

9

32

0,52

6

41

Tabella I – Emissioni in mg di inquinante per MJ di combustibile nei diversi casi analizzati nello studio riportato (Johansson et al., 2004). Si tratta di sei casi con caldaie di vecchia generazione, in cui due con accumulo (a con caldaia multicombustibile, d a legna) e, fra i restanti quattro, due casi si riferiscono ad una strategia di funzionamento della caldaia che vede un riempimento completo del vano di carica e poi uno strozzamento dell’aria per rallentare la combustione (b con caldaia multicombustibile, e a legna) e due si riferiscono ad una strategia di caricamento parziale (c ed f). Con bruciatore a pellet (m, s e w) si intende un dispositivo separato installabile su diversi corpi caldaia, mentre con caldaia a pellet (t e v) si intende un gruppo termico a pellet. La caldaia policombustibile può bruciare pezzi di legna e monta un bruciatore a gasolio ed uno a pellet.

Le variabili che influenzano la convenienza economica di un impianto a biomasse sono molteplici e riguardano il maggior investimento necessario per sistemi più efficienti e puliti, investimento che trova ragione in un fabbisogno termico elevato, alla criticità del

La combustione di legna per riscaldamento domestico contribuisce per il 29% circa alle concentrazioni di PM10. È quanto emerge dalla una ricerca di quest’anno del dipartimento di Scienze dell’Ambiente e del Territorio dell’Università Studi di Milano Bicocca. L’attenzione sta crescendo negli ultimi anni poiché nonostante il combustibile sia rinnovabile, e nel bilancio della CO può essere considerato a impatto zero, oggi in Italia esistono quasi 4 milioni e mezzo di utenze domestiche. Solo in Lombardia sono 800 mila le apparecchiature che consumano 2 milioni di tonnellate di biocombustibile legnoso in un anno.

Comp. CH Particolato NOx Org. Vol.

A legna cariche legna piccole

Valutazione economica

GLI ITALIANI E LE BIOMASSE PER RISCALDAMENTO

costo del combustibile, influenzato dalla modalità di reperimento. Costi di investimento I costi d’investimento iniziale non comprendono unicamente l’acquisto della caldaia ma anche opere edili e nella maggior parte dei casi l’installazione di un deposito di combustibile e di un meccanismo di estrazione automatica. Nell’analisi che seguirà i costi sono riferiti a prodotti tec-

nologicamente avanzati, dotati di sicurezza termica e con una combustione efficiente. Da un’analisi effettuata nella regione austriaca della Styria (Bioheat, 2003) e da dati forniti da alcuni costruttori emerge che il costo di investimento iniziale complessivo per kW di potenza termica passa da valori di poco superiori agli 800 €/kW per le piccole utenze domestiche (2030 kW) a 200-300 €/kW per grossi complessi residenziali (da 100 kW a qualche centinaio di kW). È opportuno sottolineare che al crescere della potenza aumentano anche le dimensioni del deposito combustibile, per cui gli impianti di taglia più grande (>100 kW) in genere privilegiano il cippato o il pellet come combustibile per il minor volume di stoccaggio a parità di potenza. Costi del combustibile Si tratta di una variabile critica per determinare il risparmio operativo annuo derivante dall’impiego delle biomasse. A differenza di quanto accade per i combustibili di origine fossile solitamente impiegati (gasolio, metano, gpl), per i quali esiste un prezzo uniforme sul territorio nazionale (con eventuali variazioni dovute a defiscalizzazione per particolari utenze), per le biomasse il prezzo è molto variabile. Ciò dipende dalla tipologia del combustibile e dalle sue caratteristiche fisico-chimiche e dalla sua disponibilità locale (la scelta di un impianto a biomasse è naturalmente favorita dalla facilità di approvvigionamento). Il confronto fra il costo del combustibile tradizionale e quello delle biomasse deve necessariamente essere svolto a parità di energia resa. Attraverso il potere calorifico di ciascun combustibile si può calcolare la massa equivalente, in termini di energia prodotta, ad esempio, ad un litro di gasolio; nota quest’ultima, a partire dal costo per kg si ottiene facilmente il costo equivalente (Fig. 3). Dal confronto emerge che il costo dell’energia da biomassa è in tutti i casi nettamente inferiore rispetto a gasolio, gpl e metano. Da ciò deriva un risparmio di esercizio grazie al quale è possibile recuperare il maggiore esborso di capitale iniziale necessario come si è visto per acquistare ed installare caldaie a biomasse. In realtà non è così semplice definire il prezzo per tonnellata di legna, cippato e pellet poiché

#2

55


dell’investimento sono il costo equivalente annuo ed il payback scontato (tasso di sconto pari al 5%). Dall’analisi emerge come gli impianti a cippato siano i più convenienti. Il costo equivalente annuo, calcolato cioè sommando i costi di esercizio (combustibile e manutenzione, ipotizzata quest’ultima pari all’1% del costo d’investimento nel caso delle opere termotecniche e allo 0,5% nel caso delle opere edili) ai costi d’investimento attualizzati, risulta, rispettivamente per impianto a gasolio, metano, pellet e cippato: 21513, 12793, 12038 e 7419 €/anno (Fig. 4). Il payback dell’investimento differenziale fra la soluzione a cippato e quella a gasolio è di 2 anni mentre è di circa 4 rispetto a quella a metano. L’impianto a pellet richiede un costo d’investimento iniziale leggermente inferiore rispetto a quello a cippato per via della dimensione più compatta e della maggior facilità di stoccaggio del pellet stesso. È anch’esso più conveniente delle soluzioni tradizionali, anche se il maggior costo del pellet comporta un payback scontato di oltre 11 anni rispetto al metano. Le conclusioni cambiano però se si analizza il caso di un’utenza di taglia inferiore, ad esempio di tipo residenziale, con una potenza termica dei generatori di calore a confronto di 25 kW. Sempre nell’ipotesi di 1400 ore anno equivalen-

Figura 3 – Massa di combustibile equivalente, in termini di contenuto energetico, ad un litro di gasolio e relativo costo in Euro

questo dipende da numerosi fattori. L’intervallo di prezzo è ampio, in particolare per cippato e pellet (Antonimi e Pettenella, 2004). Il prezzo del cippato in Italia così come nel resto d’Europa dipende da molti fattori, ed in particolare dal suo grado di umidità che ne determina sia la resa che il peso, dal tipo di legno usato e quindi se proveniente dallo scarto di lavorazioni industriali o direttamente dal bosco, dalla distanza dal luogo di produzione, dall’aumento del costo del petrolio (utilizzato per la sua produzione e trasporto)

e dalla filiera del mercato. Attualmente in Italia il prezzo del cippato varia tra 16÷30 €/t. Esempi di valutazione Consideriamo un’installazione media (100 kW di potenza termica, ad esempio un’utenza di tipo alberghiero) con un fabbisogno annuo di 140 000 kWh corrispondenti a 1400 ore anno equivalenti. I metodi scelti per la valutazione

Nelle ipotesi si è considerata una vita utile per la caldaia e l’impianto termotecnico di 15 anni e per le opere edili di 30 anni. I costi dei combustibili ed i valori dei rendimenti medi stagionali dei generatori di calore ipotizzati sono riportati in Tabella II (impianto alberghiero da 100 kW) e Tabella III (impianto residenziale da 25 kW). Tabella II – Ipotesi per l’analisi economica (caso impianto da 100 kW)

Combustibile Costo del combustibile PCI Rendimento medio stagionale Consumi combustibile

Cippato

Pellet

Gasolio

Metano

0,025 [€/kg]

0,2 [€/kg]

1,1 [€/l]

0,62 [€/m]

3 [kWh/kg]

4,9 [kWh/kg]

9,6 [kWh/l]

9,6 [kWh/m]

80%

82%

85%

90%

58.333 [kg/anno]

34.843 [kg/anno]

17.157 [l/anno]

16.204 [m/anno]

Figura 4 – Costo equivalente annuo per gli impianti con diversi combustibili e tempo di ritorno scontato dell’investimento nell’impianto a biomasse rispetto ai sistemi a metano ed a gasolio (caso impianto da 100 kW)

56

#2

Tabella III – Ipotesi per l’analisi economica (caso impianto da 25 kW)

Combustibile Costo del combustibile PCI Rendimento medio stagionale Consumi combustibile

Cippato

Pellet

Gasolio

Metano

0,03 [€/kg]

0,25 [€/kg]

1,1 [€/l]

0,7 [€/m]

3 [kWh/kg]

4,9 [kWh/kg]

9,6 [kWh/l]

9,6 [kWh/m]

80%

82%

85%

90%

14.583 [kg/anno]

8.711 [kg/anno]

4.289 [l/anno]

4.051 [m/anno]

Figura 5 – Costo equivalente annuo per gli impianti con diversi combustibili e tempo di ritorno scontato dell’investimento nell’impianto a biomasse rispetto ai sistemi a metano ed a gasolio (caso impianto da 25 kW)


ti di funzionamento, ma con i dati di Tab. III, i risultati indicano ancora una maggior convenienza dellâ&#x20AC;&#x2122;impianto a cippato, seguito da quello a metano, pellet e gasolio (costi equivalenti annui rispettivamente pari a 3242, 3424, 4629 e 5235 â&#x201A;Ź/ anno). In questo caso però, a causa del maggior costo del combustibile biomassa e soprattutto del maggior costo dâ&#x20AC;&#x2122;investimento in termini specifici (si sono ipotizzati 700 e 650 â&#x201A;Ź/kW rispettivamente per le caldaie a cippato e pellet) la convenienza economica dellâ&#x20AC;&#x2122;investimento negli impianti a biomasse risulta meno certa (si vedano anche i tempi di ritorno in Fig. 5).

su taglie medio-piccole. Un possibile ostacolo potrebbe essere la relativa scarsa conoscenza che i progettisti e gli installatori hanno delle applicazioni disponibili, anche a causa della poca ampiezza del mercato di queste tecnologie. * Dipartimento di Tecnica e Gestione dei Sistemi Industriali, UniversitĂ  di Padova â&#x20AC;&#x201C; Sede di Vicenza

Bibliografia t Antonimi E., Pettenella D., 2004, Il mercato attuale dei combustibili legnosi e le sue tendenze, convegno FORLENER, Biella t Bioheat Final Report, 2003, Relazione finale del programma BIOHEAT, Vienna, www.bioheat.info t ENEA, 2006, Rapporto Energia Ambiente t Johansson L. S., Leckner B., Gustavsson L., Cooper D., Tullin C., Potter A., 2004, Emission characteristics of modern and old-type residential boilers fired with wood logs and wood pellets, Atmospheric environment, vol. 38, pp. 4183-4195 t Nussbaumer T., Oser M., 2004, Evaluation of Biomass Combustion based Energy Systems by Cumulative Energy Demand and Energy Yield Coefficient, Final report prepared for International Energy Agency (IEA) and Swiss Federal Office of Energy (SFOE), Verenum (Switzerland) t Riva G., 2003, Biodiesel: aspetti generali e considerazioni ambientali, CTI, Milano t Sheehan J., Camobreco V., Duffield J., Graboski M., Shapouri H., 1998, An Overview of Biodiesel and Petroleum Diesel Life Cycles, NREL/TP-580-24772

Conclusioni Lâ&#x20AC;&#x2122;utilizzo delle biomasse residuali (in breve gli scarti delle lavorazioni del legno, potature del verde pubblico, di coltivazioni come i frutteti o derivante dalla manutenzione dei boschi) può garantire un significativo risparmio economico nellâ&#x20AC;&#x2122;approvvigionamento del biocombustibile, anche in considerazione del carico fiscale che grava sui combustibili tradizionali (gasolio e metano). Ciò può consentire un interessante vantaggio economico degli impianti a biomasse, anche a fronte di un maggior esborso iniziale dovuto ai maggiori oneri di investimento. Tale affermazione risulta sempre piĂš verificata quanto piĂš elevato è il carico termico dellâ&#x20AC;&#x2122;utenza da soddisfare. Il problema potrĂ  sorgere nel momento in cui, aumentando la domanda di questi biocombustibili, i loro costi di approvvigionamento potranno subire incrementi tali da diminuire lâ&#x20AC;&#x2122;attuale elevata differenza di costo di produzione dellâ&#x20AC;&#x2122;unitĂ  di energia termica utile. Dal punto di vista tecnico, come abbiamo visto, non vi sono particolari ostacoli: le moderne caldaie sono costruite con tecnologie in grado di garantire rendimenti e livelli di emissioni confrontabili ed in molti casi migliori di quelli delle corrispondenti caldaie a gasolio. Esistono anche modelli in grado di garantire unâ&#x20AC;&#x2122;elevata flessibilitĂ  nellâ&#x20AC;&#x2122;utilizzo delle diverse biomasse, anche se per ora solo

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Sistemi

Cogenerazione di piccola taglia Analisi tecnica e normativa sulle tecnologie per la produzione combinata di energia termica ed elettrica di Marco Noro*

L’

IDEA DI “COGENERAZIONE” (ovvero la produzione com-

binata di energia meccanica/elettrica e calore) è insita nel Secondo Principio della Termodinamica: un qualsiasi ciclo termodinamico, che converta in lavoro utile il calore prelevato da una sorgente ad una determinata temperatura, deve rigettare una parte di questo calore ad una sorgente a temperatura minore. Utilizza-

Cogeneratore a gas naturale (6 kWe) installato presso il condominio “Abitare e Lavorare” nel quartiere Vauban a Friburgo (DE)

QUADRO NORMATIVO Attualmente in Italia la cogenerazione è regolamentata dal Decreto Legislativo 8 febbraio 2007 n. 20 che recepisce la Direttiva europea 2004/8/CE. Secondo tale decreto, fino al 31 dicembre 2010 la Cogenerazione ad Alto Rendimento (CAR) è quella che soddisfa i requisiti definiti dall’Autorità con la delibera n. 42/02 (con le successive modifiche ed integrazioni), mentre a decorrere dall’1 gennaio 2011 sarà invece quella che rispetta i requisiti previsti dall’Allegato III del Decreto stesso. L’Autorità ha individuato un indicatore relativo del risparmio energetico conseguito rispetto alla produzione separata delle stesse quantità di energia elettrica e calore, ovvero l’IRE (Indice di Risparmio Energetico):

IRE = 1í

Ec E E Ee · t , civ · t ,ind Șes · p Șts , civ Șts ,ind

in cui: Ee = produzione netta di energia elettrica dell’impianto di cogenerazione, Et = produzione netta di energia termica dell’impianto di cogenerazione, Ec η= consumo di combustibile dell’impianto di cogenerazione, ηes , ηts = rendimento elettrico/termico di riferimento nella produzione separata di energia (quest’ultimo differenziato fra usi civili ed industriali), p = parametro che rappresenta le minori perdite di trasporto e trasformazione che gli impianti di produzione comportano quando immettono energia elettrica nelle reti di bassa (BT) o di media tensione (MT), evitando le perdite sulle reti, rispettivamente di media e alta/altissima tensione (AT/AAT), o quando autoconsumano l’energia elettrica autoprodotta, evitando le perdite associate al trasporto di energia elettrica fino al livello di tensione cui gli impianti stessi sono allacciati. Viene poi definito un ulteriore parametro, il Limite Termico LT, come rapporto fra Et e la somma della totale energia utile prodotta (Ee+Et). I limiti stabiliti dell’Autorità affinché un impianto di produzione combinata di energia elettrica/meccanica e termica possa definirsi di Cogenerazione ad Alto Rendimento riguardano il soddisfacimento dell’IREmin e dell’LTmin. Ogni anno il produttore deve comunicare al GSE, Gestore Servizi Energetici, i valori dell’IRE e dell’LT del proprio impianto, che devono essere maggiori dei valori minimi imposti con Delibere dell’Autorità stessa e che attualmente valgono, rispettivamente, 33% e 15% per gli impianti fino a 10 Mwe. Cosa succederà a partire dal primo gennaio 2011? Si dovrà seguire la nuova definizione data nell’Allegato III del decreto, che introduce l’indice PES (Primary Energy Saving) che, per come è definito, coincide sostanzialmente con l’IRE. Una particolarità riguarda gli impianti di piccola cogenerazione (potenza elettrica inferiore ad 1 MWe) o di micro-cogenerazione (inferiore a 50 kWe), che rientreranno automaticamente nella definizione di CAR non appena avranno PES>0.

Benefici collegati al riconoscimento (da parte del GSE) della qualifica di impianto CAR t esonero dall’obbligo di acquisto dei Certificati Verdi, cui invece sono tenuti tutti i produttori di energia elettrica da impianti a fonti fossili; t priorità di dispacciamento dell’energia elettrica immessa nella rete del distributore al quale l’impianto è collegato; t possibilità di ottenere i Titoli di Efficienza Energetica. Solo recentemente, con la Delibera EEN 09 del 12 aprile 2010, sono state introdotte le schede 21 bis e 22 bis, sbloccando i TEE per i piccoli impianti di cogenerazione e teleriscaldamento ad uso civile che avevano presentato le richieste di verifica e certificazione dei risparmi tra il 17 luglio 2006 e la data di pubblicazione della Delibera sulla base delle previgenti schede tecniche n. 21 e n. 22; t riduzione del carico fiscale sul consumo di gas naturale (Decreto Legislativo n. 504/95 aggiornato dal Decreto Legislativo 2 febbraio 2007, n. 26); t possibilità di accedere al servizio di scambio sul posto dell’energia elettrica prodotta da impianti CAR con potenza nominale fino a 200 kWe (Deliberazione dell’Autorità del 3 giugno 2008 – ARG/elt 74/08); t condizioni tecnico economiche semplificate per la connessione alla rete elettrica (Delibera 99/08 AEEG); t cessione dell’energia immessa (Delibera 280/07 AEEG).

Sistemi Efficienti d’Utenza (SEU) Si vuole citare, infine, una recente modifica introdotta con il Decreto legislativo n. 56 del 29 marzo 2010, entrato in vigore a maggio 2010 e che introduce delle modifiche al Decreto 115/2008, innalzando da 10 a 20 MWe la soglia massima di potenza degli impianti di produzione ammessa per costituire un SEU (Sistema Efficiente di Utenza), cioè un sistema caratterizzato dalla presenza contemporanea di un impianto per il consumo di un solo cliente finale e di un impianto di produzione di energia elettrica “alimentato da fonti rinnovabili ovvero in assetto cogenerativo ad alto rendimento”. Viene stabilito come i SEU riguardino unicamente i collegamenti privati “senza obbligo di connessione di terzi” alla rete elettrica. Inoltre, il trattamento dell’energia prelevata da un SEU viene equiparato a quello stabilito per tutti gli altri clienti del sistema elettrico, evitando così le discriminazioni fino a questo momento avute a causa dell’applicazione dei corrispettivi tariffari di trasmissione, distribuzione, dispacciamento e quelli a copertura degli oneri generali di sistema a tutta l’energia elettrica scambiata (quindi anche quella immessa) e non già esclusivamente a quella prelevata.

58

#2


re al meglio (cioè con i minori sprechi possibili) questo calore “di scarto” viene definito cogenerazione quando si producano energia meccanica/elettrica ed energia termica, trigenerazione quando contemporaneamente viene prodotta anche energia frigorifera. Nella maggior parte dei casi l’utenza termica richiede calore a temperature medio-basse, al di sotto dei 150-200°C, sia in ambito industriale sia, a maggior ragione, in ambito residenziale e terziario, dove la maggior applicazione di tale energia termica si ha nella climatizzazione invernale ed estiva.

IMPIANTI A CICLO COMBINATO

Consistono nella serie di un ciclo Brayton (turbina a gas) e di un ciclo Rankine a vapore, in cui i gas di scarico delle turbine a gas alimentano con il loro calore residuo una caldaia a recupero che può anche essere dotata di un sistema di combustione supplementare o di post-combustione ed in cui il vapore generato dalla caldaia a recupero alimenta un turbogruppo a vapore

EVOLUZIONE DELLE TECNOLOGIE DEI MOTORI UTILIZZATI Le prime tecnologie di produzione combinata di energia elettrica e calore sono state, storicamente, quelle derivate dagli impianti termoelettrici a vapore basati sul ciclo termodinamico Rankine. Si tratta dei ben noti impianti a vapore a contropressione, nei quali la turbina a vapore scarica in reti esercite a pressione superiore a quella atmosferica, e degli impianti a vapore a condensazione con spillamento, nei quali il prelievo di vapore per usi tecnologici o di riscaldamento è parziale ed effettuato durante la fase di espansione in turbina. Tali impianti sono evidentemente rivolti a grosse utenze termiche, tipicamente edifici di notevoli dimensioni e/o con elevate richieste di calore durante l’anno (ospedali, industrie del settore chimico, alimentare, cartario, conciario ecc.). Negli ultimi venticinque anni si sono largamente diffusi tuttavia impianti a motori alternativi a combustione interna, sia a ciclo Otto che Diesel, e turbine a gas con caldaie a recupero. Queste due tipologie impiantistiche consistono, come noto, nel recupero, attraverso scambiatori di calore o caldaie a recupero, dell’energia termica del sistema di raffreddamento o dei gas di scarico. Poiché lo sfruttamento dell’energia termica non influenza e non diminuisce (significativamente) la produzione elettrica, si possono avere valori del rapporto energia elettrica / energia termica variabili in range piuttosto ampi.

Più considerazione per la produzione elettrica La sempre maggior diffusione, a partire dalla fine degli anni ’70, degli impianti a ciclo combinato, ha determinato un radicale mutamento nelle modalità applicative della produzione combinata di energia elettrica e di calore in Italia ed in Europa. Si è passati da impianti in cui prevale la produzione termica su quella elettrica (e, nel caso dei motori alternativi a combustione interna o dei turbogas con caldaia a recupero, tali produzioni risultano relativamente indipendenti), agli impianti a ciclo combinato ove risulta predominante la produzione di energia elettrica, ponendo quindi, in generale, problemi di cessione alla rete.

Generazione distribuita Recentemente, si sta assistendo ad un sempre più diffuso interesse verso tecnologie di produzione di energia elettrica, anche di piccola scala, che consentano una generazione di tipo distribuito sul territorio, in ragione di una potenziale maggiore efficienza complessiva del sistema (si evitano le perdite elettriche dovute alla conversione nei trasformatori ed al trasporto nelle reti di alta ed altissima tensione) e di una tendenza al maggior coinvolgimento della singola utenza al sistema produttivo energetico (crisi del modello centralizzato di produzione e distribuzione dell’energia elettrica). In quest’ambito rientra tutta la normativa di incentivazione e semplifica-

MOTORI ALTERNATIVI A C.I. L’industria è in grado di offrire una vasta gamma di moduli packaged, cioè esecuzioni che comprendono, su un unico supporto, il motore e tutti i suoi ausiliari; le taglie vanno dai 10-15 kWe fino a qualche megawatt. Si tratta, di solito, di motori di derivazione automobilistica (fino ai 300 kWe) o navale (oltre) (Figura 1). I motori utilizzati sono generalmente a quattro tempi, aspirati o sovralimentati con intercooling. La potenza termica prodotta dai motori alternativi per la cogenerazione deriva dal recupero del calore su due livelli termici: uno, più elevato, dai gas di scarico (che vengono tipicamente raffreddati da 400-500°C a circa 200°C fornendo la possibilità di generare vapore surriscaldato), l’altro, inferiore, tipicamente dall’acqua di raffreddamento dei cilindri, dall’olio lubrificante e dall’intercooling. Per poter usare forti eccessi d’aria nella combustione, senza penalizzare eccessivamente la potenza specifica e quindi gli già elevati ingombri dei motori, le varie case costruttrici hanno sviluppato, ognuna con caratteristiche diverse, la tecnologia L.B.H.C. (Lean Burn High Compression). Essa permette la combustione con valori di indice di eccesso d’aria, anche maggiori di 1,8, in tal modo riducendo la temperatura dei gas di scarico e quindi l’emissione di NOx (Figura 2). L’adozione della combustione magra non sarebbe tuttavia possibile nei motori se non si attuassero particolari accorgimenti, a causa di difficoltà nell’attuare l’accensione di una miscela magra. Accoppiato al sistema Lean Burn ormai tutte le case costruttrici adottano anche il sistema High Compression, che consente di introdurre una maggiore quantità d’aria e quindi di combustibile nella camera di combustione (sovralimentazione) mediante l’utilizzo di un piccolo gruppo turbo-compressore. Figura 1 – Due esempi di motore alternativo a c.i. a ciclo Otto alimentato a gas, da qualche decina di kW (Aisin Toyota, sinistra) a qualche centinaio (Jenbacher, destra) di kWe

Figura 2 – Emissioni inquinanti e rendimento elettrico al variare dell’indice di eccesso d’aria λ in un motore Wartsila (per gentile concessione di Wartsila)

Caratteristiche principali dei motori alternativi a c.i. t un rendimento elettrico elevato, generalmente superiore al 30% e che può superare il 40% nelle potenze maggiori; t un rendimento globale elevato, generalmente superiore all’80%; t una elevata elasticità di servizio, che permette di ridurre la potenza erogata agendo sulla portata di combustibile, pur penalizzando il rendimento elettrico; t una elevata rumorosità intrinseca, dovuta agli scoppi della miscela nelle camere di combustione, agli organi in movimento nel motore ed alla turbolenza dei fumi di scarico; t non sono trascurabili poi le emissioni inquinanti, specie per quel che riguarda gli NOx, riducibili solo con una attenta progettazione e costi d’investimento sostenuti in sistemi di abbattimento.

#2

59


zione che, non solo in Italia, da qualche anno tende a favorire la diffusione degli impianti a fonti rinnovabili e cogenerativi. E, sempre in quest’ambito, si spiega il crescente interesse verso tecnologie più innovative di produzione combinata di energia elettrica e calore come le microturbine, i motori Stirling e le celle a combustibile.

Tecnologie per la cogenerazione su piccola scala È opportuno forse precisare come non esista alcuna legge fisica che garantisca che il sistema cogenerativo comporti sempre e comunque risparmi di energia primaria e/o economici rispetto la produzione separata: ottenere rendimenti globali tanto più prossimi all’unità o IRE (Indice di Risparmio Energetico) tanto maggiori ha poco significato se poi non si attuano adeguate strategie di dimensionamento, progettazione e funzionamento dell’impianto per utilizzare in maniera quanto più razionale possibile l’energia prodotta (ad esempio tramite l’esecuzione modulare dell’impianto o la predisposizione di adeguati accumuli termici). Le principali tecnologie di motori primi utilizzati per im-

MICROTURBINE A GAS Le microturbine a gas sono una realtà oramai abbastanza diffusa nel settore della cogenerazione di piccola taglia. Hanno avuto una prima fase di sperimentazione e conoscenza presso le utenze durante gli anni ’90 dello scorso secolo, soprattutto a causa degli obiettivi limiti della tecnologia dei motori alternativi: elevati costi di installazione (in parte causati anche dai costi dei sistemi insonorizzanti e dei sistemi di abbattimento delle emissioni inquinanti) ed elevati costi di esercizio e manutenzione (cambio olio, filtri, manutenzione programmata ecc.). Le microturbine (che vengono costruite nelle taglie da poche decine fino a diverse centinaia di kilowatt) sono basate sull’impiego di un ciclo rigenerativo (poco applicato nelle grandi macchine) che consente di elevare il rendimento elettrico, e sono equipaggiate di turbomacchine radiali. Queste risultano molto più economiche e consentono il funzionamento tipico delle microturbine ad un numero di giri elevatissimo rispetto alle tradizionali assiali (Figura 3). Proprio a causa dell’adozione di turbomacchine radiali monostadio, il rigeneratore si rende necessario per aumentare il rendimento della macchina, che nei modelli attualmente in commercio può superare il 30%, con temperature compatibili con i materiali metallici, ed il 35%, con materiali ceramici. I modelli attualmente in commercio utilizzano, quasi tutti, generatori elettrici ad alta velocità. Producono energia elettrica ad elevate frequenze (1500÷2000 Hz) che viene poi convertita staticamente a 50 Hz, mediante un raddrizzatore, che produce corrente continua, ed un inverter, che converte la continua in alternata alla frequenza desiderata. Tale sistema consente di evitare l’utilizzo di costosi e rumorosi riduttori meccanici, il cui impegno di potenza potrebbe, fra l’altro, compromettere la fattibilità dell’intero sistema. Le piccole dimensioni del combustore fanno sì che la fiamma sia più “fredda” per l’irraggiamento verso le pareti, con emissioni di NOx quindi contenute (valore tipico 15 ppmv al 15% di O contro valori dell’ordine delle centinaia per i motori alternativi a c.i.). L’elevato rendimento elettrico ed il basso costo di manutenzione, uniti alla flessibilità nel funzionamento ai bassi carichi con modeste penalizzazioni nel rendimento, hanno incentivato la diffusione di questa tecnologia negli ultimi anni, soprattutto nei paesi dove la liberalizzazione del mercato dell’energia elettrica è in fase più avanzata (USA, Inghilterra, Svizzera ed Olanda). Le applicazioni riguardano riscaldamento di edifici, ospedali, piscine, centri sportivi, alberghi, processi produttivi.

Figura 3 – Modulo Capstone C65 ICHP da 65 kWe, 120 kWt, ηe = 28%, ηtot = 80% (a sinistra) con particolare del gruppo turbina-compressore (a destra)

60

#2

SISTEMA

[Ee+Ec] % CARICO 100% CARICO 50%

TOTALE [(Ee+Et)/Ec] %

ELETTRICO * K = Ee/Et

Turbine a vapore

14-35

12-28

60-85

0,1-0,5

Turbine a gas in ciclo aperto

25-40

18-30

60-80

0,5-0,8

Turbine a gas in ciclo chiuso

30-35

30-35

60-80

0,5-0,8

Cicli combinati

35-45

25-35

70-88

0,6-2,0

Motori Diesel

35-45

32-40

60-85

0,8-2,4

Motori alternativi a combustione interna

27-39

25-34

60-79

0,5-0,6

Celle a combustibile

37-70

37-45

85-90

0,8-1,0

Motori Stirling

35-50

34-49

60-80

1,2-1,7

Valori indicativi del rendimento elettrico, totale e dell’indice elettrico per le diverse tipologie impiantistiche di produzione combinata di energia elettrica e calore Dati liberamente tratti dal testo “Educogen: The European Educational Tool on Cogeneration”, dicembre 2001, disponibile al sito internet www.cogen.org e ripresi dall’AEEG. (*) I valori indicativi della condizione di massimo recupero termico a pieno carico per l’indice elettrico K = Ee/Et degli impianti di produzione combinata di energia elettrica e calore risultano prossimi, o di poco superiori, all’unità.

MOTORI STIRLING Di recente introduzione sono i sistemi cogenerativi equipaggiati con motore Stirling (Figura 4). Si tratta di macchine in cui il fluido motore evolve ciclicamente ed è riscaldato e raffreddato indirettamente, mediante scambi di calore con l’esterno, con rendimenti elettrici attualmente inferiori al 20% e rendimenti termici superiori al 60%. Diverse sono le questioni tecniche, ancora da ottimizzare, e che determinano lo stato di tecnologia ancora in fase di sviluppo (efficacia dello scambiatore rigenerativo interno al ciclo, perdite di efficienza dovute alla non idealità degli scambiatori di calore ecc.) eppure questi sistemi hanno riscosso un certo interesse per specifiche caratteristiche che ne determinano un vantaggio applicativo: t rendimento termico di ciclo (e quindi elettrico) teoricamente massimo (pari a quello del ciclo di Carnot), date le temperature della sorgente e del pozzo termico, dovuto alla presenza di due trasformazioni isoterme e di altre due trasformazioni omologhe (nel caso specifico due isocore); t combustione esterna, in quanto il fluido che evolve lungo il ciclo è a circuito chiuso e riceve calore esternamente, con possibilità quindi di utilizzare qualsiasi tipo di combustibile o cascame termico disponibile purché ad un sufficiente termico. Ad esempio da processi produttivi industriali Lalivello tecnologia Stirling – o da fonti rinnovabili come le biomasse; t emissioni inquinanti molto ridotte rispetto ai motori a combustione interna. L’eventuale combustione è contiPrincipio di funzionamento nua ed a pressione ambiente); t silenziosità durante il funzionamento. Gas in contrazione

Gas in espansione

Riscaldamento dall’esterno

Raffreddamento

A seguito dell’espansione del gas all’interno della camera (grazie ad un bruciatore), il dislocatore (displacer) si muove verso il basso

A causa del movimento del dislocatore il pistone motore si muove verso il basso

Il gas comincia a raffreddarsi e si contrae, il pistone motore e il dislocatore si muovono verso l’alto. Il movimento del pistone all’interno dell’alternatore genera energia elettrica

La molla piana mantiene il dislocatore in movimento

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Figura 4 – Motore Stirling (modello Solo 161), 2-9,5 kWe , 8-26 ηkWt , ηe = 22-24%, ηtot = 90-92%


pianti di piccola-media taglia, da poche decine di kilowatt ad alcuni megawatt – le taglie usualmente si riferiscono alla potenza elettrica – applicati al settore della refrigerazione e condizionamento sono: motori alternativi a c.i., microturbine a gas, motori Stirling e celle a combustibile. Le caratteristiche di questi impianti (taglie medio-piccole, ubicazione degli impianti anche nei centri urbani) incidono sul combustibile maggiormente utilizzato, che rimane il gas naturale, anche se esistono numerose realizzazioni utilizzanti GPL e biogas.

CELLE A COMBUSTIBILE Si tratta di particolari batterie in cui all’elettrodo chiamato anodo si ha l’ossidazione del combustibile (idrogeno, un gas di sintesi ricco di idrogeno o miscele di idrocarburi con preponderanza di metano) che fluisce in maniera continua, mentre all’altro elettrodo, il catodo, si ha la riduzione dell’ossigeno contenuto nell’aria. I due elettrodi sono separati da un mezzo elettrolita che consente la migrazione degli ioni opportuni allo svolgersi delle reazioni. Gli elettroni che si separano vengono convogliati, attraverso l’opportuna conformazione e collegamento degli elettrodi, al circuito elettrico esterno. Il fatto che le reazioni elettrochimiche che avvengono sono esotermiche implica la disponibilità di calore verso l’esterno. Il rendimento di un sistema reale a celle a combustibile si può esprimere come il rapporto fra la potenza elettrica realmente disponibile ai capi dell’inverter e la potenza in ingresso col combustibile fossile. Attualmente i migliori generatori a fuel cells, testati in laboratori di sperimentazione, raggiungono rendimenti dell’ordine del 55%, confrontabiTemperatura di funzionamento della cella li quindi con le migliori tecnologie Il tipo di elettrolita condiziona la temperatura di funzionamento della cella e ciò determina il tipo oggi sul mercato della generazione di reazioni chimiche che possono avvenire agli elettrodi, la loro cinetica ed i loro equilibri: (turbine a gas in ciclo combinato con t AFC, Alkaline Fuel Cells (celle ad elettrolita alcalino) (70-120°C); turbine a vapore); tali valori possono t PEM, Proton Exchange Membrane (celle a membrana a scambio protonico, chiamate anche essere tuttavia superati con l’accopSPFC, Solid Polymer Fuel Cells, celle ad elettrolita solido polimerico) (70-100°C); piamento alla cella di una microturt PAFC, Phosphoric Acid Fuel Cells (celle ad elettrolita acido fosfori-co) (200-250°C); bina a gas. t MCFC, Molten Carbonate Fuel Cells (celle ad elettrolita a carbonati fusi) (600-650°C); t SOFC, Solid Oxide Fuel Cells (celle ad elettrolita ad ossidi solidi) (850-1000°C).

* Dipartimento di Tecnica e Gestione dei sistemi industriali – Università di Padova, sede di Vicenza

Case study IDROGENO COME BATTERIA ENERGETICA West Beacon Farm, sede della Beacon Energy LT e residenza privata del titolare della medesima società di consulenza, prof. Antony Marmont, situata a Loughborough (UK), è un interessante esempio di integrazione di diverse fonti energetiche rinnovabili ed impianti di produzione dell’energia ad elevata efficienza, fra cui l’applicazione della cogenerazione e dell’idrogeno con celle a combustibile. Attualmente presso la West Beacon Farm sono installati: t 2 bipale eoliche da 25 kW; t 3 impianti fotovoltaici ad inseguimento interconnessi per una potenza totale di 3 kWp; t un impianto fotovoltaico fisso da 6 kWp; t un impianto idroelettrico da 2,2 kW che sfrutta un salto disponibile di 20 m ed uno da 850 W ad acqua fluente (il bacino superiore dell’impianto viene caricato con una pompa alimentata dall’impianto fotovoltaico); t un sistema di recupero e riutilizzo dell’acqua piovana; t un impianto di riscaldamento costituito da un cogeneratore a motore a c.i. alimentato a gpl (15 kWe, 38 kWt) e da una pompa di calore elettrica con sorgente termica data dall’acqua dello stesso bacino già citato (COP medio stagionale pari a 4,5). Tutti i sistemi di produzione di energia elettrica da fonti rinnovabili hanno la caratteristica, ben nota, di produrre energia in modo sostanzialmente aleatorio, per cui risulta necessario un sistema di accumulo. Questo è costituito da 48 bombole che conservano l’idrogeno prodotto dall’acqua tramite un elettrolizzatore, utilizzando l’energia elettrica prodotta dalle fonti rinnovabili e rendendolo disponibile per un utilizzo traslato nel tempo mediante Dati sistema accumulo dell’idrogeno in bombole un generatore a celle a combustibile PEM da 5 kWe t 48 bombole in acciaio t capacità di ogni bombola: 475 l t capacità totale a 1 bar(a): 22,8 Nm³ t capacità totale a 25 bar(a) (pressione di uscita dell’H dall’elettrolizzatore, perciò senza bisogno di compressione): 576,4 Nm³

Figura 5 – Veduta delle due pale eoliche da 25 kW (sullo sfondo) e del bacino idrico

Figura 6 – Pannelli fotovoltaici ad inseguimento interconnessi per una potenza complessiva di 3 kWp

Dati principali dell’elettrolizzatore per la produzione dell’idrogeno t consumo elettrico: 34 kW t produzione H2: 8 Nm³/h t pressione H2: fino a 25 bar(a) t efficienza di conversione: 70% (4,2 kWhe/Nm³)

Figura 8 – Generatore a celle a combustibile PEM da 5 kWe Figura 7 – Pannelli fotovoltaici fissi da 6 kWp

#2

61


CASESTUDY MCHP. Quale futuro Micro–cogenerazione

nelle case a basso consumo?

Con le nuove norme UE dal 2021 gli edifici dovranno essere ad energia (quasi) zero. Questa riduzione nella richiesta di energia termica chiuderebbe la possibile evoluzione dei sistemi di microcogenerazione, considerando il loro attuale apporto elettrico/ termico e il basso livello di incentivi. Di seguito il caso di studio di una valutazione della convenienza economica ed energetica dei sistemi endotermici in edifici nuovi e ristrutturati. di Benoît Andlauer*, Pascal Stabat*, Dominique Marchio*, Bernard Flament**

I

SISTEMI DI MICRO-COGENERAZIONE, nota anche come

micro combined heat and power (MCHP), sono apparsi sul mercato in questi ultimi decenni. Alcune tecnologie, come le celle a combustibile, sono ancora in fase di sviluppo, ma altre, come le microturbine o i motori a combustione interna, hanno già raggiunto una certa diffusione commerciale, in particolare in Giappone, Stati Uniti e in alcuni paesi europei.

BAXI ECOGEN 1.24. L’unità murale a micro-cogenerazione proposta da Baxi utilizza un motore Stirling a pistone libero per produrre calore ed energia elettrica. Tra i vantaggi della soluzione Baxi, la produzione diretta di energia monofase a 50 Hz, che non richiede un inverter per l’allacciamento alla rete. L’unità genera una potenza elettrica nominale di 1 kW e una potenza termica di 24 kW: 6 kWt con motore Stirling e i restanti 18 kWt attraverso uno scambiatore ausiliario. È inoltre predisposta per l’integrazione con bollitore indiretto per ACS. Gli attacchi idraulici e lo scarico fumi sono adattabili a quelli standard, agevolando la sostituzione di caldaiette murali esistenti.

62

#2


Y

so l'utilizzo di un software per la simulazione dinamica degli edifici. I modelli sono stati poi calibrati attraverso l’utilizzo di dati sperimentali, ottenuti tramite test sui dispositivi a combustione interna o con motori Stirling. Questi studi, prendendo in considerazione sia il comportamento del sistema MCHP sia l’andamento dinamico dell’edificio,

ARE MICROCOGENERATION PRODUCTS ADAPTED TO LOW ENERGY HOUSES? This paper assesses the potential of micro-cogeneration products in renovated and new low-energy residential buildings in terms of energy effectiveness, cost effectiveness and green house gases emissions in the French context. Dynamic building simulation and micro-cogeneration models calibrated with experimental results have been used to account for interactions between micro-cogeneration devices, heat storage tanks and building loads. Stirling and internal combustion engine systems were compared to reference systems based on natural gas condensing boiler for thermal production and public grid for electricity. Simulation results have shown that the highest primary energy savings can be achieved in multifamily buildings, with an internal combustion engine. An analysis has also shown that a slight increase in the feed-in tariff could lead to an acceptable payback time. Keywords: MCHP, low energy houses, storage tank

MCHP, perplessità dagli studi scientifici

novative (per esempio le caldaie a condensazione ad alta efficienza), tanto che diversi studi si sono già occupati della valutazione dei prodotti MCHP installati nelle residenze. In questo contesto, il progetto internazionale IEA Annex 42 ha sviluppato dei modelli termodinamici, relativi a dispositivi di combustione MCHP, con i quali è stato possibile effettuare delle valutazioni energetiche attraver-

L’interesse sempre maggiore verso i prodotti MCHP è dovuto soprattutto alla produzione di energia elettrica. Questi prodotti “emergenti” oggi si trovano a competere sul mercato con altre tecnologie in-

MF-N MF-R SF-N-LaRoc SF-N-Stbg SF-R MF-N 1428 MF-R SF-N-LaRoc SF-N-Stbg SF-R 120,8 120,8 6 pm1428 – 10 am durante la settimana e 24h/24 nel week-end

3Alta W·m durante l’utilizzo, 0 durante ilMedia non-utilizzo 3 W·m durante l’utilizzo, 0 durante il Massimo 2 W·m a seconda della lucenon-utilizzo naturale

UIlluminazione muri [W·m·K] UU muri [W·m·K] finestre [W·m·K]

0,165 0,165 1,1

U finestre [W·m·K]

1,1

Massimo naturale 0,42 W·m a seconda 0,12 della luce0,08 0,4 0,12 0,08 1,4 1,1

Tab.2 – Legenda: SF – casa unifamiliare MF – casa plurifamiliare N – nuovo R – ristrutturazione Stbg – Strasburgo LaRoc – La Rochelle

1,4

1,1

0,3 0,3 1,4 1,4

90

70

70

60

60

50

50

40

40

30

30

20

20

0

1

2

SH [kW]

MF-N-LaRocHR MF-N-LaRocMV MF-N-LaRocMV MF-R-Stbg

25,7 35,8 35,8 85,6

MF-R-Stbg MF-R-LaRoc MF-R-LaRoc SF-N-Stbg

85,6 55,2 55,2 3,6

SF-N-Stbg SF-N-LaRocHR SF-N-LaRocHR SF-N-LaRocMV

3,6 2,0 2,0 3,5

SF-N-LaRocMV SF-R-Stbg SF-R-Stbg SF-R-LaRoc

3,5 7,4 7,4 5,6

SF-R-LaRoc 5,6 Tab 3 – Risultati della simulazione

Fabbisogno SH annuale Fabbisogno SH[kWh] annuale [kWh] 19.483

Days 4 DHW [kW] 3

SE1 0,7 0,7 7,3

Energia termica Efficienza elettrica Efficienza Efficienza elettrica totale

3,3 20% 20% 85%

12,5 25% 25% 88%

13,5 25% 25% 88%

7,3 10% 10% 85%

Fabbisogno SH annuale Fabbisogno [kWh·m] SH annuale [kWh·m] 13,6

0 5

Fabbisogno elettrico annuale Fabbisogno [kWh] elettrico annuale [kWh] 14.177

13,6 4,9 MF-N-Stbg 4,9 14,8

14.177 14.061 14.061 14.061

60 21.158 87.302 50 87.302 40 52.507

14,8 61,1 61,1 36,8

14.061 14.177 14.177 14.061

52.507 20 1.739 10 1.739 520

36,8 14,4 14,4 4,3

14.061 1.418 1.418 1.406

70

30

0

520 0 1.677 1.677 8.838

1

SH [kW]

4,3 13,9 13,9 73,2 2

73,2 44,9 44,9

Days 4 DHW [kW] 3

6

7

0

SH+DHW [kW]

19.483 90 6.984 80 6.984 21.158

8.838 5.425 5.425

ICE3 5,5 5,5 13,5

10

0

MF-N-Stbg MF-N-Stbg MF-N-LaRocHR

ICE2 4,7 4,7 12,5

MF-N-Stbg

80

10

SH Pmax [kW] SH Pmax [kW] 32,7 32,7 25,7

ICE1 1,0 1,0 3,3

Efficienza totale elettrica, 85% termica 88%ed efficienza 88% energetica 85% Tab.1 – Energia di tre motori a combustione interna (ICE) e di un motore Stirling (SE) che hanno raggiunto la fase commerciale

90

MF-R-Stbg

80

Energia elettrica Energia Energia elettrica termica

Caratteristiche degli edifici analizzati Per la simulazione sono stati presi in considerazione due tipologie di edifici: una casa unifamiliare (SF) e una palazzina plurifamiliare (MF) composta da 20 appartamenti. La simulazione ha assunto che per ciascuna delle due tipologie ci si trovasse davanti ad edifici nuovi (N) o ristrutturati (R), tenendo presente di assegnare all’immobile ristrutturato90livelli d’isolamento meno stringenti rispetto al nuovo (Tabella 2). I due edifici80sorgono in due zone climatiche MF-R-Stbg differenti, più precisamente a La Rochelle (costa occidentale, zona caratterizzata da70un basso picco per riscaldamento e con una domanda costante durante l’inverno) e a Strasburgo (nord60 est, un clima “continentale” che necessita di alti picchi di riscaldamento e una stagione di utilizzo più prolungata). 50 Per quanto40riguarda invece il consumo di acqua calda sanitaria, in base allo standard francese per case unifamilia30 ri (NF-EN13203-2) e alla raccomandazione AICVF per gli edifici multifamiliari, è stato assunto un fabbisogno me20 dio giornaliero di 2 kWh a persona. 10 0 Fabbisogno energetico degli edifici analizzati 0 1 2 3 Days 4 5 6 7 Dai risultati della simulazione è emerso che il fabbisogno specifico per riscaldamento (SH) per i nuovi edifici corSH [kW] DHW [kW] SH+DHW [kW] risponde a quello delle case a basso consumo energetico previsto dalla futura normativa francese in linea con gli obiettivi europei al 2020. Dalla simulazione sarebbe anche emerso che a La Rochelle, a causa del clima temperato, l’investimento in una tecnologia di ventilazione con recupero di calore non sarebbe necessario per conseguire le performance energetiche di cui sopra. Di conseguenza, è stata valutata la possibilità di installare un semplice sistema di estrazione meccanica.

UtilizzoVentilazione meccanica con recupero 6 pm –di10calore am durante la settimana e 24h/24 week-end (efficienza 80%), tranne che innelN-LaRocMV Ventilazione meccanica con recupero di calore (efficienza 80%), tranne che in N-LaRocMV Settaggio per la ventilazione 1500 121 meccanica [m³·h] Settaggio per la ventilazione 1500 121 meccanica Infiltrazioni[m³·h] d‘aria sotto 4 Pa 0,23 1,7 0,16 0,8 [m³·m·h] Infiltrazioni d‘aria sotto 4 Pa 0,23 1,7 0,16 0,8 [m³·m·h] Inerzia termica Alta Media Inerzia termica Guadagni interni Guadagni interni Illuminazione

Motore Stirling (SE) Motore Stirling SE1 (SE)

EDIFICI ANALIZZATI

Caratteristiche principali dei due edifici

Superficie netta (m²) Superficie Utilizzo netta (m²)

Motori a combustione interna (ICE) Motori a combustione interna ICE1 ICE2(ICE) ICE3

5 6 1.406 1.406SH+DHW [kW] 1.406 1.456

1.456 1.441 1.441

1

2

SH [kW]

3 Days 4 DHW [kW]

5

6

7

SH+DHW [kW]

Nelle Figure 1 e 2 viene mostrato il fabbisogno per il riscaldamento (SH), l’ACS (DHW) e i due sistemi combinati (SH + ACS), calcolati nel periodo 16-22 dicembre a Strasburgo, in un edificio plurifamiliare sia ristrutturato che di nuova costruzione.

Fabbisogno Fabbisogno annuale SH+ACS annuale SH+ACS Fabbisogno Fabbisogno [kWh] [kWh·m] annuale SH+ACS annuale SH+ACS [kWh] [kWh·m] 48.656 34,1 48.656 34,1 36.157 25,3

ACS Pmax [kW] ACS Pmax [kW] 21,4 21,4 21,4

Fabbisogno ACS [kWh] ACS Fabbisogno [kWh] 29.173 29.173 29.173

SH+ACS Pmax [kW]Pmax SH+ACS [kW] 36,2 36,2 27,9

21,4 21,4 21,4 21,4

29.173 29.173 29.173 29.173

27,9 39,4 39,4 89,0

36.157 50.157 50.157 116.475

25,3 35,2 35,2 81,6

21,4 21,4 21,4 13,5

29.173 29.173 29.173 4.250

89,0 58,9 58,9 14,6

116.475 81.680 81.680 5.989

81,6 57,2 57,2 49,6

13,5 13,5 13,5 13,5

4.250 4.250 4.250 4.250

14,6 13,7 13,7 14,5

5.989 4770 4770 5.927

49,6 39,5 39,5 49,1

13,5 13,5 13,5 13,5

4.250 4.250 4.250 4.250

14,5 17,3 17,3 15,4

5.927 13.088 13.088 9.675

49,1 108,3 108,3 80,1

13,5

4.250

15,4

9.675

80,1

7

Pmax: massima potenza oraria.

#2 Domestic Hot

63


Micro cogénération

Domestic Hot Water

Heat storage tank

Gas Auxiliary heater

Space heating Cold Water

Figura 3 – Sistema MCHP analizzato – L’efficienza della caldaia ausiliaria è determinata, per ogni intervallo temporale, adottando il modello di Zirngibl (2002), in relazione alla temperatura dell’accumulo e della temperatura di mandata.

Sistema di microcogenerazione

hanno permesso di concludere che la prestazione annuale di questi sistemi non è tanto incoraggiante quanto si era sperato.

SPT [years]

Il caso base di riferimento è costituito da una caldaia a condensazione a gas naturale, modulata tra il 25 e il 100% della sua potenza nominale, e utilizzata sia per il riscaldamento che per la produzione dell’acqua calda sanitaria. Per il riscaldamento, l’efficienza di entrambi i sistemi è determinata, ad ogni intervallo temporale, in base alla differenza tra la temperatura del ritorno e di mandata. Diversamente, per la preparazione di ACS la temperatura dell’acqua di ritorno dallo scambiatore di calore viene assunta costante. Il serbatoio di accumulo è dimensionato sulla metà del prelievo giornaliero di acqua calda sanitaria e, nel caso di riferimento, le perdite sono derivate da quelle simulate per il serbatoio MCHP.

64

#2

Actual feed-intariff

Actual feed-intariff

SISTEMA DI RIFERIMENTO: CALDAIA A CONDENSAZIONE

SPT [Years]

ECOFLAM DUATRON ELEKTRA. Il cogeneratore domestico a basamento proposto da Elco Italia combina una caldaia a condensazione con un motore Stirling, fornendo 1 kW elettrico e fino a 29,5 kW termici per riscaldamento e produzione di acqua calda sanitaria. L’unità è attualmente in fase di market test: nelle intenzioni della società trevigiana il lancio sul mercato avverrà nel corso del 2012.

Il sistema MCHP analizzato, schematizzato in Figura 3, è Low energy houses composto da microcogeneratoA riprova delle considerazioni sopra esposte, re endotermico alimentato a gas va considerato che i carichi termici degli edifici renaturale e, in talune delle confisidenziali si sono evoluti rapidamente, tanto che gurazioni valutate, da una caldail Parlamento Europeo (maggio 2010) ha adottaia ausiliaria, collegati a un serbatoto una risoluzione che impone a tutti gli edifici, io di accumulo termico, destinato che verranno costruiti dopo il 2020, di essere aual prelievo sia per usi sanitari (tra30 tonomi dal punto di vista energetico. Alcuni Pamite scambiatore) che per il riscal25 esi europei, come ad esempio la20Francia, si sono damento. Obiettivo principale delgià impegnati a costruire edifici a 15basso consumo lo studio è quello di confrontare il 10 entro il 2018, adattando anche il vecchio patrimosistema di micro-cogenerazione 5 nio edilizio a questi nuovi standard, con la consecon un sistema di riferimento con guenza di ridurre drasticamente il0 fabbisogno di caldaia a 15condensazione. Si presu0 5 10 20 Feed-in tariff [c €/kWh] energia termica degli edifici. me che il consumo degli ausiliaMF-R-Stbg MF-N-Stbg MF-R-Stbg 2ICE Se questo obiettivo venisse realizzato tutti i ri sia simile in entrambi i sistemi, prodotti di micro-cogenerazione, visto il loro atmentre le perdite di distribuziotuale rendimento elettrico/termico, risulterebne e regolazione, anch’esse simili, bero essere inadatti a soddisfare il consumo di non sono considerate. Si ipotizza, queste nuove abitazioni. Quale futuro avrebbero inoltre, che i serbatoi di stoccaggio i sistemi MCHP in questo nuovo scenario? È quetermico siano dei cilindri verticali, sta la domanda che ha stimolato una ricerca sul modellati attraverso il Type 534 di tema, che si è posta come obiettivo la determiTRNSYS. L’isolamento del serbatonazione delle potenzialità di crescita dei prodotio di accumulo termico è di 2,9 cm ti MCHP in termini di risparmi di energia primadi lana di roccia (conducibilità terria, economici e di emissioni di CO, negli edifici mica 0,04 W·m·K). 60 a basso consumo e, conseguentemente, l’analisi 50 del livello di compatibilità della MCHP con i nuoDimensionamento MCHP 40 vi obiettivi energetici europei. Le diverse esigenze termiche 30 degli edifici simulati e le due tec20 Modalità di approccio generale nologie MCHP modellate nell’An10 Per esaminare l’interazione tra sistema enernex 42, hanno portato a ideare di0 getico ed edificio, è stato utilizzato un software verse soluzioni (vedi40 Tabella 4). La 0 10 20 30 Feed-in tariff [c €/kWh] per la simulazione dinamica degli edifici. Sono potenza delle caldaie e le caratteSF-R-Stbg - SE with condensing HX SF-R-Stbg - Actual SE stati presi in considerazione diversi tipi di costruristiche di efficienza sono state rizioni poste in due distinte zone climatiche delcavate dai cataloghi di prodotti la Francia definiti i fabbisogni di ACS. Gli edifidisponibili in commercio. Poiché ci sono stati analizzati mediante Consoclim, un caldaie di potenza molto bassa software di simulazione dinamica che rileva il canon sono disponibili, il sistema di rico orario in termini di riscaldamento dell’edifiriferimento è sovradimensionacio. In seguito, ai casi selezionati è stato applicato: l’efficienza stagionale potrebto il codice di calcolo TRNSYS 16.1, con il quale è be dunque risentirne. Negli edifici stato possibile effettuare la simulazione del loro monofamiliari è stato previsto un comportamento annuale, sulla base di un intersistema con motore Stirling, senvallo temporale di 30 minuti. za caldaia ausiliaria, mentre negli


VALORI ASSUNTI PER LA VALUTAZIONE Tab 4 – Dimensionamento per le diverse tipologie edilizie

Sistema MCHP Sistema Sistema MCHP MCHP Potenza elettrica Potenza Potenza elettrica elettrica Potenza termica Potenza termica Potenza termica Potenza del riscaldatore ausiliario Potenza del del riscaldatore riscaldatore ausiliario Potenza ausiliario Volume di accumulo termico Volume di accumulo termico Volume di accumulo termico Sistema di riferimento Sistema Sistema di di riferimento riferimento Potenza della caldaia a condensazione Potenza Potenza della della caldaia caldaia aa condensazione condensazione

SF-N SF-N SF-N

SF-R SF-R SF-R

MF-N MF-N MF-N

MF-R MF-R MF-R

MF-R-Stbg MF-R-Stbg MF-R-Stbg

0,7 kW 0,7 0,7 kW kW 7,3 kW 7,3 kW 7,3 kW – –– 500 L 500 500 LL

0,7 kW 0,7 0,7 kW kW 7,3 kW 7,3 kW 7,3 kW – –– 500 L 500 500 LL

5,5 kW 5,5 5,5 kW kW 13,5 kW 13,5 13,5 kW kW 24 kW 24 kW kW 24 3200 L 3200 3200 LL

5,5 kW 5,5 5,5 kW kW 13,5 kW 13,5 13,5 kW kW 50 kW 50 kW kW 50 3200 L 3200 3200 LL

11,0 kW 11,0 11,0 kW kW 27,0 kW 27,0 kW 27,0 kW 50 kW 50 50 kW kW 3200 L 3200 3200 LL

24 kW 24 24 kW kW

24 kW 24 24 kW kW

35 kW 35 35 kW kW

LaRoc: 65 kW LaRoc: 65 kW LaRoc: 65kW kW Stbg: 90 Stbg: Stbg: 90 90 kW kW

90 kW 90 90 kW kW

t Controllo: il sistema MCHP è attivato in relazione alle richieste di riscaldamento. È monitorata la temperatura in uscita dallo scambiatore di calore t I fattori di energia primaria presi in considerazione sono PEFElec = 2,58 per l’energia elettrica e PEFGas = 1 per il gas naturale. t Il fattore di emissioni di CO per il gas naturale è EGas = 0,241 kg/kWh. Nel contesto francese del mix energetico, la quantità di CO per l'energia elettrica è stata definita da ADEME e EDF: EElec1 = 0,180 kg/kWh per il riscaldamento e EElec1 = 0,040 kg/kWh per ACS. t I costi energetici sono assunti il 1º gennaio 2010. Il costo del gas naturale è di CGas = 4,31 €/kWh, mentre la tariffa di alimentazione dell’elettricità è pari CElec = 8,17 €/kWh. I costi di investimento invece si basano su dati forniti dai costruttori (vedere Tabella 5). Costi di installazione e manutenzione si presume siano simili nei casi di riferimento e nella MCHP.

edifici plurifamiliari è stato necessario coprire la potenza termica richiesta con un sistema a combustione interna (ICE3) dotato di un riscaldatore ausiliario. Infine, è stata simulata anche una configurazione con due motori ICE3 e una caldaia ausiliaria.

Tab 5 – Costi di investimento

Caldaia a condensazione 24 kW di potenza: 2.809 € — 90 kW di potenza: 8.144 € Caldaia 24 Caldaia aa condensazione condensazione 24 kW kW di di potenza: potenza: 2.809 2.809 €€ — — 90 90 kW kW di di potenza: potenza: 8.144 8.144 €€ Motore Stirling 1 4.300 € Motore 4.300 Motore Stirling Stirling 11 4.300 €€ Motore a combustione interna 19.897 € Motore 19.897 Motore aa combustione combustione interna interna 19.897 €€ Pb = (Vb / Vb ) · Pb  = (Vserbatoio, bb / / VVbb ) )mentre ·· PPbb  Vb  e Pb  sono PPbb = dove Vb è il volume del(V Accumulo dove del VVbb  eediPPriferimento bb  sono Accumulo dove VVbb èè ilil volume volume deleserbatoio, serbatoio, mentre sono Accumulo rispettivamente il volume il costo delmentre serbatoio rispettivamente rispettivamente ilil volume volume ee ilil costo costo del del serbatoio serbatoio di di riferimento riferimento

Equazioni Equazioni Equazioni Riduzione di energia primaria = (GMCHP · PEFGas − EMCHP · PEFElec) − GRef · PEFGas Riduzione PEF Elec Riduzione di di energia energia primaria primaria = = (G (GMCHP MCHP ·· PEF PEFGas Gas − − EEMCHP MCHP PEFGas Elec)) − − GGRef Ref ·· PEF PEFGas Gas GRef ··· PEF GGRef · PEF Gas Ref · PEFGas dove GMCHP rappresenta la quantità annuale di gas naturale utilizzato del sistema MCHP, E MCHP è la dove GGMCHP rappresenta lala quantità di utilizzato del MCHP, MCHP dove MCHP rappresenta quantità annuale di gas gas naturale naturale utilizzato del sistema sistema MCHP, EEutilizzaMCHP è è lala quantità annuale di energia generataannuale e GRef rappresenta la quantità annuale di gas naturale quantità annuale di energia generata e G Ref rappresenta la quantità annuale di gas naturale utilizzaquantità annuale di energia generata e G Ref rappresenta la quantità annuale di gas naturale utilizzata dalla caldaia di riferimento. ta ta dalla dalla caldaia caldaia di di riferimento. riferimento. Riduzione dei costi = (GMCHP · CGas − EMCHP · CElec) − GRef · CGas Riduzione Elec Riduzione dei dei costi costi = = (G (GMCHP MCHP ·· C CGas Gas − − EEMCHP MCHP Elec)) − − GGRef Ref ·· C CGas Gas GRef ··· CCCGas GGRef Ref ·· C CGas Gas Riduzione emissioni di CO = (GMCHP · EGas − EMCHP · EElec) − GRef · EGas Riduzione ) − GRef · EGas Riduzione emissioni emissioni di di CO CO = = (G (GMCHP MCHP ·· E EGas Gas − − EEMCHP MCHP Elec GRef···EEEElec Gas) − G Ref · EGas GGRef · E Gas Ref · EGas

Risultati: bene l’energia primaria, ma salgono i costi e la CO2 Come indicato dai risultati in tabella 6, la messa in funzione di un dispositivo MCHP porta a ridurre il consumo di energia primaria in tutti i casi di studio. La riduzione è più limitata nel caso venga utilizzato il motore Stirling (SE) e questo a causa del suo basso rapporto tra energia elettrica e termica. Nel caso dei motori a combustione interna (ICE), invece, il risparmio sembra essere correlato al tempo di funzionamento annuale. Nell’attuale contesto francese (con tariffa feed-in di 8,17 €/ kWh, ndt), un risparmio annuo dei costi economici dell’energia non

sembra essere garantito. In due casi, in cui sono valutati i motori a combustione interna, l’adozione potrebbe essere positiva, ma il fattore determinante sembra essere ancora il tempo di funzionamento annuale. Meno favorevoli i risultati dei sistemi con motore Stirling. A fronte di una riduzione dell'energia primaria, i costi annui sono aumentati per ogni edificio. Considerando le emissioni di CO emerge un quadro poco confortante per la MCHP. Le emissioni sono incrementate rispetto al caso di riferimento. A tal proposito va considerato che il mix energetico francese, alla cui base c’è molto nucleare, ha emissioni molto basse. Nemmeno l’aggiunta di un secondo ICE nel caso dell’edificio plurifamiliare ristrutturato in clima continentale (MF-R-Stbg) cambia la situazione delle emissioni di CO, benché i risultati in termini di energia primaria e di riduzione dei costi siano migliorati.

Risultati delle simulazioni

VIESSMANN MICRO CHP. L’unità murale per uso domestico proposta dal costruttore tedesco si avvale di un motore Stirling per la produzione combinata di elettricità (1 kWe) e calore (6 kWt), che salgono a 24 kWt con l’integrazione di una caldaia ausiliaria. Dallo scorso settembre, un centinaio di unità sono in fase di test sul campo prima del lancio sul mercato.

SE SE SE SE SE SE SE SE SE SE SE SE SE SE SE ICE ICE ICE ICE ICE ICE ICE ICE ICE ICE ICE ICE ICE ICE ICE 2-ICE 2-ICE 2-ICE

SF-N-Stbg SF-N-Stbg SF-N-Stbg SF-N-LarocSF SF-N-LarocSF SF-N-LarocSF SF-N-LarocDF SF-N-LarocDF SF-N-LarocDF SF-R-Stbg SF-R-Stbg SF-R-Stbg SF-R-Laroc SF-R-Laroc SF-R-Laroc MF-N-Stbg MF-N-Stbg MF-N-Stbg MF-N-LarocSF MF-N-LarocSF MF-N-LarocSF MF-N-LarocDF MF-N-LarocDF MF-N-LarocDF MF-R-Laroc MF-R-Laroc MF-R-Laroc MF-R-Stbg MF-R-Stbg MF-R-Stbg MF-R-Stbg MF-R-Stbg MF-R-Stbg

Fabbisogno Proporzione Tempo di funzionamento Fabbisogno funzionamento Fabbisogno Proporzione Tempo dicogenerazione funzionamento termico annuo Proporzione di calore in Tempo delladi termico annuo di della termico annuo cogenerazione di calore calore in in della cogenerazione cogenerazione [kWh] [h] [kWh] cogenerazione [h] [kWh] cogenerazione [h] 5 990 100% 1 213 990 100% 11 213 55 990 100% 213 5 928 100% 1 203 55 928 100% 1 203 928 100% 1 203 4 771 100% 1 013 771 100% 11 013 44 771 100% 013 13 088 100% 2 354 13 100% 22 354 13 088 088 100% 354 9 675 100% 1 806 99 675 100% 1 806 675 100% 1 806 48 667 97% 4 280 48 667 97% 44 280 48 667 97% 280 4 267 50 342 95% 44 267 50 342 342 95% 267 50 95% 36 168 99% 3 494 36 168 99% 3 494 36 168 99% 3 494 81 691 82% 5 161 81 691 82% 55 161 81 691 82% 161 116 487 74% 5 662 116 74% 55 662 116 487 487 74% 662 116 487 92% 1stst ICE: 5369 2ndnd ICE: 2783 116 92% 11st ICE: ICE: 5369 116 487 487 92% 5369 22nd ICE: ICE: 2783 2783

Riduzione Riduzione Riduzione dell’energia dell’energia dell’energia primaria primaria primaria 12% 12% 12% 12% 12% 12% 13% 13% 13% 13% 13% 13% 12% 12% 12% 30% 30% 30% 29% 29% 29% 23% 23% 23% 30% 30% 30% 34% 34% 34% 41% 41% 41%

Riduzione Riduzione Riduzione dei costi dei dei costi costi -8% -8% -8% -8% -8% -8% -6% -6% -6% -7% -7% -7% -8% -8% -8% -8% -8% -8% -8% -8% -8% -15% -15% -15% 0% 0% 0% 6% 6% 6% 8% 8% 8%

Tabella 6 – Per ogni edificio viene riportato il fabbisogno annuale termico (SH + ACS), la proporzione di calore in cogenerazione, il tempo di funzionamento annuo del MCHP, l’energia primaria, i costi energetici annuali e, infine, la riduzione delle emissioni di CO.

Riduzione Riduzione Riduzione emissioni emissioni emissioni di CO di di CO CO -25% -25% -25% -25% -25% -25% -24% -24% -24% -21% -21% -21% -23% -23% -23% -56% -56% -56% -53% -53% -53% -65% -65% -65% -35% -35% -35% -16% -16% -16% -31% -31% -31%

#2

65


60

30

50

25

30 20 10

SPT [Years]

40

20 15 10 5

0

0 10

20 Feed-in tariff [c €/kWh]

SF-R-Stbg - SE with condensing HX

30

40

0

SF-R-Stbg - Actual SE

10 Feed-in tariff [c €/kWh]

MF-R-Stbg

Figura 5 – Influenza del conto energia sul tempo di ritorno di uno e due motori a combustione interna.

MF-N-Stbg

15

20 MF-R-Stbg 2ICE

Figura 6 – Influenza del conto energia sul tempo di ritorno di un motore Stirling con la presenza o meno di uno scambiatore di calore a condensazione. L’evoluzione del tempo di ritorno con la tariffa feed-in, per entrambi i sistemi SE, è determinata nel caso più favorevole: la R-SF-Stbg. La comparazione tra il tempo di ritorno dell’investimento tra sistemi ICE e sistemi SE, anche se migliorati, è ancora più favorevole ai sistemi a combustione interna.

Pay back ridotto con maggiori incentivi

Motori Stirling a condensazione Il sistema Stirling esaminato finora è solo un prototipo che ha presentato un’efficienza significativamente inferiore al previsto. Ribberink (Journal of Building Performance Simulation, 2,

2009) ha sottolineato che il dispositivo non è dotato di uno scambiatore di calore a condensazione e che non vi è alcuna ragione tecnologica per cui questo non dovrebbe essere, ad esempio, anche il caso dei prodotti disponibili in commercio. Pertanto, si assume che lo stesso dispositivo, dotato di uno scambiatore di calore a condensazione, abbia un incremento del 10% sull’efficienza termica (vedi Tabella 60 8). Come previsto, con il miglioramento dell’efficienza è necessa50 rio un numero inferiore di ore di funzionamenSPT [years]

Lo studio ha valutato il tempo di ritorno del sovra-investimento nel caso di una tariffa feedin più incentivante. La valutazione è stata estesa ai casi più favorevoli della simulazione precedente. L’evoluzione del tempo di ritorno (SPT) con il “conto energia” nel caso di un edificio nuovo o ristrutturato, al cui interno siano stati installati uno o due ICE (per un costo di 4,31 gas €/kWh) viene visualizzato in Figura 5. I risultati mostrano che un leggero aumento nell’attuale tariffa feed-in francese (ora 8,17 €/kWh) garantirebbe un tempo di ritorno inferiore a 10 anni. Il risultato migliore si otterrà comunque per un edificio ristrutturato con un elevato carico termico annuo. Infine, è stato provato che l’installazione di due ICE nello stesso edificio ristrutturato dà migliori risultati economici rispetto al caso di un ICE nel nuovo edificio.

to per coprire il fabbisogno termico annuo. Ciò porta a un maggiore risparmio di energia primaria, ad una reale riduzione dei costi energetici e a una diminuzione del surplus di emissioni di CO. * Mines-Paristech, France ** INSA de Strasbourg, France

40 30

Riduzione Fabbisogno 20 Proporzione Tempo di funzionamento Riduzione Riduzione emissioni termico annuo di calore in della cogenerazione dell’energia dei costi 10cogenerazione di CO [kWh] [h] primaria SF-N-Stbg

5 990

SF-N-LarocSF

5 928

SF-N-LarocDF

4 771

SF-R-Stbg

13 088

100%

2 137

21%

3%

-10%

SF-R-Laroc

9 675

100%

1 645

20%

2%

-12%

100%

0 0

100%

1 103 10

20%

20 20% Feed-in tariff [c €/kWh]

1 094

100% - SE with condensing 926 HX SF-R-Stbg

30

2%

-14%

2%

40 -13%

21%SF-R-Stbg -3% Actual SE -13%

Tabella 8 – Energia primaria, costi e emissioni di CO realizzati con un sistema con motore Stirling (SE) con scambiatore a condensazione

REMEHA EVITA. Unità di cogenerazione murale con tecnologia a condensazione abbinata a motore Stirling, disponibile nelle versioni Solo e Combi. Produce 1 kW elettrico e 24 kW termici, 5 dei quali erogati direttamente dal motore Stirling. La versione con produzione di acqua calda sanitaria arriva a 28 kWt.

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Motore Stirling e “Conto Energia”

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Motore ICE e “Conto Energia”

DE DIETRICH HYBRIS POWER. Unità di cogenerazione murale ibrida, con caldaia a condensazione e motore Stirling. Produce 1 kW elettrico e 24 kW termici con l’ausilio della caldaia.


DISCUSSIONE

MINICENTRALI DOMESTICHE

I risultati delle simulazioni delineano una riduzione di energia primaria in tutti i casi studiati. La riduzione è significativamente superiore nei sistemi ICE rispetto ai sistemi SE, a causa della loro miglior rapporto energia elettrica / termica. Risparmi annuali si sono però rivelati difficili da realizzare nell’attuale contesto francese. Il parametro che più influenza i sistemi ICE risulta essere il tempo di funzionamento annuo, sempre correlato al carico termico annuo. Edifici rinnovati Questo risultato dimostra che gli edifici rinnovati sono particolarmente indicati per i sistemi ICE. I risultati delle simulazioni hanno anche mostrato che, per i sistemi Stirling, tassi di risparmio dei costi energetici possono essere raggiunti solo con il miglioramento delle prestazioni energetiche. Edifici monofamiliari Si è visto inoltre che i carichi termici di edifici monofamiliari a basso consumo sono limitati dal tempo di funzionamento annuale. Pertanto, solo sistemi MCHP con un elevato rapporto elettricità/calore possono essere presi in considerazione. Il mix elettrico francese, con ridotte emissioni di CO, non è favorevole ai sistemi MCHP, anche se va osservato che l’elettricità prodotta da sistemi di questo tipo aiuta a coprire il fabbisogno di picco, durante il quale si produce energia elettrica con elevato contenuto di CO. Pay back Per quanto riguarda la convenienza economica, l’evoluzione del tempo di ritorno grazie all’adozione del conto energia ha sottolineato la necessità di tariffe comprese tra i 12 e i 17 €/kWh per sistemi a combustione interna e tra i 20 e 25 €/kWh per il motore Stirling. Da non sottovalutare: l’accumulo Dimensioni maggiori dell’accumulo danno più flessibilità nel funzionamento e un minor numero di start-up del motore endotermico. Questo, sebbene si traduca in una maggiore produzione di energia elettrica, comporta dispersioni superiori. Di conseguenza, i vantaggi della produzione elettrica, rispetto al caso di riferimento, devono essere superiori alle perdite di energia termica indotte da un serbatoio di accumulo termico di maggiori dimensioni. I risultati confermano che il dimensionamento del serbatoio di accumulo di calore è essenziale.

Che i tedeschi siano all’avanguardia nello sviluppo di un modello energetico decentrato e partecipativo lo dimostra un progetto che vede coinvolti Volkswagen e una società attiva nel settore delle energie rinnovabili, la Lichtblick. I due partner si propongono di trasformare le abitazioni tedesche in tante piccole centrali elettriche collegate in rete, attraverso l’installazione di “EcoBlue”, una mini-centrale cogenerativa (calore + elettricità) alimentata a gas metano, strutturata intorno al motore di una VW Golf a gas opportunamente modificato. Le mini-centrali sparse sul territorio funzioneranno come un unico sistema virtuale: collegate tra loro, potranno comunicare e interagire in tempo reale e garantire così sicurezza di approvvigionamento, oltre a una maggiore efficienza energetica. La società di Amburgo ha in programma di installare a partire dalla primavera del prossimo anno qualcosa come 100 mila centrali, partendo dalla città di Amburgo, per creare nel lungo periodo una potenza pari a 2.000 MW, l’equivalente dell’energia prodotta da due centrali nucleari. Gli utenti pagheranno 5.000 euro per l’installazione, ma potranno beneficiare di costi energetici contenuti e riceveranno un canone mensile per il disturbo, oltre a un premio calcolato sui ricavi ottenuti dall’energia prodotta, non utilizzata e reimmessa in rete.

Unità di cogenerazione EcoBlue proposta da Lichtblick. Si basa sullo stesso motore a gas montato sulla Volkswagen Golf

PER L’ITALIA MANCANO GLI INCENTIVI

Bibliografia

t Pehnt, M. 2006. Micro cogeneration technology. In Micro Cogeneration : Towards Decentralized Energy Systems, M Pehnt, M Cames, C Fischer, et al., eds. Berlin Heidelberg: Springer Verlag. t Beausoleil-Morrison, I., ed. 2008. An experimental and simulation-based investigation of the performance of small-scale fuel cell and combustion-based cogeneration devices serving residential buildings. Final Report of IEA/ECBCS Annex 42. Ottawa: Natural Resources Canada. t Carbon Trust. 2005. The Carbon Trust’s small-scale CHP field trial update. London, United Kingdom: Carbon Trust. t Ribberink, H, Bourgeois, D and Beausoleil-Morrison, I. 2009. A plausible forecast of the energy and emissions performance of mature-technology Stirling engine residential cogeneration systems in Canada. Journal of Building Performance Simulation, 2, pp. 47 – 61. t Schneider, L. 2006. Economics of Micro Cogeneration. In Micro Cogeneration : Towards Decentralized Energy Systems, M. Pehnt, M. Cames, C. Fischer, et al., eds. Berlin Heidelberg: Springer Verlag. t Bohler, A, Casari, R, Fleury, E, Marchio, D, Millet, J R and Morisot, O. 2000. Consoclim – ensemble coordonné d’algorithmes pour le calcul des consommations d’énergie des bâtiments. Cahiers du CSTB, n° 3187, pp. 1-12. t TRNSYS. 2005. TRNSYS 16.1. Transient Energy System Simulation Program. University of Wisconsin, Solar Energy Laboratory (SEL), Madison, USA. t RT (2005). Réglementation thermique 2005, CSTB, France t AICVF. 1991. E.C.S. L’eau chaude sanitaire dans les bâtiments résidentiels et tertiaires: Conception et calculs des installations. Collection des guides de l’AICVF. Paris : Pyc. t Orphelin, M. 1999. Méthodes pour la reconstitution de courbes de charge agrégées des usages thermiques de l’électricité. PhD Thesis, Ecole des Mines de Paris, Paris. t Zirngibl, J and Millet, J R. 2002. Modèle Chaudière dans l’optique d’un calcul des consommations d’énergie d’une installation de climatisation dans un bâtiment tertiaire. Cahier des algorithmes de ConsoClim. Paris : CSTB. t Dorer, V and Weber, A. 2009. Energy and carbon emission footprint of micro-CHP systems in residential buildings of different energy demand levels. Journal of Building Performance Simulation, 2, pp. 31 – 46. t ADEME. 2007. Bilan Carbone : Guide des facteurs d’émissions [Version 5.0]. t Ministère de l'Économie, des Finances et de l'Industrie. 2009. Base de données PEGASE sur les statistiques énergétiques. Available online: www. industrie.gouv.fr/energie/statisti/pegase.htm t Electricité de Strasbourg. 2009. Tarif Bleu. Strasbourg, France: Electricité de Strasbourg. t JO. 2002. Arrêté du 13 mars 2002 fixant les conditions d’achat de l’électricité produite par les installations d’une puissance inférieure ou égale à 36 kVA pouvant bénéficier de l’obligation d’achat. Paris: Journal Officiel de la République Française.

GRUPPO DI COGENERAZIONE VITOBLOC 200 alimentato a metano (o biogas) di Viessmann. In funzione del modello opera in un range di potenze elettriche tra 18 e 401 kW e tra 36 e 594 kW di potenza termica. Il modello più piccolo della serie, con modulo EM 18/36, è adatto per condomini composti a 30 a 50 unità immobiliari. Il gruppo è in grado di funzionare anche in caso di mancanza di energia elettrica.

Come si è visto con il lancio delle caldaie a condensazione, qualche anno fa, se l’utente non viene incentivato economicamente, difficilmente sceglierà di adottare un apparecchio più costoso, anche se potenzialmente in grado di offrire risparmi economici e benefici energetici nel tempo. Lo stesso discorso vale per tecnologie come la micro-cogenerazione. Nel nostro Paese, oltre alle difficoltà di interfacciare in rete sistemi di produzione di energia elettrica (scambio sul posto), ci si trova davanti alla mancanza di una chiara normativa incentivante per questi sistemi. Eppure, i consumatori più attenti ed evoluti sembrano oggi interessati a sentir parlare di energia distribuita, prodotta da piccole unità domestiche, come risposta autarchica alle grandi sfide energetiche, specie se l’industria saprà fornire sistemi efficienti, con un buon rapporto costo/prestazioni, affidabili, facili da installare e utilizzare.

Mercato potenziale mCHP Italia Volumi cumulati (pezzi totali) 1000000 900000 800000 700000 Scenario 2 high

600000

Scenario 2 low Scenario 1 high

500000

Scenario 1 low 400000 300000 200000 100000 0 2007 2008 2009 2010 2011 2012 2013 2014 2015 2016 2017 2018 2019 2020

Scenario 1 - se vengono rimosse le barriere contro lo sviluppo del mCHP Scenario 2 – se vengono rimosse le barriere e introdotti incentivi statali (FV)

AISIN TOYOTA MCHP A GAS con motore endotermico, esposto da Tecnocasa Climatizzazione. Ha una potenza elettrica di 6 kWe monofase e termica di 11,7 kWt, per un rendimento totale dell’85% (28,8% elettrico + 56,4% termico). Può essere installato sia all’interno che all’esterno. Dispone di funzione inseguimento elettrico con inverter che modula la produzione di elettricità da 0,3 a 6 kW in funzione della richiesta istantanea.

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CASESTUDY Rinnovabili e normative

Solare termico, conviene sempre nei grandi Centri Commerciali

?

Talvolta la pubblica amministrazione impone soluzione tecnologiche ritenute sostenibili dal punto di vista ambientale, ma che non lo sono nella logica dell’esercizio dell’impianto e del tempo di ritorno dell’investimento di Giorgio Fuschini, Pier Giorgio Fuschini *

SOLAR THERMAL ARE ALWAYS WORTHWHILE IN LARGE SHOPPING CENTERS? Shopping centers such as architecture, structure, function, development of internal heat loads (and consequent energy requirements and systems) are deeply different from other buildings. The main function of the facilities in a shopping center is to ensure, in every area, the maximum functional flexibility (heating, ventilation, free cooling, cooling and heat recovery), together with extremely fast response times. Therefore, in almost all cases, HVAC air system are the most used in this kind of buildings. For the construction of this Retail Park in Piedmont (Italy) the local administration required to provide 30% of heating loads in winter (heating + DHW) through solar thermal collectors. This solution, under the technical and economical aspects showed that the ROI varie, from 100 to 120 years compared to the district heating system, from which the Retail park would withdraw the remaining requirements heat. The compromise reached with the government allowed to replace solar thermal collectors with heat pumps with geothermal ground heat exchangers operating at R407C with a COP = approximately 4.3. But even this solutions has payback time of more than 30 years. It really legitimate, for the local government, to impose technological solutions with a payback so long time? Keywords: retail park, solar thermal, GSHP, Piedmont, storage tank

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è in corso di realizzazione un Retail Park, con una superficie complessiva destinata alle attività commerciali di circa 90.000 m². Questo intervento immobiliare è suddiviso in cinque edifici di varia superficie e volumetria ed ha subito, durante lo sviluppo della progettazione esecutiva degli impianti di climatizzazione, notevoli condizionamenti dovuti alla necessità di adeguamento alle norme vigenti, in continua modificazione. Le concessioni edilizie, rilasciate per i vari subambiti del “Retail Park”, sono scaturite dopo una conferenza di servizi svolta presso la Regione Piemonte con la partecipazione di tutti gli enti interessati all’iniziativa, la società immobiliare ed i suoi progettisti. ELL’HINTERLAND TORINESE

Prescrizioni del progetto approvato Relativamente agli impianti di climatizzazione, in sede di conferenza dei servizi, interpretando ed applicando le norme vigenti, furono pro-

poste dai progettisti, ed accettate, le seguenti indicazioni esecutive: t sarebbero stati rispettati i limiti prestazionali di trasmittanze termiche riportati nell’allegato 3 lettera a) dell’8 febbraio 2007; t il “Retail Park” non avrebbe avuto a disposizione nessuna erogazione di gas metano e quindi nessuna rete distributiva al suo interno; t si sarebbe in alternativa dovuto utilizzare, almeno per il ciclo invernale, il calore fornito dalla rete di teleriscaldamento, erogato da una azienda locale a partecipazione quasi esclusivamente pubblica; t si sarebbero dovute utilizzare unità di CDZ, poste sulla copertura degli edifici, dotate di compressori condensati ad acqua in ciclo estivo (anello in ciclo chiu-


Y

Figura 2 – Schema concordato per il servizio di teleriscaldamento per ogni sub ambito del “Retail Park”

Figura 1 – Planimetria del Retail Park

so) in modo che l’unica sorgente esterna di rumore, entro limiti prefissati, fosse solo quella delle torri evaporative; la loro acqua di alimento sarebbe dovuta provenire, previ idonei trattamenti, dalle acque di stabilizzazione della prima falda; t in ciclo invernale le reti distributive del fluido vettore termico a servizio del riscaldamento/ climatizzazione sarebbero state possibilmente a bassa temperatura; temperatura di mandata, fissata in circa +40/+45°C; t la produzione di acqua calda sanitaria sarebbe dovuta avvenire tramite collettori solari per una quota annua di fabbisogno superiore al 60%; t tutti i sistemi di climatizzazione sarebbero stati dotati di recupero di calore sull’aria espulsa (inverno ed estate) con efficienza superiore al 50% (in realtà l’efficienza dei recuperatori di calore è stata subito portata ad oltre l’80%), medio annuale.

Schema funzionale d’impianto Nelle concessioni edilizie per i primi sub-ambiti ufficialmente pervenute era presente per la parte impiantistica una prescrizione relativa agli impianti di climatizzazione riportante l’obbligo di fornire il 30% del fabbisogno termico invernale (riscaldamento + ACS) tramite collettori solari termici, in ottemperanza alla disposizione della legge regionale che lo imponeva esplicitamente. Non era stata invece applicata l’imposizione, sempre prevista nella legge regionale, di utilizzare nel Centro Commerciale “sistemi di riscaldamento a bassa temperatura di tipo radiante”. Lo schema funzionale adottato, illustrato in figura 3-4, prevede di servire ogni terminale di CDZ tramite un anello WLHP di tipo ibrido, in modo che ogni proprietà acquisti direttamente dall’ente erogatore del servizio elettrico la maggior parte dell’energia primaria necessaria alla

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Figura 3 – Schema Funzionale Anello Ibrido

EVOLUZIONE NORMATIVA L’impostazione progettuale, avviata nel 2005, era basata sulla ricerca del rispetto dell’applicazione della norma regionale piemontese emessa il 07/04/2000 nº 43 “Risanamento e tutela della qualità dell’aria”. A progetto di concessione già quasi concluso, la Regione Piemonte ha recepito la Direttiva Europea 2002/91/CE, con deliberazione regionale dell’11 gennaio 2007 nº 98-1247, a cui sono seguite, l’8 febbraio 2007 le norme esplicative. Questa norma in particolare, nel quadro di sintesi delle tipologie di edifici considerati, accorpa nella scheda 5N (edifici nuovi) sia la 5N-E3 “Ospedali, Cliniche, Case di Cura”, sia la 5NE5 “Attività commerciali ed assimilabili”. Rendendo così simili tipologie edilizie dalle caratteristiche conduttive completamente differenti tra loro.

Figura 4 – Centrale di dissipazione

climatizzazione del suo punto vendita. Tale energia primaria rappresenta infatti mediamente oltre il 75% delle spese energetiche annuali.

Determinazione dei fabbisogni Nell’esame dell’andamento giornaliero dei fabbisogni termici interni non è stata seguita l’attuale norma UNI TS 11300, perché non rappresenta la realtà gestionale del Retail Park. È stato tracciato, ora per ora e mese per mese, utilizzando comunque i dati contenuti nelle norme UNI, l’andamento del fabbisogno di energia termica all’interno dei vari sub ambiti in funzione della temperatura esterna. È stato anche analizzato l’andamento della giornata con la temperatura minima esterna e quella di massimo affollamento. In questo modo si è risaliti al valore reale delle dispersioni per intervallo orario. La progettazione ha tenuto conto anche dell’extra potenza necessaria nelle messe a regime del mattino e quella occorrente per i carichi dell’aria esterna al variare delle ore del giorno. Non sono stati trascurati i carichi positivi interni derivanti dall’apporto delle Luci e della FM. Pur tralasciando nell’arco della giornata gli apporti del calore dovuti alla presenza delle persone e agli irraggiamenti solari, il risultato finale è stato che i consumi energetici per il riscalda-

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mento di gran parte dei locali adibiti a vendita e ristorazione è limitato nella giornata media di Gennaio, alla sola messa a regime del mattino e per una durata di non più di quattro/cinque ore dall’accensione dell’impianto (ore 6.30). Il sistema di climatizzazione, raggiunto il suo equilibrio termico interno, può addirittura richiedere, per limitare l’aumento della temperatura, l’intervento automatico del free-cooling, dispositivo sempre previsto nei sistemi di climatizzazione a tutt’aria delle varie zone dei CC.

Il grafico si riferisce all’andamento dei carichi interni nel mese di gennaio di un sub-ambito; nelle prime ore di avviamento dell’impianto sono state considerate le extra potenzialità necessarie per la sua messa a regime; nel carico luci sono stati considerati gli accumuli derivanti dalla parte ceduta per irraggiamento, mentre non è stato considerato il calore ceduto dalle persone.

Figura 5.1 – Andamento Carichi e Fabbisogni Mese Gennaio


Figura 5.2 – Andamento Carichi e Fabbisogni Mese Febbraio

Figura 5.3 – Andamento Carichi e Fabbisogni Mese Marzo

Figura 5.4 – Andamento Carichi e Fabbisogni Mese Aprile

Figura 5.5 – Andamento Carichi e Fabbisogni Mese Ottobre

Figura 5.6 – Andamento Carichi e Fabbisogni Mese Novembre

Figura 5.7 – Andamento Carichi e Fabbisogni Mese Dicembre

CONSUMI ENERGETICI DEI CENTRI COMMERCIALI I centri commerciali come architettura, strutture, funzionamento, andamento dei carichi termici interni (e conseguenti necessità energetiche ed impiantistiche) differiscono nettamente da altri edifici: sia da quelli di civile abitazione, sia da quelli direzionali e sia anche da quelli ospedalieri, cui sono invece quasi assimilati per categoria di scheda di legge (vedasi box “Evoluzione normativa”). La tipologia impiantistica da adottare in essi non può essere la stessa suggerita per le altre tipologie di destinazione, a cominciare da quella radiante. Gli edifici commerciali hanno, infatti, consumi energetici medi invernali per il riscaldamento estremamente contenuti. Il consumo più rappresentativo è quello inerente l’impegno di energia termica per la loro messa a regime (operazione che va fatta comunque senza aria di rinnovo forzato e nel minor tempo possibile) e dell’energia termica per il trattamento dell’aria di rinnovo forzato, al netto del rendimento del sistema di recupero del calore. L’aria di rinnovo viene attivata solo all’apertura al pubblico del C.C. e in determinate aree dovrà essere possibile, per contenere ulteriormente il costo gestionale energetico, controllare automaticamente tale entità di rinnovo in funzione del reale affollamento interno, pur stabilendo un valore minimo di immissione dell’aria esterna anche senza la presenza significativa dei clienti. I fabbisogni energetici complessivi sono destinati a scendere drasticamente durante il giorno, con l’apertura del C.C. alla clientela, fino a scendere a valori assai poco significativi se confrontati con quelli degli altri edifici cui i C.C. sono per scheda normativa forzatamente assimilati. Durante la notte gli impianti di climatizzazione sono mantenuti addirittura spenti, tranne quando la temperatura esterna raggiunge minime notturne fra lo 0°C ed i +3°C. La funzione principale degli impianti in un centro commerciale è quella di garantire, in ogni zona, la massima flessibilità funzionale (riscaldamento, ventilazione, free-cooling, raffreddamento e recupero di calore), unitamente a tempi di risposta estremamente veloci. Pertanto, nella quasi totalità dei casi, l’impianto più utilizzato, perché è il più idoneo come risposta alle necessità di climatizzazione, è quello a tutt’aria.

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Teleriscaldamento

SCREENING DELLE POSSIBILITÀ D’INSTALLAZIONE DEI COLLETTORI SOLARI

Fin dalla fase dello studio di fattibilità dell’iniziativa commerciale fu concordato, con l’azienda locale di servizi energetici erogatrice del fluido vettore di teleriscaldamento, che il kwh termico avrebbe avuto un costo indicizzato di € 0,064 kWh, omni-comprensivo della realizzazione delle reti distributive e delle cinque sotto centrali di scambio termico per i vasi sub-ambiti. Il costo praticato per questo servizio, che utilizza come fluido vettore un cascame termico di un ciclo cogenerativo, è circa la metà di quello che sarebbe derivato dall’autoproduzione dello stesso vettore termico tramite combustione di gas metano con caldaie a condensazione. La scelta dell’amministrazione comunale, che aveva già programmato di servire gli edifici delle nuove urbanizzazioni con questo sistema, si è dimostrata quindi estremamente favorevole. La possibilità di erogazione di un fluido vettore caldo, utilizzabile in ciclo estivo per la produzione di acqua refrigerata (costo concordato in € 0,035 kwh), tramontò invece quasi subito perché non conveniente per l’azienda erogatrice dei servizi energetici.

Nell’esame della possibilità di inserimento dei collettori solari termici si è verificato che l’area in copertura era già allocata per altre installazioni. Nello specifico: t condizionatori (roof-top con compressori condensati ad acqua integrati da batteria ad acqua calda); t recuperatore di calore rotativo per ciascun roof top; t rami distributivi primari dei canali per la climatizzazione (immissione e di ripresa – espulsione aria), delle relative serrande tagliafuoco, dei silenziatori, il tutto fino alle forometrie di mandata e ripresa nel solaio di copertura per l’accesso dei sistemi di CDZ ai locali sottostanti; t lucernai; t evacuatori di fumo, ventilatori di evacuazione fumi e di immissione aria, oltre alle relative zone di rispetto; t estrattori d’aria dei WC e dei loro canali di cablaggio; t collettori solari termici per la produzione di ACS e delle relative tubazioni di cablaggio; t pannelli fotovoltaici; inizialmente circa 200 m² per ognuno dei primi tre sub ambiti. La superficie degli impianti fotovoltaici, per scelta della Committente, è stata notevolmente aumentata per ottenere il massimo sfruttamento di ogni tetto. Tale investimento presenta oggi un ritorno economico interessante e non confrontabile con quello dei collettori solari termici.

Configurazione per il solare termico In base agli accordi presi con gli uffici pubblici competenti, per i primi tre edifici in corso di realizzazione del Retail Park, sarebbe stato necessario fornire in ciclo invernale, tramite i collettori solari, circa 16.000 kWht per ciascun edificio. Allo scopo sono state valutate due soluzioni possibili per l’utilizzo dei collettori solari termici: 1) Collettori solari ad aria. Soluzione quasi subito esclusa sia per gli spazi che richiedeva, sia per la bassa resa termica, sia per l’istantaneità dell’utilizzo dell’energia termica captata, nonché per la complicazione fra impiantistica e strutture

edili che ne derivava. In conclusione per il costo finale svantaggioso per l’investitore. 2) Collettori solari termici ad acqua. Presentavano anch’essi vari problemi, ma consentivano di accumulare l’energia termica, captata durante il giorno, per utilizzarla soprattutto all’avviamento degli impianti il mattino seguente sotto forma di acqua calda stoccata all’interno di serbatoi verticali, come mostrato nello schema di figura 6. Restava il problema del costo e dei conseguenti indecifrabili tempi di ammortamento.

Problematiche tecniche relative allo stoccaggio dell’energia temica Poiché l’energia termica captata dai collettori termici solari avrebbe dovuto essere immagazzinata per l’avviamento il mattino seguente, i serbatoi di accumulo del calore, dai calcoli effettuati, sono risultati della capacità di almeno 3000 litri ognuno, serviti da due stringhe di otto (+ otto) collettori solari per complessivi circa 32 m². Per ogni edificio servivano pertanto almeno due di questi sistemi.

Figura 6 – Schema Produzione del 30% del fabbisogno invernale di acqua calda per il riscaldamento mediante sistema a collettori solari termici

CIRCUITO ANELLO IBRIDO WLHP

1500 lt

V.E.

V.E.

3000 lt

RT n°1

V.E.

RT n°6

3000 lt + -

V.E.

V.E.

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-

C

+

+ -

-

C

+

In estate ogni sistema captante di collettori solari, dato che non sarebbe stato utilizzato, sarebbe dovuto essere completamente vuotato per motivi di sicurezza termica del sistema. Alla capacità dei serbatoi andava quindi ad aggiungersi quella di un ulteriore serbatoio di raccolta generale dell’acqua glicolata, con le relative pompe di ricarica per il nuovo ciclo invernale. Da risolvere inoltre il problema della conservazione in estate delle tubazioni senza fluido vettore all’interno; anche il surriscaldamento estivo delle parti meccaniche dei collettori solari “vuoti” restava un problema non completamente inquadrato e risolto.

Convenienza economica del sistema solare termico Analizzata questa soluzione sotto l’aspetto tecnico e sotto quello economico, è risultato subito chiaro per ogni edificio, che, confrontando il costo del sistema di integrazione solare termico ad acqua con quello del costo già pattuito dell’energia fornita dal teleriscaldamento, il ritorno dell’investimento, variava, per i tre edifici esaminati, da 100 a 120 anni, senza valutare il deperimento del materiale impiegato. Ma vi erano anche considerazioni sulla necessità di trovare locali appositi per la sistemazione dei serbatoi di accumulo, dello scambiatore di calore fra i due sistemi e delle relative elettropompe di circolazione e di ricarica. Il valore commerciale delle superfici interne da sacrificare avrebbe peggiorato ulteriormente i termini di ritorno economico dell’investimento stesso.


Sonde geotermiche come parziale compromesso

Figura 7 – Copertura del 30% del fabbisogno termico invernale reale con pompa di calore geotermica

Nel dialogo che è poi seguito con gli enti pubblici di riferimento per cercare di risolvere i problemi sopra descritti della prima fase realizzativa di questa iniziativa commerciale, è stato concordato di sostituire i collettori solari termici, nella quota parte destinata all’integrazione del riscaldamento, con pompe di calore con scambiatori geotermici a terreno funzionanti ad R407C con un COP = circa 4,3, utilizzabili quindi sia in inverno e sia in estate in modo da mantenere il terreno a contatto di ogni pozzo geotermico ad una temperatura quasi neutra in chiave annua. Questa opzione non era contemplata nella legge regionale piemontese ed è stata concessa una apposita deroga. Va comunque considerato che anche con questa soluzione alternativa il ritorno dell’investimento resta comunque valutabile in oltre trenta anni, malgrado il raddoppio delle ore di funzionamento.

Figura 8 – Schema Pali termici

Lo slalom tra le prescrizioni regionali La nuova legge regionale Piemontese DGR 46-11968 del 4/8/2009 prevede nella scheda 5N, relativamente alle strutture commerciali l’auto produzione tramite collettori solari (termici e fotovoltaici) del 10% del fabbisogno dell’energia termica/frigorifera dell’intero ciclo annuale. Per i due sub-ambiti da riprogettare (60% circa dell’intervento commerciale), se si ricorre al solare termico, la nuova imposizione non è senz’altro migliorativa rispetto ai problemi precedentemente evidenziati. Oltre a permanere i problemi di spazio per alloggiare gli accumu-

li, la percentuale del 10% sul fabbisogno annuale peggiora ulteriormente l’aspetto del ritorno economico dell’investimento. L’unico fattore leggermente positivo risiederà nell’interpretazione che verrà data alla dicitura: “…copertura di almeno il 10% dell’energia primaria annua necessaria alla climatizzazione mediante sfruttamento della fonte solare, attraverso impianti solari termici e fotovoltaici”. Se la “e” fosse sostituibile con la “o”, all’atto pratico, sotto l’aspetto impiantistico, non sarebbe la stessa cosa. * Studio Tecnico Fuschini ing. Giorgio, Imola

L’OPINIONE DEL PROGETTISTA Giorgio Fuschini – Pier Giorgio Fuschini Durante lo sviluppo del progetto più volte ci siamo chiesti quale atteggiamento dovesse assumere un progettista termotecnico, e in modo particolare l’investitore immobiliare, di fronte a questo tipo di forzature legislative regionali. È davvero lecito imporre, localmente, soluzioni tecnologiche con un ritorno dell’investimento così lungo nel tempo? La prescrizione tecnica risulta ancor più pesante se andiamo a confrontare quanto accade in altri paesi. La Danimarca, ad esempio, obbliga ad interventi (senza finanziamenti statali) di risparmio energetico che abbiano un ritorno dell’investimento inferiore a cinque anni. Riteniamo che in Italia non ci sia sufficiente chiarezza normativa, anche in merito alle sanzioni. Se tali prescrizioni non venissero rispettate, il comune competente potrebbe non rilasciare in seguito la certificazione dell’abitabilità?

Bibliografia t Giorgio Fuschini – Relazione ad invito per rivista “L’installatore italiano” (febbraio 1999) su “Aspetti progettuali pratici per il condizionamento dell’aria nei centri commerciali”. t Giorgio Fuschini, Pier Giorgio Fuschini, Nicola Rivizzigno – Relazione Convegno AICARR Padova (giugno 2000) su “Impianti di climatizzazione nei grandi centri commerciali: costi gestionali e standard di progettazione”. t Giorgio Fuschini – Relazione ad invito per rivista “INARCOS - ER” (Cersaie 01) su “Tecnologie adottate per la progettazione del Palazzo Direzionale Mercatone Uno Services in Imola”. t Pier Giorgio Fuschini – Moscow Congress – Hotel Helios Park (Marzo 2009) Relazione ad invito su: ”Effective solution in the Retail Park”. t DELIBERAZIONE DEL CONSIGLIO REGIONALE (Regione Piemonte) 4 Agosto 1999, n. 351 – “Disposizioni relative al risanamento e tutela della qualità dell’aria”. t DELIBERAZIONE DEL CONSIGLIO REGIONALE (Regione Piemonte) 11 gennaio 2007, n. 98-1247 – “Attuazione della legge regionale 7 aprile 2000, n. 43 (Disposizioni per la tutela dell’ambiente in materia di inquinamento atmosferico). Aggiornamento del Piano regionale per il risanamento e la tutela della qualità dell’aria, ai sensi degli articoli 8 e 9 decreto legislativo 4 agosto 1999, n. 351. Stralcio di Piano per il riscaldamento ambientale e il condizionamento. t LEGGE REGIONALE (regione Piemonte) 28 maggio 2007, n. 13. – Disposizioni in materia di rendimento energetico nell’edilizia; e del 7 Ottobre 2002, n. 23. Relativa a disposizioni in campo energetico. t Cesare Maria Joppolo – pres. AICARR – Editoriale su Rivista CDA Settembre 2006

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AiCARR informa UNA SESSIONE DI ESAMI PER I BREVETTI DI CERTIFICAZIONE ASHRAE AICARR organizza, tra il 10 e il 20 di ottobre 2010, una sessione di esami per i brevetti di certificazione Ashrae. L’esame avrà luogo presso il Dipartimento di Fisica Tecnica dell’Università degli Studi di Padova, proctor il Prof. Alberto Cavallini. Le certificazioni previste sono: t Commissioning Process Management Professional Certification t Healthcare Facility Design Professional Certification t High-Performance Building Design Professional Certification t Operation & Performance Management Professional Certification I candidati dovranno essere in possesso di requisiti minimi professionali: laurea o laurea specialistica in ingegneria o architettura, con un minimo di 2 anni di esperienza lavorativa comprovata, oppure qualsiasi tipo di diploma tecnico con almeno 7 anni di esperienza lavorativa comprovata. Le indicazioni per chi desidera candidarsi sono pubblicate sul sito www.aicarr.org.

A UDINE, L’ACQUA… IN PILLOLE Disponibile praticamente ovunque, estremamente economica e dotata di utilissime proprietà, l’acqua è largamente utilizzata come termovettore negli impianti civili e industriali. Questo fluido presenta però anche alcune problematiche, in quanto contiene molte sostanze, in soluzione e in sospensione, che negli impianti provocano incrostazioni e corrosioni, formano depositi e favoriscono crescite biologiche. Il tutto con serie conseguenze non solo per gli impianti ma anche per l’uomo, in quanto la proliferazione di batteri patogeni può provocare malattie gravi come la legionellosi. Il corso di mezza giornata “L’acqua negli impianti civili e industriali: Caratteristiche, problematiche e soluzioni”, organizzato il 21 ottobre prossimo dalla Scuola in pillole AICARR a Palmanova (UD), studia in primo luogo l’acqua, le sue caratteristiche e le sue problematiche, per passare poi agli impianti e ai prodotti chimici necessari per il suo trattamento. Analizza quindi i principali tipi d’impianti tecnici civili e industriali, evidenziando i problemi legati all’acqua e le caratteristiche che questa deve avere per minimizzarli, il tutto con riferimento alla legislazione e alla normativa italiana ed europea. Un particolare approfondimento è dedicato alle specifiche problematiche delle caldaie a condensazione e all’impiego d’antigelo. Il corso si conclude con un sintetico inquadramento del problema Legionella e un cenno ai mezzi di lotta oggi disponibili contro questo pericoloso patogeno. Per informazioni e iscrizioni: www.aicarr.org

DUE “NEW ENTRY” NELLA COLLANA TECNICA AICARR Usciranno in autunno i due nuovi volumi che andranno ad ampliare la Collana Tecnica AICARR. Il volume n. 11 “La pulizia degli impianti di ventilazione” è la traduzione italiana, a cura di Boris Palella, del Rehva Guidebook “Cleanless of Ventilation Systems”. Il volume n. 12 si intitola “Ingegneria della sicurezza antincendio. Guida all’utilizzo di FDS (Fire Dynamics Simulator). La modellazione fluidodinamica degli scenari d’incendio”, autori: Ascenzi, Villi, Vulpiani. Le informazioni relative ai due volumi saranno presto disponibili sul sito di AICARR.

UNI E IL RENDIMENTO ENERGETICO IN EDILIZIA È disponibile per acquisto presso AICARR l’edizione aprile 2010 del CD-Rom “Il rendimento energetico in edilizia” che contiene il testo delle norme UNI citate nel pacchetto legislativo elaborato in attuazione della direttiva 2002/91/CE, compresa la norma UNI/TS 11300-3:2010. Per un’agevole consultazione dei documenti, le norme sono suddivise per argomento di riferimento seguendo lo schema logico dell’Allegato B del decre-

to sulle linee guida nazionali per la certificazione energetica degli edifici: t norme quadro di riferimento nazionale t determinazione della prestazione energetica del sistema edificio-impianto t caratterizzazione dell’involucro t ventilazione t banche dati e norme di supporto Il pacchetto legislativo, allegato, si compone di D.Lgs. 19 agosto 2005, n. 192, di attuazione della direttiva suddetta e successive modifiche ed integrazioni; DPR 20 aprile 2009, n.59, recante Regolamento di attuazione dell’articolo 4, comma 1, lettere a) e b), del decreto legislativo 19 agosto 2005, n. 192; DM 26 giugno 2009 recante le linee guida nazionali per la certificazione energetica degli edifici di attuazione dell’articolo 6, comma 9 del decreto legislativo 19 agosto 2005, n. 192. Questi provvedimenti rendono obbligatorio l’attestato di certificazione/qualificazione energetica per i nuovi edifici, le grandi ristrutturazioni e, in forma graduale, per gli edifici esistenti, e forniscono i criteri generali, le metodologie di calcolo e i requisiti minimi per la prestazione energetica nonché le disposizioni per l’implementazione di un sistema di certificazione energetica degli edifici. Il CD-rom contiene 29 norme, di cui 2 in lingua inglese, che consentono di procedere a una corretta valutazione delle prestazioni energetiche degli edifici e alla relativa certificazione. Maggiori informazioni sul sito www.aicarr.org

SCUOLA AICARR DI MILANO: I PROSSIMI APPUNTAMENTI Procedure – Gestione – Normative 7 luglio: Il progetto: procedure e documenti (NO01) 8 luglio: Conduzione (NO02) 9 luglio: Manutenzione (NO03) Taratura, bilanciamento e collaudo 8 settembre: Collaudo e strumenti di misura (TA01) 9 settembre: Laboratorio taratura e bilanciamento reti idroniche (TA02) 10 settembre: Laboratorio taratura e bilanciamento reti aerauliche (TA03) Direttiva PED 15 settembre: PED-Direttiva 97/23/CE (PE01) 16 settembre: PED – Norme per la messa in servizio DM 1/12/04 n. 329 (PE02) Energie rinnovabili e assimilabili 20 settembre: Solare termico (ER01) 21 settembre: Fotovoltaico ed eolico (ER02) 22 settembre: Geotermia e pompe di calore a terreno (ER03)

SEMINARIO Diagnosi energetica degli edifici esistenti: aspetti relativi a involucro edilizio e impianti, valutazioni tecnico-economiche Prossimo appuntamento a settembre

CONVEGNI Riduzione dei fabbisogni, recupero di efficienza e fonti rinnovabili per il risparmio energetico nel settore industriale Bari, 15 ottobre 2010 – Catania, 12 novembre 2010 Rispondere alla crisi energetica con l’integrazione edificio-impianto: la pompa di calore invertibile Bologna, 28 ottobre 2010

CONFERENZE INTERNAZIONALI IIR  AICARR Sources/Sinks alternative to the outside Air for Heat Pumps and AirConditioning Techniques (Alternative Sources – AS) Padova, 5-6-7 aprile 2011 International Sorption Heat Pump Conference (ISPHC11) Padova, 6-7-8 aprile 2011 Gli abstract sono attesi entro il prossimo 30 settembre all’indirizzo padova2011@gest.unipd.it. Per informazioni dettagliate e iscrizione agli eventi: www.aicarr.org


MINIGUIDA AICARR Manuale d’ausilio alla progettazione termotecnica

Autore: AiCARR Editore: AiCARR ISBN 978-88-95620-56-5 Prezzo: gratuito e disponibile ai soli soci Pagine: 810 Figure: 293

Negli ultimi mesi sta arrivando sulle scrivanie dei soli Soci AiCARR la terza edizione della MINIGUIDA AiCARR, che è stata profondamente rivisitata, pur nel rispetto dello spirito ideatore. La miniguida AiCARR nasce nel 1998 durante la presidenza di Alberto Cavallini, con l’intento sperimentale di creare un manuale di ausilio alla progettazione impiantistica del Benessere Ambientale e della Refrigerazione. Infatti, poche professioni richiedono la conoscenza di così tante discipline che viene richiesta al progettista termotecnico che, oltre alle materie per così dire specifiche della professione (termodinamica, tecnica del freddo, trasmissione del calore, fluidodinamica), deve possedere nozioni di impiantistica elettrica, di acustica applicata, di controlli automatici, di informatica e di tanto altro, fino ad arrivare a quelle di fisiologia del corpo umano ed anche di psicologia, necessarie per poter affrontare le problematiche del Benessere Ambientale. Nel 2004, durante la presidenza di Cesare Taddia, viene pubblicata la seconda edizione della Miniguida, aggiornata nei contenuti ed ampliata con l’inserimento di temi quali la protezione del rumore prodotto dagli impianti, i giunti antivibranti e i principi di illuminotecnica, tema, quest’ultimo spesso trascurato seppure di grande interesse nell’attività progettuale per le sue connessioni con il benessere e con il risparmio energetico. La terza edizione della Miniguida AiCARR, nata e pubblicata durante la presidenza di Renato Lazzarin, continua ad essere uno strumento operativo e non un’enciclopedia, ma è decisamente più ricca delle precedenti edizioni. Le tematiche esistenti sono state in parte riorganizzate ed ampliate con riferimenti tecnici e normativi/legislativi. Sono poi state aggiunte nuove tematiche, quali le pompe di calore e le energie rinnovabili, che negli ultimi anni hanno visto una rapida crescita in termini tecnologici e di interesse. Anche la veste grafica è cambiata: non più il raccoglitore ad anelli, che, se presentava il vantaggio di un potenziale aggiornamento di singole parti con la sostituzione delle relative pagine, aumentava anche il peso del volumetto. La Miniguida AiCARR è composta da diciotto sezioni tematiche (da A a T). Le prime tre sono di carattere generale: contengono richiami di matematica, geometria e unità di misura. Il capitolo D, “Carichi Termici”, si articola in tre sezioni riguardanti rispettivamente il calcolo dei carichi termici, la certificazione energetica e la diagnosi energetica.

Il capitolo E, “La qualità degli ambienti interni”, affronta le tematiche del comfort termico, acustico e visivo e della qualità dell’aria interna, fornendo riferimenti normativi e identificando possibili ricadute sul risparmio energetico del sistema edificio impianto. Anche il capitolo F è diviso in due sezioni: la F.1, “Reti Aerauliche”, nella quale vengono illustrati i concetti di base del moto dell’aria nei condotti ed i criteri di progettazione delle reti aerauliche e forniti dati utili alla progettazione, e la F.2, “Reti idrauliche”, che riporta le principali nozioni di fluidodinamica, le caratteristiche tecniche dei diversi componenti e i criteri di dimensionamento di una rete idraulica, oltre a dati tecnici e riferimenti normativi. Nel capitolo G, “Refrigerazione”, vengono affrontate le problematiche inerenti la scelta e l’utilizzo delle diverse tipologie di fluidi refrigeranti, il dimensionamento dei circuiti frigoriferi, l’utilizzo e la scelta dei fluidi detti secondari utilizzati negli impianti a refrigerazione indiretta, il dimensionamento dei capillari. Il capitolo H, “Azionamenti elettrici”, �� diviso in due sezioni: “Motori e convertitori elettrici” e “Alimentazioni elettriche”. Gli argomenti discussi sono finalizzati al campo di interesse specifico della Miniguida, quindi sono quelli riconducibili ai sistemi e ai componenti elettrici di comando e protezione ed alle condutture necessarie per il loro collegamento alla rete elettrica di distribuzione. Vengono fornite inoltre informazioni in merito ad alcuni sistemi ausiliari correlati alle necessità di avviamento e regolazione dei motori, ai vincoli contrattuali imposti dal distributore di energia elettrica o dalle normative, alla necessità di protezione dei componenti e delle persone. Il capitolo I, “Isolamento da vibrazioni”, tratta la problematica della propagazione delle vibrazioni prodotte dai componenti degli impianti. Vista la complessità della materia e la sua influenza sul comfort ambientale. Il capitolo L, “Economia”, fornisce le basi e gli strumenti per la redazione di valutazioni economiche di investimento utilizzando il criterio dell’attualizzazione, comparando inoltre investimenti alternativi ad obiettivo identico. Il capitolo M, “Normativa”, contrariamente a quanto ci si potrebbe aspettare, non contiene lo stato dell’arte della legislazione e della normativa vigente all’atto di pubblicazione della Miniguida, che sarebbe risultato obsoleto in breve tempo, ma fa riferimento alla pagina “normativa” del sito AiCARR, sulla quale vengono costantemente aggiornate tutte le notizie riguardanti la legislazione e la normativa nei settori di interesse dell’associazione. Il capitolo N, “Regolazione”, affronta il tema dei sistemi di controllo automatico e di gestione a servizio degli impianti HVAC, entrando nel merito della regolazione a più variabili o processi . Il capitolo O, “Idronica”, riguarda la realizzazione di impianti di condizionamento estivo centralizzati di potenza medio-alta con produzione di freddo distribuita su più refrigeratori d’acqua; vengono forniti schemi di distribuzione sia a portata variabile sia a portata costante evidenziandone le caratteristiche salienti e le criticità. Il capitolo P, “Rinnovabili”, affronta ad ampio raggio le tematiche della direttiva Europea 20-20-20 che assegna una percentuale del 20% al contributo delle fonti energetiche rinnovabili al 2020. Consta di quattro sezioni, ciascuna dedicata ad una delle fonti rinnovabili di uso più comune: il fotovoltaico, l’eolico, la biomassa e il solare termico, considerandone sia gli aspetti ambientali che quelli economici. Il capitolo Q, “Pompe di Calore”, è diviso in due sezioni. Nella prima sezione vengono illustrati i concetti generali, mentre la seconda è dedicata alle pompe di calore con scambio col terreno, che hanno riscosso molto successo negli ultimi anni. Il capitolo R, “Cogenerazione”, tratta della produzione dell’energia termica ed elettrica tramite macchine utilizzanti un’unica fonte energetica. Gli ultimi due capitoli, S e T, contengono rispettivamente la simbologia, suddivisa per singolo capitolo, e l’indice analitico della Miniguida. Per informazioni e iscrizioni: www.aicarr.org


Normativa per le fonti energetiche rinnovabili a cura di Luca A. Piterà, Segretario Tecnico AiCARR

L’integrazione delle fonti energetiche rinnovabili all’interno del sistema edificio impianto è influenzata sia da aspetti legislativi sia da aspetti culturali. Tra questi il concetto di fonte energetica rinnovabile.

Cosa s’intende per fonte energetica rinnovabile Nella vita di ogni giorno utilizziamo termini come “produzione di energia”, “consumo di energia”, “fonte energetica non rinnovabile”, “fonte energetica rinnovabile”. Alla luce del principio di conservazione dell’energia il reale significato dei termini produzione e consumo è quello di “trasformazione dell’energia da una forma ad un altra”, ad esempio, da meccanica ad elettrica (consumo di energia meccanica per produrre energia elettrica). Il termine fonte indica sinteticamente il sistema a cui viene sottratta materia e/o energia nelle operazioni di trasformazione, dalla sua forma originaria ad una forma secondaria praticamente utilizzabile. Il suo successivo trasferimento ed impiego in un sistema utilizzatore avviene nel pieno rispetto della conservazione applicata al complesso fonte, vettore di trasporto, utilizzatore. L’aggettivo rinnovabile associato al concetto di fonte energetica ne specifica le caratteristiche di durata e disponibilità. Per fonte energetica rinnovabile quindi si intende quella fonte che sia virtualmente inesauribile

ma che alterni periodi di disponibilità a periodi di indisponibilità (esaurimento apparente), la cui durata non venga influenzata dalle modalità di estrazione dell’energia. Vengono definite quindi fonti energetiche rinnovabili: t l’energia solare diretta t l’energia idraulica t l’energia eolica t le biomasse t l’energia geotermica (alta entalpia) t le maree e il moto ondoso Si intende per fonte energetica assimilata alle rinnovabili: t la cogenerazione, intesa come la produzione combinata di energia elettrica e meccanica e di calore, t il calore recuperabile nei fumi di scarico e da impianti termici, da impianti elettrici e da processi industriali, t le altre forme di energia recuperabile in processi, in impianti e in prodotti, ivi compresi i risparmi di energia conseguibili nella climatizzazione e nell’illuminazione degli edifici con interventi sull’involucro edilizio e sugli impianti.

Le rinnovabili in Italia Nonostante la crisi economica, l’utilizzo delle fonti energetiche rinnovabili continua con coerenza la sua crescita. Ciò è dovuto sia ad una presa

di coscienza collettiva sulle effettive potenzialità di tali fonti sia a meccanismi di incentivazione promossi a livello europeo e nazionale. Dati del GSE (Gestore dei Servizi Energetici) mostrano come le fonti rinnovabili soddisfino il 18,8% del fabbisogno elettrico nazionale con una crescita del 13,5% rispetto allo scorso anno. Anche se la fonte principale continua a essere l’idroelettrico, che copre il 72% del totale dell’elettricità prodotta da rinnovabili (47.534 Gwh), con una diminuzione rispetto all’87% dell’anno scorso, l’eolico e il fotovoltaico sono le fonti che mostrano una maggiore propensione all’applicazione, nonostante rivestano un ruolo ridotto (rispettivamente il 9% e l’1%). Nel 2009 sono stati installati 1.312 MW di impianti eolici, il 37% in più rispetto ai 3.538 MW del 2008, mentre il fotovoltaico ha raggiunto i 730 MW, il 135% in più rispetto ai 418 MW dello scorso anno. Positivi anche i risultati degli impianti utilizzanti biomassa e rifiuti biodegradabili, con rispettivamente il 10% (6.300 GWh) e geotermia con l’8% (5.347 GWh).

2009, LA CRISI RALLENTA LA CRESCITA DEL SOLARE TERMICO IN EUROPA Il mercato del solare termico nei paesi dell’UE e in Svizzera ha segnato come mostrato dalla figura 1 una forte crescita nel 2008 pari al 60% circa 3,3 GWth di nuove installazioni per 4,76 milioni di m di superficie di collettori installati nel 2008. A livello europeo il contributo maggiore è dato dal mercato della Germania che nell’ultimo anno ha raddoppiato di fatto la domanda di impianti solari termici, soprattutto nel settore dei piccoli impianti. Nonostante il tasso di crescita dell’Austria risulti modesto, pari al 24%, la sua potenza installata raggiunge il 29 kWth ogni 1000 abitanti, superata solo da Cipro con il 61 kWth ogni 1000 abitanti (figura 2). Nel 2009, invece, il mercato del solare termico in Europa ha vissuto un’involuzione. Secondo le statistiche dell’European Solar Thermal Industry FeSuperficie Confronto deration (ESTIF), l’area coperta da nuovi impianti nei 27 Stati membri più la Paese installata nel mercato Svizzera ammonta a 4.277.000 metri quadri nel 2009, una diminuzione del 2009 [m] 2008/2009 10% rispetto ai 4.770.000 metri quadri del 2008. Il rallentamento è dovuto Germany 1.615.000 -23,00% principalmente ad uno sviluppo negativo del mercato in Germania, che seItaly 400.000 -5,00% gna -23% e in Grecia, con -31%. Tra i sei maggiori mercati europei, solo l’Austria è riuscita a registrare un lieve aumento del volume di mercato. Spain 391.000 -10,00% In Italia il mercato del solare termico è abbastanza solido. Nel 2008 è creAustria 356.544 3,00% sciuto, rispetto al 2007, del 28% circa (295 MWth di potenza installata, France 335.000 -14,00% 421.000 m di collettori solari termici) e nel 2009 ha registrato un calo di appena il 5%. Ma come altri paesi europei, ad esempio Spagna e Francia, Greece 206.000 -31,00% lo sviluppo degli impianti solari termici rimane al disotto della media euroSwitzerland 146.750 30,00% pea. A fronte di un valore medio europeo pari a 38 kWth ogni 1000 abitanti, Denmark 54.500 65,00% l’Italia si posiziona con un valore medio di potenza installata pari a 19 kWth ogni 1000 abitanti. Netherlands 44.000 76,00% Secondo il Presidente di Estif, Olivier Drucke, anche se vi è un’evidente correHungary 25.000 125,00% lazione tra il mercato solare termico, i prezzi del carburante e le attività ecoSlovenia 22.000 38,00% nomiche, la stabilità del settore resta fortemente legata al paesaggio variePortugal 17.439 103,00% gato e incoerente che le diverse politiche di sostegno per le tecnologie solari termiche hanno generato in tutta Europa ed in Italia in particolare. Figura 3 – Mercato Solare Termico in Europa nel 2009 – fonte ESTIF.

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Figura 1 – Mercato del solare termico nei 27 paesi UE e in Svizzera (collettori vetrati) – fonte ESTIF.

Figura 2 – Sviluppo del mercato del solare termico espresso in kWth /1000 abitanti – fonte ESTIF.


PANORAMA LEGISLATIVO La legge n. 296/2006 detta anche Finanziaria 2007 (Pubblicata sulla Gazzetta Ufficiale n. 299 del 27 dicembre 2006), all’articolo 1 comma 1120, modifica il testo legislativo della legge del 9 gennaio 1991 n.10 recante “Norme per l’attuazione del Piano Energetico Nazionale in materia di uso razionale dell’energia, di risparmio energetico e di sviluppo delle fonti rinnovabili di energia”, eliminando da quest’ultima ogni riferimento alle fonti energetiche assimilate alle rinnovabili e limitando, di conseguenza, la definizione delle stesse alle sole fonti energetiche definite come pure: sole, vento, l’energia idraulica, le risorse geotermiche, le maree, il moto ondoso e la trasformazione dei rifiuti organici di prodotti vegetali.

LEGGE 10/91 La Legge 10/91 prevede: “uno specifico piano a livello comunale relativo all’uso delle fonti rinnovabili di energia” da integrare nei piani regolatori generali (art. 5 comma 1 e 2). “Negli edifici di proprietà pubblica o adibiti ad uso pubblico è fatto obbligo di soddisfare il fabbisogno energetico degli stessi favorendo il ricorso a fonti rinnovabili di energia salvo impedimenti di natura tecnica od economica” (art.26, comma 7). D.P.R. 412/1993 Il decreto attuativo della Legge 10/91, il D.P.R. del 26 Agosto 1993, n. 412 “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 legge 9 gennaio 1991, n. 10” (pubblicato sul Supplemento ordinario in GU n.242, del 14/10/1993) e successive modificazioni richiede all’articolo 5 quanto segue: t comma 15: riprende l’art. 26, comma 7 della L10/91, con specifico riferimento a impianti nuovi o da ristrutturare; t comma 16: convenienza economica fissata nel tempo di ritorno semplice degli extracosti: 8 anni o 10 anni se centro urbano > 50.000 abitanti; t comma 17: estensione alla cogenerazione (come definita in precedenza); t comma 18: riferimento a possibili tecnologie di utilizzo riportate nell’Allegato D. DIRETTIVA EUROPEA 2002/91/CE La Direttiva Europea 2002/91/CE del 16 dicembre 2002 sul “Rendimento energetico nell’edilizia”, richiede, “Per edifici di nuova costruzione la cui muratura totale supera i 1000 m, gli stati membri provvedono affinché il rilascio della licenza edilizia sia subordinato ad una valutazione della fattibilità tecnica, ambientale ed economica dell’installazione di sistemi di fornitura energetica decentralizzati basati su energie rinnovabili”. D.LGS. N. 192 Il D.Lgs. del 19 Agosto 2005, n. 192 – Testo aggiornato del decreto legislativo n.192 “Attuazione della direttiva 2002/91/CE relativa al rendimento energetico nell’edilizia” (pubblicato sulla gazzetta ufficiale n.222 del 23 settembre 2005 – supplemento ordinario n.158) e successive modificazioni, fa riferimento alla L10/91 e al DPR 412/93 e disciplina quanto segue: t all’articolo 9 comma 5 bis: “Le regioni, le province autonome di Trento e di Bolzano e gli enti locali considerano, nelle normative e negli strumenti di pianificazione ed urbanistici di competenza, le norme contenute nel presente decreto, ponendo particolare attenzione alle soluzioni tipologiche e tecnologiche volte all’uso razionale dell’energia e all’uso di fonti energetiche rinnovabili, con indicazioni anche in ordine all’orientamento e alla conformazione degli edifici da realizzare per massimizzare lo sfruttamento della radiazione solare e con particolare cura nel non penalizzare, in termini di volume edificabile, le scelte conseguenti.” La convenienza economica è fissata nel

tempo di ritorno semplice degli extracosti: 8 anni o 10 anni se centro urbano > 50.000 abitanti; t modifica il comma 2 art. 26 della Legge 10/91 come segue: “Per gli interventi sugli edifici e sugli impianti volti al contenimento del consumo energetico ed all’utilizzazione delle fonti di energia di cui all’articolo 1, individuati attraverso un attestato di certificazione energetica o una diagnosi energetica realizzata da un tecnico abilitato, le pertinenti decisioni condominiali sono valide se adottate con la maggioranza semplice delle quote millesimali.”

Il D.P.R 59/09 Il D.P.R del 2 aprile 2009, n. 59, recante il “Regolamento di attuazione dell’articolo 4, comma 1, lettere a) e b), del decreto legislativo 19 agosto 2005, n. 192, concernente attuazione della direttiva 2002/91/CE sul rendimento energetico in edilizia” (pubblicato sulla Gazzetta Ufficiale n. 132 del 10 giugno 2009) all’articolo 4 commi 12,13,22 e 23 sancisce quanto segue: t comma 12: Ai fini del presente decreto e in particolare per la determinazione del fabbisogno di energia primaria dell’edificio, sono considerati ricadenti fra gli impianti alimentati da fonte rinnovabile gli impianti di climatizzazione invernale dotati di generatori di calore alimentati a biomasse combustibili che rispettano i seguenti requisiti: t rendimento utile nominale minimo conforme alla classe 3 di cui alla norma europea UNI EN 303-5; t limiti di emissione conformi all’allegato IX alla parte quinta del decreto legislativo 3 aprile 2006, n. 152, e successive modificazioni, ovvero i più restrittivi limiti fissati da norme regionali, ove presenti; t utilizzano biomasse combustibili ricadenti fra quelle ammissibili ai sensi dell’allegato X alla parte quinta del medesimo decreto legislativo 3 aprile 2006, n. 152, e successive modificazioni. t comma 13: Per tutte le tipologie di edifici, in cui è prevista l’installazione di impianti di climatizzazione invernale dotati di generatori di calore alimentati da biomasse combustibili, in sede progettuale, nel caso di nuova costruzione e ristrutturazione di edifici esistenti, previsti dal decreto legislativo all’articolo 3, comma 2, lettere a), b) e c), numero 1), limitatamente alle ristrutturazioni totali, si procede alla verifica che la trasmittanza termica delle diverse strutture edilizie, opache e trasparenti, che delimitano l’edificio verso l’esterno o verso vani non riscaldati, non sia maggiore dei valori definiti nella pertinente tabella di cui ai punti 2, 3 e 4 dell’allegato C al D.lgs 192/05 e smi. t comma 22: Per tutte le categorie di edifici, così come classificati in base alla destinazione d’uso all’articolo 3 del decreto del Presidente della Repubblica 26 agosto 1993, n. 412, nel caso di edifici pubblici e privati, è obbligatorio l’utilizzo di fonti rinnovabili per la produzione di energia termica ed elettrica. In particolare, nel caso di edifici di nuova costruzione o in occasione di nuova installazione di impianti termici o di ristrutturazione degli impianti termici esistenti, l’impianto di produzione di energia termica deve essere progettato e realizzato in modo da coprire almeno il 50 per cento del fabbisogno annuo di energia primaria richiesta per la produzione di acqua calda sanitaria con l’utilizzo delle predette fonti di energia. Tale limite è ridotto al 20 per cento per gli edifici situati nei centri storici. t comma 23. Le modalità applicative degli obblighi di cui al comma 22, le prescrizioni minime, le caratteristiche tecniche e costruttive degli impianti di produzione di energia termica ed elettrica con l’utilizzo di fonti rinnovabili, sono precisate, in relazione alle dimensioni e alle destinazioni d’uso degli edifici, con successivo provvedimento ai sensi dell’articolo 4, del decreto legislativo. Le valutazioni concernenti il dimensionamento ottimale, o l’eventuale impossibilità tecnica di rispettare le presenti disposizioni, devono essere dettagliatamente illustrate nella relazione tecnica di cui al comma 25. In mancanza di tali elementi conoscitivi, la relazione è dichiarata irricevibile. Nel caso di edifici di nuova costruzione, pubblici e privati, o di ristrutturazione degli stessi conformemente all’articolo 3, comma 2, lettera a), del decreto legislativo, (ristrutturazione integrale degli elementi edilizi costituenti l’involucro di edifici esistenti di superficie utile superiore a 1000 metri qua-

L’articolo 9 del D.lgs 192/05 e s.m.i. riconosce, a norma della Costituzione vigente, la competenza legislativa concorrente sulla materia delle Regioni e delle Province Autonome, attribuendo loro il compito di provvedere all’attuazione delle norme, e parlando quindi genericamente di “autorità competenti” o “enti o organismi preposti” per quanto riguarda accertamenti ed ispezioni (e quindi potestà sanzionatoria). La norma non è in contrasto con gli articoli 129 e 132 del decreto del Presidente della Repubblica 6 giugno 2001, n. 380 (Testo Unico sull’edilizia), in quanto questi appartengono alla parte non innovativa o ricognitiva del provvedimento, che lascia intatto il valore giuridico delle norme precedenti, puntualmente richiamate nella declaratoria degli articoli. Ciò è precisato all’articolo 137 del medesimo Testo Unico. Il decreto legislativo n. 192/05 ha infatti abrogato l’articolo 34, comma 3, della legge 9 gennaio 1991, n. 10, il cui testo è stato riportato nell’articolo 132, comma 3, del Testo Unico sull’edilizia.

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PANORAMA LEGISLATIVO  segue drati” e la “demolizione e ricostruzione in manutenzione straordinaria di edifici esistenti di superficie utile superiore a 1000 metri quadrati) è obbligatoria l’installazione di impianti fotovoltaici per la produzione di energia elettrica.” Importante far notare che il decreto spinge in maniera decisa l’introduzione delle fonti energetiche rinnovabili ed in particolare l’introduzione dell’energia solare sia con impiego termico per la frazione solare pari al 50% del fabbisogno per la produzione dell’acqua calda sanitaria sia con impiego elettrico. Si rinvia a successivi decreti per la piena attuazione del comma 22 (alcune regioni italiane come al Regione Lombardia hanno definito all’interno dei loro strumenti legislativi che “la copertura del 50% del fabbisogno annuo di energia primaria richiesta per la produzione di acqua calda sanitaria si intende rispettata qualora l’acqua calda sanitaria derivi da una rete di teleriscaldamento, che sia alimentata anche da combustione di R.S.U e/o biogas, o da reflui energetici di un processo produttivo non altrimenti utilizzabili…pompe di calore e impianti alimentati da fonte rinnovabile utilizzati ai fini della climatizzazione invernale/estiva”. La legge introduce di fatto il concetto di assimilabili e passa da richiedere una verifica dell’impossibilità del progetto tecnica-economica del DPR 412/93 alla sola impossibilità tecnica. Per quanto concerne gli impianti fotovoltaici esiste l’obbligo di installazione, ma non si specifica la quantità. OBBLIGO DEL FOTOVOLTAICO PER IL NUOVO Le difficoltà incontrate nel rendere cogenti queste prescrizioni normative hanno portato il legislatore a percorrere strade diverse. A partire dal 2006 si inizia ad introdurre l’obbligo del fotovoltaico all’interno del “Testo Unico Edilizia” (DPR 380/2001), che costituisce il testo di riferimento su cui si basano i diversi regolamenti edilizi comunali. Di seguito viene mostrata brevemente la cronistoria legislativa: 1. Il primo passo viene fatto con la Finanziaria 2007, al comma 350 dell’articolo 1 recante quanto segue: “all’articolo 4 del Testo Unico delle disposizioni legislative e regolamentari in materia edilizia, di cui al decreto del Presidente della Repubblica 6 giugno 2001, n. 380, dopo il comma 1 è inserito il seguente: “1-bis. Nel regolamento di cui al comma 1, ai fini del rilascio del permesso di costruire, deve essere prevista l’installazione dei pannelli fotovoltaici per la produzione di energia elettrica per gli edifici di nuova costruzione, in modo tale da garantire una produzione energetica non inferiore a 0,2 kW per ciascuna unità abitativa”. Tale prescrizione non viene attuata soprattutto in virtù della soglia minima dei 200 watt per unità abitativa, che non sembrava avere nessuna giustificazione tecnico-impiantistica. 2. Con la Finanziaria 2008 viene individuata una data di inizio dell’obbligo (1° gennaio 2009) in modo da permettere agli operatori del settore di adeguarsi e vengono indicate le soglie minime di potenza rispettivamente di 1 kW per ogni unità abitativa e 5 kW per i fabbricati industriali e inoltre si parla in generale di “impianti per la produzione di energia elettrica da fonti rinnovabili” anziché introdurre l’obbligo del solo fotovoltaico. Il comma 289 dell’articolo 1 della Finanziaria 2008 sostituisce nell’articolo 4 del Testo Unico delle disposizioni legislative e regolamentari in materia edilizia, di cui al decreto del Presidente della Repubblica 6 giugno 2001, n. 380, e successive modificazioni, il comma 1-bis con il seguente comma: “1-bis. A decorrere dal 1° gennaio 2009, nel regolamento di cui al comma 1, ai fini del rilascio del permesso di costruire, deve essere prevista, per gli edifici di nuova costruzione, l’installazione di impianti per la produzione di energia elettrica da fonti rinnovabili, in modo tale da garantire una produzione energetica non inferiore a 1 kW per ciascuna unità abitativa, compatibilmente con la realizzabilità tecnica dell’intervento. Per i fabbricati industriali, di estensione superficiale non inferiore a 100 metri quadrati, la produzione energetica minima è di 5kW”. Questo obbligo non è mai entrato in vigore in quanto il decreto legge 30 dicembre 2008, n. 207, (comma 1-octies dell’art. 29), in sede di conversione lo proroga al 1° gennaio 2010. 3. Tale obbligo viene di nuovo rinviato al 1°gennaio 2011 come disciplinato all’interno del Decreto 30 dicembre 2009, n. 194), convertito in legge 26 febbraio 2010, n. 25. Il decreto Mille proroghe è intervenuto di fatto quando l’obbligo delle fonti energetiche rinnovabili era cogente da ben due mesi. In questo modo sono stati messi sullo stesso piano sia i comuni virtuosi, che avevano già modificato i propri regolamenti edilizi, sia i comuni inadempienti. Con il vantaggio per quest’ultimi di aver rilasciato permessi per costruire senza l’introduzione delle fonti energetiche rinnovabili. Ciò è dovuto principalmente all’assenza di disposizioni sanzionatorie nei confronti degli enti locali inadempienti. Le associazioni di categoria stimano che ad oggi l’obbligo del solare termico o fotovoltaico, o più in generale di impianti a fonti rinnovabili nei nuovi edifici, sia attuato soltanto in 253 comuni su circa 8.100, secondo recenti rilevazioni.

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PANORAMA NORMATIVO Di seguito viene proposto un elenco delle principali normative inerenti fonti energetiche rinnovabili. UNI/TS 11300 – 1 Prescrizioni energetiche degli edifici – parte 1: Determinazione del fabbisogno di energia termica dell’edificio per la climatizzazione estiva ed invernale. UNI/TS 11300 – 2 Prescrizioni energetiche degli edifici – parte 2: Determinazione del fabbisogno di energia primaria e dei rendimenti per la climatizzazione invernale e per la produzione di acqua calda sanitaria. UNI/TS 11300 – 3 Prescrizioni energetiche degli edifici – parte 3: Determinazione del fabbisogno di energia primaria e dei rendimenti per la climatizzazione estiva (pubblicata ad Aprile 2010 e disponibile sul sito UNI). UNI/TS 11300 – 4 Prescrizioni energetiche degli edifici – parte 4: Utilizzo di energia rinnovabili e di altri metodi di generazione per il riscaldamento di ambienti e preparazione acqua calda sanitaria. (attualmente in fase di elaborazione e di prossima pubblicazione e conterrà quanto previsto dalle UNI EN 15316 parti, 4-2, 4-3, 4-4, 4-5, 4-6, 4-7). UNI 8477-1:1983 – Energia solare. Calcolo degli apporti per applicazioni in edilizia. Valutazione dell’energia raggiante ricevuta. (tale norma è stata ritirata, senza sostituzione. Il metodo di calcolo proposto, utilizzato per la determinazione dell’Energia Solare incidente su un piano inclinato, verrà inserito molto probabilmente all’interno della specifica Tecnica UNI/TS parte 4. UNI 8477-2:1985 – Energia solare. Calcolo degli apporti per applicazioni in edilizia. Valutazione degli apporti ottenibili mediante sistemi attivi o passivi UNI 10349:1994 – Riscaldamento e raffrescamento degli edifici. Dati climatici (attualmente è in fase di revisione) UNI EN 15316-4-2:2008 – Impianti di riscaldamento degli edifici – Metodo per il calcolo dei requisiti energetici e dei rendimenti dell’impianto – Parte 4-2: Sistemi di generazione per il riscaldamento degli ambienti, pompe di calore UNI EN 15316-4-3:2008 – Impianti di riscaldamento degli edifici – Metodo per il calcolo dei requisiti energetici e dei rendimenti dell’impianto – Parte 4-3: Sistemi di generazione del calore, sistemi solari termici UNI EN 15316-4-4:2008 – Impianti di riscaldamento degli edifici – Metodo per il calcolo dei requisiti energetici e dei rendimenti dell’impianto – Parte 4-4: Sistemi di generazione del calore, sistemi di cogenerazione negli edifici UNI EN 15316-4-5:2008 – Impianti di riscaldamento degli edifici – Metodo per il calcolo dei requisiti energetici e dei rendimenti dell’impianto – Parte 4-5: Sistemi di generazione per il riscaldamento degli ambienti, prestazione e qualità delle reti di riscaldamento urbane e dei sistemi per ampie volumetrie UNI EN 15316-4-6:2008 – Impianti di riscaldamento degli edifici – Metodo per il calcolo dei requisiti energetici e dei rendimenti dell’impianto – Parte 4-6: Sistemi di generazione del calore, sistemi fotovoltaici UNI EN 15316-4-7:2009 – Impianti di riscaldamento degli edifici – Metodo per il calcolo dei requisiti energetici e dei rendimenti dell’impianto – Parte 4-7: Sistemi di generazione per il riscaldamento degli ambienti, sistemi di combustione a biomassa

Si rimanda per maggiori informazioni alla consultazione del sito AiCARR (www.aicarr.org). All’interno della sezione normativa e legislativa è possibile trovare l’elenco delle norme aggiornate e la possibilità di scaricare i pdf della legislazione in tematica di efficienza energetica a livello comunitario, nazionale e regionale.


Libri

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The 13th REHVA guidebook INDOOR ENVIRONMENT AND ENERGY EFFICIENCY IN SCHOOLS. PART 1. PRINCIPLES. La scuola è il luogo dove bambini e adolescenti trascorrono la maggior parte della giornata. Un ambiente confortevole e sano sembra essere una prerogativa quanto meno necessaria per il benessere e la produttività degli alunni stessi. Purtroppo nella progettazione degli edifici scolastici questo non sembra essere considerato una priorità, soprattutto all’interno del parco scolastico esistente dove abbondano sistemi energetici inefficienti. Aspetti e criticità degli edifici scolastici Questi sono solo alcuni dei problemi sollevati all’interno della tredicesima guida Rehva dedicata a “Ambiente interno ed efficienza energetica nelle scuole. Parte 1: Principi”. Obiettivo della guida è quello di fornire una panoramica sui principali aspetti e criticità degli edifici scolastici e dei loro sistemi energetici, al fine di ottenere una progettazione confortevole e sostenibile degli ambienti destinati all’istruzione. La guida, presentata durante il workshop “Qualità dell’ambiente interno negli edifici scolastici”, nell’ambito del 10º Congresso Mondiale Rehva, “Sustainable Energy Use in Buildings”, nasce dalla collaborazione con diversi esperti provenienti da varie parti d’Europa (Finlandia, Italia, Olanda e Portogallo). Contiene alcuni principi riguardanti i diversi aspetti dell’IEQ (Indoor Environmental Quality), il dimensionamento dei sistemi HVAC e il consumo di energia, con particolare attenzione alla progettazione degli edifici scolastici. Il fascicolo è suddiviso in cinque capitoli, più la sezione “Case studies” dedicata alla valutazione della IEQ in alcune scuole europee. Contenuti principali Comfort ambientale e sostenibilità energetica – Il primo capitolo contiene una introduzione generale sul tema. In particolare, si sottolinea come un approccio integrato nella progettazione di edifici scolastici sia necessario per soddisfare le esigenze di sicurezza, risparmio energetico, sostenibilità e comfort degli occupanti. IEQ – Nel secondo capitolo vengono invece analizzati i fattori che influenzano la qualità dell’ambiente interno e vengono mostrati gli effetti negativi che un ambiente interno non sano può provocare. In seguito l’attenzione viene focalizzata sull’importanza che l’IEQ assume negli edifici scolastici. Rendimento energetico – Come noto, anche i sistemi di riscaldamento, ventilazione e aria condizionata (HVAC) hanno una forte influenza sul rendimento energetico dell’edificio. È dunque molto importante tenere presente che ogni scelta progettuale può influenzare il risultato finale sia in termini di comfort che di consumo energetico. Questo è ciò che viene affrontato nel terzo capitolo dove vengono esaminati i possibili problemi che possono sorgere dopo determinate scelte energetiche e analizzato il contenuto del recente standard UNI EN 15.251. Sistemi HVAC – Il quarto capitolo è dedicato all’analisi delle tipiche tipologie di ambienti presenti nelle scuole e ai criteri di progettazione dei sistemi HVAC per ciascuna di esse, con un particolare focus sul calcolo dei carichi termici. Consumo energetico – Nell’ultimo capitolo è contenuta una panoramica sulle metodologie di valutazione del consumo energetico per le nuove e vecchie costruzioni. Approfondimento La sezione “Case studies” valuta la qualità ambientale interna di quattro edifici scolastici. Caso italiano – scuola in provincia di Salerno con più di 1000 studenti. Il caso di studio, che ha visto il monitoraggio del comportamento di 20 aule sia in estate che in inverno, contiene i risultati dell’indagine e alcuni consigli dati al direttore scolastico per migliorare l’IEQ. Caso olandese (1) – descrive un progetto di ristrutturazione di un tipico edificio scolastico olandese de L’Aja ventilato naturalmente. La scuola è stata ristrutturata nel 2006 al fine di migliorare la qualità dell’aria negli ambienti interni, l’ambiente termico e l’efficienza energetica. L’intervento principale consiste in un sistema di estrazione dell’aria viziata.

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Caso olandese (2) – riguarda la descrizione di uno studio relativo ad un aula di una scuola elementare costruita negli anni ’70, ventilata naturalmente, in cui è stato installato un nuovo impianto di ventilazione a dislocamento. Vengono analizzati il miglioramento della IEQ e delle prestazioni energetiche. Caso finlandese – si tratta della Poikkilaakso School, una piccola scuola elementare e asilo nido completata nel 2001. Un progetto pilota istituito con l’obiettivo di raggiungere bassi consumi di riscaldamento ed energia elettrica mediante la ventilazione controllata delle singole aule. Conclusioni La guida potrà essere un valido aiuto per tutti quei progettisti che vogliono avvicinarsi al tema della progettazione dell’edilizia scolastica. Fornisce una panoramica sui principali temi relativi alla qualità ambientale interna e i requisiti di efficienza energetica per questo tipo di edifici. Il futuro vedrà la pubblicazione della seconda parte del manuale che conterrà degli studi riguardanti le azioni operative volte a soddisfare tutti i requisiti funzionali contenuti in questo primo testo.

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