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Uno strumento integrato per l’analisi energetica, ambientale ed economica di interventi di riqualificazione energetica del patrimonio edilizio
An integrated tool for energy, environment
and economic analysis of buildings retrocommisioning projects
FRANCESCO MANCINI - MARCO CECCONI
1
2
Dipartimento DATA, Università La Sapienza, RM
Ingegnere libero professionista, RM
RIASSUNTO
Il fulcro di qualsiasi programma efficace di riqualificazione energetica si basa sulla
qualità della diagnosi energetico/economica preliminare. E’ necessaria una valutazione il
più possibile aderente alla realtà e che consideri, oltre agli aspetti tecnologici, anche
quelli legati al ritorno economico degli investimenti.
Ne consegue che le metodologie di calcolo strettamente legate alla certificazione
energetica risultano inadeguate e si ravvisa la necessità di una piattaforma di calcolo unica e completa in grado di permettere valutazioni più realistiche.
Per questo è stato realizzato ArchiEnergy, un software gratuito con le seguenti funzionalità:
- analisi energetico/economica del sistema edificio-impianto per tutti gli utilizzi elettrici e termici;
- doppio calcolo:
standard UNI TS 11300 per eseguire valutazioni conformi alla normativa sulla
classificazione energetica;
alternativo, con algoritmi dinamici più aderenti al funzionamento effettivo degli
edifici anche in presenza di utilizzi discontinui e soluzioni tecniche particolari;
- flessibilità e scalabilità del campo di applicazione: da singole unità immobiliari a intere città;
- analisi comparativa di soluzioni alternative con valutazioni dei costi, dei benefici energetici e ambientali e dei ritorni economici.
Una prima versione di ArchiEnergy è stata applicata per la valutazione delle
strategie d’azione per la riduzione delle emissioni di CO2 dell’intera edilizia residenziale di Roma Capitale, inserita nel SEAP (Sustainable Energy Action Plan) approvato il 7 Marzo 2013 nell’ambito del Patto dei Sindaci.
Uno strumento integrato per l’analisi energetica, ambientale ed economica di interventi di riqualificazione
energetica del patrimonio edilizio
SUMMARY
The cornerstone of every effective energy retro-commissioning program is the
quality of the preliminary energy/economic audit. A comprehensive analysis is needed,
which considers all energy, environmental and economic aspects, including those connected to the return on investment.
Thus, calculation procedures strictly connected with the emission of Energy Performance Certificates are inadequate, and there is a need for a unique and integrated calculation platform which provides for energy, environment and economic evaluations.
This is the reason for which ArchiEnergy has been developed, a free software
boasting the following features:
 energy/economic analyses of envelope and HVAC systems for electric and
thermal use;
 double computation:
o standard calculation compliant with the technical standard UNI TS
11300 to obtain valid energy performance indicators as recommended
by Italian laws about energy performance certification;
o alternative, closer to the actual use in building, that takes into account
intermittent heating/cooling and more complex technical solutions;
 application flexibility: from single buildings to whole cities;
 simple comparative analysis of different solutions.
A first version of ArchiEnergy has been used to evaluate the action strategy for
CO2 emissions reduction of the entire residential area in Rome. This study has been included in the Sustainable Energy Action Plan approved by the city council on March 7th
2013.
Parole chiave: efficienza energetica, diagnosi energetica, sostenibilità
Key words: energy efficiency, energy audit, sustainability
1. INTRODUZIONE
Lo sviluppo del mercato dell’efficienza energetica nel settore edilizio rende sempre
più frequente la necessità di realizzare audit energetici. Tali studi sono spesso condizioni
necessarie ma non sufficienti per l’acquisizione di un incarico perciò, per poter essere
economicamente sostenibili, devono avere la duplice caratteristica di fornire risultati attendibili ma in tempi brevi e con un impegno limitato di risorse.
Tralasciando le fasi di sopralluogo e acquisizione dati, un buon audit non può prescindere dalla modellazione energetica computerizzata dell’edificio. Questa è l’unica
modalità che permette di confrontare soluzioni alternative in modo rapido ed efficace.
Ne consegue che il sistema di calcolo utilizzato diventa un punto focale del lavoro.
Gli strumenti informatici disponibili si possono distinguere sommariamente in base
agli algoritmi di calcolo utilizzati, come di seguito.
1. Calcoli legati alla certificazione energetica degli edifici, norme UNI TS 11300:
si basano sulla modellazione statica (mensile) dell’edificio, allo stato attuale solo per la stagione invernale (fino all’approvazione dei decreti attuativi
dell’A.P.E.), con dati di input standardizzati (orari di accensione, set-point, affollamento, temperature medie, tipo di impianti, ecc), ignorando consumi elettrici e aspetti economici.
2. Simulazioni energetiche dinamiche:
si basano sulla simulazione oraria o sub-oraria dell’edificio. E’ possibile realizzare analisi estremamente accurate su ogni aspetto del sistema edificio/impianto. Si tratta però di programmi molto complessi che necessitano di un
lungo tempo di apprendimento e un altrettanto lungo tempo di analisi. Inoltre
non tengono conto della normativa nazionale riguardo, ad esempio, a limiti prestazionali e incentivazioni. I due maggiori software di questo tipo sono
TRNSYS e EnergyPlus.
Il presente lavoro nasce dalla necessità di concepire uno strumento di calcolo che
possa unire la semplicità dei metodi mensili con l’accuratezza della simulazioni dinamiche, il tutto accompagnato da una serie di funzionalità aggiuntive in grado di valutare
l’entità degli investimenti ed il relativo ritorno economico, anche alla luce dei regimi di
incentivazione vigenti in Italia. Il progetto ArchiEnergy è concepito con filosofia open, è
distribuito gratuitamente e strutturato in modo didatticamente fruibile su piattaforma
Excel, per costituire anche un valido strumento di apprendimento oltre che di calcolo.
Figura 1 – Logo ArchiEnergy.
2. CARATTERISTICHE DEL SOFTWARE
ArchiEnergy è basato su un doppio calcolo parallelo. Il primo, denominato ‘APE’,
è effettuato conformemente alla normativa vigente sulla certificazione energetica degli
edifici (DL 63/2013, DM 26/06/2009, DLgs 192/2005, s.m.i. e norme tecniche UNI TS
11300-1,-2,-3,-4). Il secondo, denominato ‘AUDIT’, sfrutta invece un algoritmo dinamico per la trasmissione termica derivato dal metodo Radiant Time Series (ASHRAE 1997)
integrato da una serie di elaborazioni, in parte mutuate dalle norme tecniche nazionali ed
europee, in parte messe a punto dagli autori (Cecconi 2012, De Santoli e Mancini 2011).
La scelta di effettuare un doppio calcolo si basa sulla frequente necessità di ottenere sia una simulazione fedele del comportamento effettivo dell’edificio (calcolo ‘AUDIT’), sia un’indicazione della prestazione energetica in relazione alla normativa nazionale sulla certificazione energetica (calcolo ‘APE’). I dati necessari al calcolo APE sono
un sottoinsieme di quelli AUDIT perciò non aggravano il lavoro di modellazione.
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energetica del patrimonio edilizio
Il punto più delicato di ogni calcolo energetico riguarda le modalità di stesura del
bilancio energetico dal quale estrarre i fabbisogni energetici netti di climatizzazione. Tali
fabbisogni verranno poi soddisfatti attraverso gli impianti. Per una valutazione schematica dei due diversi approcci APE e AUDIT sono state riportate in tabella Tabella I le
principali differenze tra i due metodi.
Tabella I - Principali differenze tra il calcolo APE e AUDIT relativamente agli
input richiesti e all’impostazione del bilancio termico. Si rileva che il calcolo ‘APE’
contiene numerosi valori standardizzati necessari ad ottenere la ripetibilità delle
certificazioni energetiche ma deleteri ai fini della descrizione esatta dell’edificio.
Temperatura
interna di setpoint invernale
Temperatura
interna di setpoint estivo
Temperatura
esterna
Scambio per trasmissione attraverso l’involucro
APE
Fissa h24 al valore imposto dalla norma per tutti i
giorni della stagione.
Fissa h24 al valore imposto dalla norma per tutti i
giorni della stagione.
Un valore medio per ogni
mese di calcolo secondo
la norma UNI 10349.
Calcolato mediante la trasmittanza termica stazionaria ed i valori medi
mensili di temperatura.
Scambio per ventilazione e trattamenti dell’aria
Trattamenti dell’aria trascurati.
Ventilazione
calcolata
come da norma, considerando una portata d’aria
esterna fissa h24 per 365
giorni all’anno e la temperatura media mensile da
norma UNI 10349.
Apporti termici
interni
dovuti
alle persone
Apporti termici
interni
dovuti
alle apparecchiature
Scambi di energia con locali non
climatizzati
Valore fisso h24 per 365
giorni all’anno.
Valore fisso h24 per 365
giorni all’anno.
Nei locali non climatizzati
è presente una temperatura intermedia tra quella
interna e quella esterna.
..segue a pagina successiva..
AUDIT
Due possibili livelli di temperatura: uno
per le ore di attività e uno per quelle di
non attività. Il secondo può anche essere
escluso.
Un livello di temperatura per le ore di
attività e “impianto off” nelle ore di non
attività.
24 valori orari per ogni mese di calcolo.
Calcolato dinamicamente per ogni ora
dell’anno mediante le Conduction Time
Series (CTS) del metodo ASHRAE RTS
che tiene in considerazione l’inerzia termica delle strutture. Ved. spiegazione
successiva.
Ventilazione e trattamenti del’aria calcolati mediante l’effettiva trasformazione
psicrometrica realizzata per ogni ora
dell’anno.
Un set-point di umidità relativa estivo e
uno invernale.
Portata d’aria variabile su 4 set-point invernali e 4 estivi relativi alle diverse condizioni di funzionamento dell’edificio.
Possibilità di bypass sui recuperatori di
calore per sfruttare il free-cooling.
Due livelli impostabili: uno relativo alle
ore di attività e uno a quelle di non attività.
Ved. “Assorbimento elettrico”. Sono selezionabili anche eventuali carichi non
elettrici (es. fornelli a gas, ecc).
Viene calcolata la temperatura effettiva
media mensile dei locali. Utile per valutare l’effetto di serre solari.
..segue da pagina precedente..
Assorbimenti
elettrici
Considerato solo quello
relativo alla climatizzazione.
Apporti
solari
termici
Un valore di irraggiamento medio per ogni mese di
calcolo come riportato
nella norma UNI 10349.
Bilancio
degli
scambi termici
invernali
Effettuato su base media
mensile con una correzione degli apporti gratuiti in
base al “fattore di utilizzazione”
dipendente
dall’inerzia
termica
dell’edificio.
Effettuato su base media
mensile con una correzione delle dispersioni favorevoli in base al “fattore
di utilizzazione” dipendente dall’inerzia termica
dell’edificio.
Bilancio
degli
scambi termici
estivi
Considerato sia quello relativo alla climatizzazione che quello dovuto ad altre utenze (illuminazione, motori, apparecchi,
ecc).
4 livelli di assorbimento impostabili per
ogni utenza: 2 relativi alle ore di attività
(di giorno e di notte) e 2 relativi a quelle
di non attività (di giorno e di notte).
I carichi elettrici vengono automaticamente tradotti in opportuni carichi termici. Viene anche calcolata la potenza reattiva per verificare la necessità di rifasa
mento.
24 valori orari per ogni mese di calcolo.
L’irraggiamento delle pareti trasparenti
diventa carico termico istantaneo, quello
delle pareti opache viene calcolato dinamicamente mediante le Conduction Time
Series (CTS) del metodo ASHRAE RTS
che tengono in considerazione l’inerzia
termica delle strutture. Ved. spiegazione
successiva.
Effettuato su base oraria in relazione al
carico termico effettivo che tiene in considerazione l’inerzia termica delle strutture.
Effettuato su base oraria in relazione al
carico termico effettivo che tiene in considerazione l’inerzia termica delle strutture.
E’ opportuno soffermarsi su una breve riflessione riguardante i limiti del calcolo
‘APE’ ai fini di un’analisi energetica aderente alla realtà. In primo luogo i software di
certificazione energetica sono obbligati (normativa UNI TS 11300) a fissare una serie di
parametri riguardanti ad esempio: temperatura di set-point dell’impianto, periodo di funzionamento, portata di ventilazione, numero occupanti, ecc. Ciò permette una standardizzazione del processo di certificazione energetica, ma non consente di descrivere accuratamente il caso specifico, portando ad errori rilevanti. Ad esempio un aspetto piuttosto
rilevante riguarda l’estensione della climatizzazione e di tutti i carichi termici interni per
24 ore al giorno, per tutti i giorni della stagione. Si trascurano quindi tutte le interruzioni
di attività, per esempio di notte o nei weekend. Vi è quindi una forte sovrastima dei fabbisogni energetici.
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energetica del patrimonio edilizio
Inoltre l’approccio “medio mensile” del metodo ‘APE’ sotto alcune condizioni
produce anche altri errori. I principali punti deboli riguardano in particolar modo la stagione estiva quando, alle latitudini italiane, la temperatura esterna media mensile oscilla
intorno alla temperatura interna di set-point. Quindi, specie nelle mezze stagioni, la temperatura esterna media mensile risulta molto vicina o addirittura inferiore a quella di setpoint estivo. Ciò si traduce in un carico termico di trasmissione e ventilazione nullo o
addirittura negativo durante il periodo estivo. Tale aspetto non rispecchia la realtà dei
fatti, in cui la temperatura diurna sale ampiamente sopra il set-point, comportando carichi termici, e di notte scende al di sotto di esso, comportando dispersioni termiche. Il
metodo APE trascura dunque un importante carico diurno e al tempo stesso non permette
di modellare accuratamente un eventuale recupero notturno mediante free-cooling.
Da ciò si può concludere che, se l’obiettivo dell’analisi energetica è finalizzato alla
realizzazione di costosi interventi di riqualificazione, è necessario uno studio accurato
del funzionamento reale dell’edificio ed i risultati di una semplice certificazione energetica possono essere fuorvianti.
2. DESCRIZIONE DETTAGLIATA DEL METODO DI CALCOLO ‘AUDIT’
L’algoritmo di calcolo AUDIT è composto da una prima parte relativa al calcolo
dei fabbisogni energetici netti dell’edificio, una seconda relativa ai fabbisogni effettivi in
presenza degli impianti, una terza relativa ai calcoli economici e di impatto ambientale,
una quarta riguardante il confronto tra soluzioni alternative e l’ultima aperta ad una postelaborazione personalizzata dell’utente.
2.1. Parte 1: Calcolo del fabbisogno energetico netto degli edifici
Nella prima parte viene costruito il modello energetico dell’edificio sulla base dei
dati forniti dall’utente: superfici, esposizioni, trasmittanze, portate di ventilazione, eventuali recuperatori di calore, eventuale trattamento aria, periodi attività, ombreggiamenti,
carichi termici interni, e così via, come in parte già descritto in Tabella I. Il bilancio termico dell’aria interna, necessario a determinare i fabbisogni energetici dell’edificio, è
stato implementato su base oraria applicando una versione semplificata del metodo Radiant Time Series (RTS) (ASHRAE 1997, Ip Seng Iu 1999, Spitler et al. 1997, Ceylan et
al. 1985, Delsante 1991). Il metodo RTS è uno dei più efficaci metodi dinamici per determinare il bilancio energetico di una struttura con capacità termica non trascurabile. In
questi edifici, che rappresentano il 100% degli edifici esistenti, sono presenti importanti
fenomeni di accumulo termico che attenuano e ritardano i carichi termici effettivi rispetto alle cause che li hanno generati. Matematicamente ciò si traduce in un sistema di equazioni differenziali di complessa soluzione.
Si deve però notare che gli effetti di accumulo sono presenti principalmente sotto
due diverse forme: la prima legata ai flussi di calore che attraversano le pareti esterne, la
seconda quella relativa ai flussi di energia radiante che viene propagata dagli oggetti presenti in ambiente, assorbita da altri oggetti e rilasciata gradualmente nel tempo. Operando questa suddivisione è possibile calcolare la risposta dei due sistemi sopra citati nei
confronti di sollecitazioni unitarie, giungendo rispettivamente alle cosiddette Conduction
Time Series e alle Radiant Time Series, ossia le risposte impulsive del due sistemi.
L’utilizzo delle risposte impulsive è possibile sotto la condizione che le sollecitazioni
siano periodiche di 24 ore, condizione mediamente verificata durante i normali giorni di
funzionamento. Il metodo RTS originario separa dunque gli apporti istantanei da quelli
ritardati, i primi vengono applicati nella rispettiva ora di calcolo, i secondi vengono applicati nell’ora di calcolo e nelle 23 ore successive. Matematicamente ciò si traduce nella
convoluzione tra le sollecitazioni e le risposte impulsive.
L’algoritmo AUDIT implementato in ArchiEnergy opera una semplificazione rispetto al metodo RTS originario. Ciò nasce dal fatto che, mentre la conduzione attraverso le pareti è soggetta a forti effetti di attenuazione/sfasamento che portano ad un rilascio
graduale dell’energia accumulata che può durare anche oltre le 24 ore, il rilascio in ambiente dei carichi radianti avviene per circa il 70% entro due ore dall’esposizione. Ciò
rende conveniente il fatto di trascurare questo secondo accumulo energetico a favore di
una maggiore semplicità di utilizzo del software. In questo modo viene evitato all’utente
di dover suddividere i singoli apporti termici in una frazione radiante ed una convettiva.
L’errore di calcolo conseguente è piuttosto modesto essendo il tempo di due ore generalmente piccolo rispetto al periodo giornaliero di utilizzo dei locali. Per quanto riguarda
i valori numerici delle Conduction Time Series il programma attinge all’elenco di strutture standard pre-calcolate dall’ASHRAE (ASHRAE 1997), sulla base delle caratteristiche
di ogni parete opaca utilizzata.
Per ciò che concerne la ventilazione meccanica ed i trattamenti dell’aria, il metodo
AUDIT calcola esattamente le trasformazioni psicrometriche che avvengono negli impianti ad ogni ora di calcolo in base alle condizioni termo-igrometriche interne ed esterne. E’ possibile selezionare una serie di configurazioni che coprono la maggior parte degli impianti di trattamento aria più comuni:
 controllo o meno dell’umidità relativa;
 sistemi a tutt’aria, ad aria primaria o semplici unità interne con ventilazione separata;
 presenza o meno di recuperatori di calore;
 opzione di bypass sui recuperatori per sfruttare il free-cooling.
Il calcolo orario permette di seguire l’evoluzione naturale delle temperature e umidità interne anche durante i periodi in cui gli impianti sono spenti nonché di valutare i
sovraccarichi energetici relativi ad una riaccensione degli stessi dopo i periodi di interruzione.
2.2. Parte 2: Calcolo degli impianti
Una volta determinato il fabbisogno energetico netto dell’edificio il software procede al calcolo degli impianti. Essi determinano il consumo energetico effettivo
dell’edificio, la tipologia di combustibili utilizzati, la conseguente spesa energetica e
l’impatto ambientale.
La modellazione degli impianti è realizzata in modo simile per il calcolo APE e
AUDIT, con alcune piccole differenze che verranno evidenziate. La filosofia con la quale è stata realizzata la modellazione è stata di cercare di coprire il più ampio spettro di
configurazioni impiantistiche sia per quanto riguarda le tecnologie utilizzate, sia per
quanto riguarda le tecniche di regolazione.
Riguardo al primo aspetto le tecnologie impiantistiche sono definite scegliendo un
generatore ed associandovi i relativi sottosistemi di emissione/erogazione, regolazione,
distribuzione e accumulo. I generatori utilizzabili sono descritti di seguito.
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1. Generatori di calore a caldaia:
descrivono qualsiasi tipo di dispositivo che genera calore da combustione diretta
(caldaie, termoventilatori a gas, termocamini, termostufe, ecc) utilizzando uno dei
combustibili pre-impostati nel programma (gas naturale, gasolio, olio combustibile, GPL, legna, pellet, ecc) oppure un combustibile definito dall’utente. Ogni generatore è definito dalla potenza termica utile, dal rendimento medio stagionale
(calcolabile secondo la normativa o personalizzabile), dalla potenza elettrica degli
ausiliari, dalla tipologia di azionamento degli stessi (con quattro opzioni: “sempre
on”, “temporizzati”, “on/off su utilizzo generatore”, “modulanti”), nonché dai dati economici sui costi di acquisto e di manutenzione e le possibili incentivazioni.
2. Pompe di calore a compressione:
descrivono qualsiasi tipo di pompa di calore a compressione (reversibili, non reversibili, a recupero, idroniche, espansione diretta, geotermiche, ecc) che utilizzano esclusivamente energia elettrica per il loro funzionamento. Ogni generatore è
definito dalla potenza termica e frigorifera utile, dai valori COP e EER (inseribili
come valori stagionali o mensili) e dalla percentuale di recupero di calore media
estiva (desurriscaldamento) ed invernale. A questo si aggiungono i dati su ausiliari, costi ed incentivi già descritti al punto 1. Esiste anche la possibilità di inserire
pompe di calore dedicate esclusivamente alla produzione di acqua calda sanitaria.
3. Cogeneratori:
descrivono qualsiasi tipo di cogeneratore in grado di generare simultaneamente
energia elettrica e calore (a combustione interna, turbine a gas, turbine a vapore,
stirling, ecc). Ogni cogeneratore è definito dalla potenza elettrica utile e dal rendimento di generazione elettrico e termico medio stagionale. A questo si aggiungono i dati su ausiliari, costi ed incentivi già descritti al punto 1.
4. Solare termico:
descrive una qualsiasi tipologia di impianto solare termico (piano, vetrato, non
vetrato, sottovuoto, circolazione naturale o forzata, ecc). Ogni solare è definito
dall’estensione superficiale dei pannelli e dall’irraggiamento medio mensile incidente. I valori di irraggiamento per le condizioni specifiche di montaggio devono
essere calcolati esternamente (per es. mediante l’applicativo web PV-GIS) e copiati nel programma. A questo si aggiungono i dati su ausiliari, costi ed incentivi
già descritti al punto 1.
5. Solare fotovoltaico:
descrive una qualsiasi tipologia di impianto solare fotovoltaico (fisso o mobile,
tradizionale, a concentrazione, ecc). Ogni fotovoltaico è definito dalla sua potenza di picco e dall’energia producibile media mensile. I valori di energia producibile per le condizioni specifiche di montaggio devono essere calcolati esternamente (per es. mediante l’applicativo web PV-GIS) e copiati nel programma. A
questo si aggiungono i dati su costi ed incentivi già descritti al punto 1.
Ogni generatore (tranne il fotovoltaico) è associabile ai relativi sottosistemi impiantistici di emissione/erogazione, regolazione, distribuzione e accumulo. Le tipologie
considerate sono quelle tipicamente presenti negli impianti ma possono essere ampliate
dall’utente. Ciascun sottosistema è descritto dal suo rendimento, inseribile manualmente
o calcolabile secondo le norme tecniche UNI TS, dai dati sui consumi ausiliari, sui costi
e sugli eventuali incentivi presenti, in modalità del tutto simile a quanto detto per i sistemi di generazione.
Per ciò che concerne le tecniche di regolazione, ArchiEnergy prevede la possibilità
di inserire fino a 5 impianti in cascata operanti sulla stessa zona termica. La logica di
calcolo prevede che un impianto a priorità inferiore si attivi solamente nel caso in cui
all’impianto a priorità superiore venga richiesto di erogare più energia di quella massima
erogabile, sulla base della potenza installata e delle ore massime di funzionamento impostate. In questo modo è possibile modellare la sovrapposizione di impianti ad alta priorità
(per es. solare termico), con impianti a media priorità (es. cogenerazione o pompe di calore), con impianti tradizionali a bassa priorità (es. caldaie) che coprono solo i picchi di
fabbisogno.
Inoltre per gli impianti polivalenti, cioè in grado di coprire i fabbisogni energetici
per diversi utilizzi (per es. riscaldamento e produzione di acqua calda sanitaria), è possibile selezionare un utilizzo prioritario verso il quale destinare l’energia prodotta. La logica implementata fa sì che solo se il fabbisogno energetico prioritario viene interamente
soddisfatto allora l’energia restante può soddisfare quello non prioritario. Ciò permette di
modellare sistemi impiantistici flessibili.
Il calcolo degli impianti è effettuato su base mensile. La scelta di passare dal calcolo orario dell’involucro al calcolo mensile degli impianti è stata effettuata in considerazione del fatto che un calcolo orario delle tecnologie impiantistiche, a fronte di un aumento di circa 30 volte del numero di dati da trattare, non avrebbe portato a significativi
miglioramenti nell’accuratezza. Infatti nella quasi totalità dei casi non è possibile reperire i dati prestazionali delle tecnologie impiantistiche in tutte le possibili condizioni di
utilizzo (ai carichi parziali, con condizioni termo-igrometriche dell’aria variabili, ecc).
Ciò rende dunque inutile un calcolo eccessivamente dettagliato.
Il fabbisogno energetico degli impianti è effettuato sulla base dei fabbisogni netti
dell’edificio sommando le perdite di energia legate ai sottosistemi impiantistici (erogazione/emissione, distribuzione, accumulo, regolazione, generazione) e considerando la
quota di accensione effettiva di ciascun impianto. Il fabbisogno risultante, integrato con
l’assorbimento dei sistemi ausiliari, viene poi suddiviso per tipologia di combustibile in
base agli impianti utilizzati. Da ciò si ricavano poi la spesa economica e le emissioni di
CO2.
2.3. Parte 3: Valutazioni economiche
Nel processo di modellazione e di calcolo è stato dato ampio spazio alle valutazioni economiche sugli investimenti e sui possibili ricavi.
Ad ogni elemento costruttivo facente parte del sistema edificio/impianto è possibile
attribuire un costo costituito da una quota fissa e una quota variabile dipendente dalle
quantità. A questo si aggiunge la selezione dell’aliquota IVA applicata che può variare
per ogni tecnologia. Il costo finale verrà poi calcolato automaticamente dal programma
in base alle quantità inserite in fase di modellazione. I prezzi IVA inclusa ed IVA esclusa
sono sempre tenuti separati in modo da poter determinare la quota esatta di IVA nei costi
complessivi. Per le tecnologie impiantistiche oltre al costo di investimento è possibile
inserire un costo di manutenzione su base annuale.
Per la copertura economica degli investimenti è possibile il ricorso al finanziamento tramite terzi. I prestiti sono modellati in base al valore del capitale finanziato, al tasso
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di interesse e alla durata complessiva. I flussi di cassa negativi dovuti alle rate sono automaticamente considerati nel calcolo economico.
Sul fronte dei ricavi vengono calcolate automaticamente tutte le remunerazioni legate sia alla vendita dell’energia prodotta, sia alle incentivazioni disponibili. Riguardo al
primo aspetto sono stati implementati gli algoritmi relativi ai seguenti meccanismi:
Scambio sul posto (Delibera AEEG ARG-elt 74-08), Ritiro dedicato (Delibera AEEG
280/07), Vendita diretta sul mercato elettrico.
Riguardo alle incentivazioni sono stati previsti i seguenti meccanismi: detrazioni
fiscali (36%, 50%, 55%, 65%), Conto energia termico (DM 28/12/2012), Conto energia
fotovoltaico (II, III, IV e V Conto), Titoli di efficienza energetica (DM 20/07/2004
s.m.i., considerate 11 tipologie standardizzate e 4 analitiche), contributi in conto capitale.
Riguardo all’acquisto dei combustibili il software determina automaticamente i costi di approvvigionamento in base ai consumi calcolati e ai prezzi inseriti (personalizzabili dall’utente).
Dalle informazioni appena descritte viene effettuata un’analisi generale dei flussi
economici e un calcolo di profittabilità degli investimenti sulla base degli indicatori convenzionali (VAN, TIR, Tempo di ritorno, ecc).
2.4. Parte 4: Confronto tra soluzioni alternative
Uno degli aspetti ritenuti più importanti in materia di audit energetico è la possibilità di un agevole confronto tra soluzioni alternative. Tipica è la situazione in cui la riqualificazione energetica di un edificio impone di valutare e confrontare soluzioni postoperam con l’attuale stato ante-operam. In ArchiEnergy tale funzionalità è stata implementata direttamente nel programma. Non è dunque necessario svolgere il calcolo diverse volte e confrontare “a mano” le soluzioni. Infatti nello stesso foglio di calcolo possono essere descritte e confrontate diverse configurazioni. Il software automaticamente raffronta i dati di output e indica le differenze. Ciò risulta particolarmente utile ai fini dei
calcoli di ritorno economico. In questo ambito, infatti, è ben noto che difficilmente un
intervento di riqualificazione energetica produrrà flussi di cassa positivi se non vengono
considerati i risparmi economici rispetto allo stato ante-operam. La funzionalità di confronto permette dunque di analizzare agevolmente l’efficacia delle soluzioni rispetto ad
una configurazione di riferimento scelta dall’utente.
2.5. Parte 5: Post-elaborazione personalizzata
Un ultimo aspetto che riguarda gli algoritmi di calcolo risiede nella possibilità da
parte dell’utente di utilizzare a pieno le potenzialità di Excel per post-elaborare in modo
personalizzato tutti i dati generati dal programma che sono interamente accessibili. Alla
fine di ogni foglio di calcolo, infatti, è presente un’area liberamente utilizzabile
dall’utente per implementare calcoli aggiuntivi o per generare tabelle o grafici di output
personalizzati. Questa funzionalità permette di adattare il software alle esigenze specifiche di ogni utente, necessità piuttosto comune in un settore ampio e variegato come
quello dell’efficienza energetica.
3. VALIDAZIONE DEI RISULTATI
Per quanto riguarda il calcolo ‘APE’ ArchiEnergy è stato messo a confronto con i
principali software di certificazione energetica già riconosciuti dal CTI per determinare
il suo grado di accuratezza. La base del confronto sono state le tipologie edilizie raccomandate dal CTI nelle pubblicazioni “UNI TS 11300 - Studi di caso” (UNI 2010-2012).
L’obiettivo della validazione è stato di verificare che i risultati di Archi-Energy differiscano di un valore non superiore al ±5% rispetto agli altri due software certificati qui
considerati: Termus della Acca Software e Stima10-TFM della Watts Industries. Si fa
presente che il confronto è stato effettuato prima dell’entrata in vigore del DL 63/2013
che sostituisce l’ACE con l’APE.
Si riporta di seguito il confronto relativo allo studio di caso 1E che descrive una
villetta unifamiliare su tre piani: seminterrato, piano terra e sottotetto non riscaldato. La
superficie è di circa 164 m2 lordi a piano, pari a circa 147 m2 netti, quindi per un totale di
circa 293 m2 netti e circa 857 m3 netti riscaldati, costituenti un’unica zona termica.
Figura 2 – Prospetto Nord-Est.
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energetica del patrimonio edilizio
Figura 3 – Pianta del piano interrato.
Figura 4 – Pianta del piano terra.
Figura 5 – Pianta del piano sottotetto.
Figura 6 – Sezione A-A’.
Figura 7 – Sezione B-B’.
Figura 8 – Sezione C-C’.
Nello studio si è deciso di localizzare l’edificio a Roma e di attribuire all’involucro
edilizio le seguenti caratteristiche termiche sulla base degli spessori indicati dal CTI:
 pareti esterne:
blocchi di laterizio alleggerito senza isolamento termico (U=0.75 W/m2K);
 pavimento contro terra:
soletta in latero-cemento con finitura in battuto di cemento senza isolamento e
senza camere d’aria (U=1.63 W/m2K);
 solaio verso sottotetto:
solaio in latero-cemento con finitura in legno e isolamento termico con polistirene (U=0.40 W/m2K);
 copertura:
solaio in latero-cemento con isolamento in polistirene (U=0.54 W/m2K);
 finestrature:
serramenti con vetro-camera e telaio in legno (U=3.03 W/m2K);
 portone:
portoncino blindato isolato con fibra di vetro (U=1.07 W/m2K).
Per ciò che riguarda la ventilazione ed i carichi interni sono stati adottati i valori
standard previsti dalla norma UNI TS 11300-1 per gli edifici residenziali. Riguardo gli
impianti si è modellato un generatore di calore costituito da una caldaia a GPL a camera
stagna (3 stelle). Il sistema di distribuzione è stato considerato conforme alla Legge
373/76, il sistema di emissione costituito da radiatori su parete esterna non isolata e il
sistema di regolazione rappresentato da un doppio regolatore ambiente/climatico di tipo
on/off. Il rendimento medio stagionale complessivo dell’impianto è risultato essere pari a
0,769. Sulla base dei dati inseriti è stato svolto il calcolo con i tre software, avendo cura
di uniformare i dati ai diversi schemi di input e alle diverse filosofie di calcolo in fatto,
per esempio, di ponti termici, misure nette e lorde, carichi interni, parametri di trasmittanza solare dei componenti finestrati, ecc. I risultati del calcolo sono riportati nei grafici
e nelle tabelle seguenti.
Figura 9 – Grafico di confronto del fabbisogno di energia primaria per climatizzazione invernale
dell’edificio caso studio CTI 1E calcolato con i tre diversi software.
Uno strumento integrato per l’analisi energetica, ambientale ed economica di interventi di riqualificazione
energetica del patrimonio edilizio
Figura 10 – Tabella di confronto dei fabbisogno di energia primaria per climatizzazione invernale
mensili dell’edificio caso studio CTI 1E calcolato con i tre diversi software.
I confronti effettuati mostrano che lo scostamento dei risultati di ArchiEnergy rispetto ai software certificati si mantiene costantemente al di sotto del 5%, perciò, sebbene ArchiEnergy non sia stato ancora certificato dal CTI per l’emissione di certificati energetici, i risultati forniti sono da considerare affidabili.
3. APPLICAZIONE DEL SOFTWARE: IL SEAP DI ROMA CAPITALE
Il primo impulso alla realizzazione di ArchiEnergy è stato determinato dalla necessità di realizzare i calcoli energetico-economici per la stesura del SEAP (Sustainable Energy Action Plan) di Roma Capitale (De Santoli, Mancini, Cecconi 2009). Come noto,
tale documento è uno delle tappe obbligate conseguenti all’adesione di una città al Patto
dei Sindaci. Esso è costituito essenzialmente da un’analisi energetica strategica della città volta ad individuare le azioni da intraprendere per centrare gli obiettivi prefissati. Gli
impegni di Roma Capitale riguardano la riduzione delle proprie emissioni di gas serra
del 6,5% entro il 2012 e del 20% entro il 2020 rispetto a quelle del 1990.
Il rispetto di questi vincoli, per il settore edilizio, rende necessaria una caratterizzazione energetica del parco edilizio esistente ed uno studio strategico di medio e lungo
periodo sui possibili scenari evolutivi delle emissioni di gas serra. L’obiettivo è di prevedere l’evoluzione delle emissioni di CO2 sia secondo l’attuale tendenza, sia in relazione a scenari alternativi caratterizzati da strategie d’azione più o meno incisive. Il fine ultimo è di determinare l’entità degli interventi che si rendono necessari per il rispetto degli impegni presi e di proporre quella combinazione ottimale di interventi che permettono di raggiungere l’obiettivo col minor dispendio di risorse entro la deadline del 2020.
La caratterizzazione energetica evolutiva di un’intera città è una problematica non
standard che esula dalle potenzialità di qualsiasi software esistente. Si è quindi proceduto
alla creazione di un codice di calcolo personalizzato che si attagliasse all’esigenza. Esso
ha costituito di fatto la prima versione di ArchiEnergy.
L’applicativo di calcolo è stato strutturato in modo da:
 accettare in ingresso una serie di dati statistici sulle caratteristiche architettoniche, termiche e impiantistiche del parco edilizio residenziale della città, nonché
sui consumi consuntivi di combustibili disponibili;
 svolgere una serie di elaborazioni per ricavare i fabbisogni energetici attuali
della città;
 ricalcolare i fabbisogni energetici in presenza di interventi di riqualificazione
energetica e stimare il costo economico degli stessi;
 eseguire una proiezione dinamica dello sviluppo cittadino per prevedere
l’effetto di riduzione di gas serra al 2020 dovuto agli interventi realizzati.
Il risultato del calcolo è illustrato in Figura 11 (De Santoli, Mancini, Cecconi
2010). Nel grafico è possibile confrontare le emissioni di CO2 dell’edilizia residenziale
romana nei diversi scenari analizzati. Real emissions rappresenta l’emissione effettiva
risultante dai consumi consuntivi di combustibile. As usual descrive l’andamento delle
emissioni nel caso in cui l’attuale tendenza venga confermata negli anni a venire. No
corrections rappresenta l’evoluzione peggiore, nel caso in cui cessino tutti gli interventi
di riqualificazione del patrimonio edilizio. More corrections descrive invece
l’evoluzione desiderata che permetterebbe di centrare gli obiettivi del Patto dei Sindaci
al 2020.
Nella tabella allegata sono presenti le quote di intervento cumulato legate ai diversi
scenari. I valori rappresentano la percentuale del patrimonio edilizio che al 2020 subisce
un intervento tra i cinque considerati: sostituzione infissi, coibentazione dell’involucro
edilizio, sostituzione dei generatori di calore, inserimento di sistemi di controllo sui terminali di emissione (valvole termostatiche), coibentazione della distribuzione termica.
Uno strumento integrato per l’analisi energetica, ambientale ed economica di interventi di riqualificazione
energetica del patrimonio edilizio
La combinazione di interventi dello scenario “More corrections” è frutto di
un’ottimizzazione del rapporto costi/benefici in modo da offrire il massimo risparmio col
minimo investimento.
Figura 11 – Scenari di evoluzione delle emissioni di CO2 residenziali a Roma.
CONCLUSIONI
Vista la crescente necessità di realizzare diagnosi energetiche, si è ritenuto opportuno realizzare uno strumento di calcolo espressamente dedicato a questo scopo. Le specifiche tecniche alla base del progetto sono state le seguenti: sufficiente accuratezza di
calcolo, semplice utilizzo, capacità di modellare soluzioni tecniche innovative ad alta
valenza energetico/economica (impianti rinnovabili, cogenerazione, pompe di calore a
recupero, free-cooling, serre solari, recuperatori di calore con bypass, illuminazione efficiente, schermi solari, regolazione motori con inverter, rifasamento, ecc), capacità di effettuare calcoli di convenienza economica (considerando anche le incentivazioni vigenti), predisposizione ad un facile confronto tra soluzioni diverse, determinazione della
classe energetica degli edifici secondo la normativa vigente, possibilità di personalizzazione dei calcoli.
L’incrocio tra le suddette necessità ha portato alla scelta di un doppio metodo di
calcolo: il primo, denominato ‘APE’, in grado di effettuare una classificazione energetica in base alla vigente normativa1, il secondo, denominato ‘AUDIT’, in grado di effettuare un’analisi più aderente al reale funzionamento degli edifici. Per questo secondo calcolo, dovendo mediare tra semplicità e accuratezza, è stato utilizzato un algoritmo di simulazione dinamica su base oraria derivato dal metodo Radiant Time Series (ASHRAE
1997) con alcune semplificazioni.
1
Si fa presente che ArchiEnergy non è stato certificato dal CTI per eseguire la certificazione energetica degli edifici. I risultati del programma, sebbene allineati con quelli
dei software certificati, devono essere utilizzati solo con finalità informative.
Il risultato è uno strumento di calcolo in grado di effettuare analisi energetico/economiche in tempi brevi e con un’accuratezza che può ritenersi soddisfacente ai
fini di uno studio preliminare. Riteniamo tuttavia che, in caso di progetti di grandi dimensioni, sia necessario un successivo studio più approfondito realizzato con software di
simulazione dinamica di maggior dettaglio come EnergyPlus o TRNSYS.
Una prima versione del software, con alcuni algoritmi specifici, è stata utilizzata
con successo per la realizzazione dei calcoli sull’edilizia residenziale di Roma Capitale
inseriti nel SEAP (Sustainable Energy Action Plan) approvato il 7 Marzo 2013.
ArchiEnergy sarà a breve disponibile gratuitamente dal sito di divulgazione scientifica www.IngEnergia.it.
BIBLIOGRAFIA
Pubblicazioni
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Uno strumento integrato per l’analisi energetica, ambientale ed economica di interventi di riqualificazione
energetica del patrimonio edilizio
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produzione di acqua calda. Norma UNI/TS 11300-2. Milano: Ente Italiano di unificazione.
UNI. 2010b. Prestazioni energetiche degli edifici - Parte 3: Determinazione del fabbisogno di energia primaria e dei rendimenti per la climatizzazione estiva. Norma UNI/TS 11300-3. Milano: Ente Italiano di unificazione.
UNI. 2012. Prestazioni energetiche degli edifici - Parte 4: Utilizzo di energie rinnovabili
e di altri metodi di generazione per la climatizzazione invernale e per la produzione
di acqua calda sanitaria. Norma UNI/TS 11300-4. Milano: Ente Italiano di unificazione.
UNI. 1994. Riscaldamento e raffrescamento degli edifici - Dati climatici. Norma UNI
10349. Milano: Ente Italiano di unificazione.
UNI. 2010-2012. Studi di caso Edifici 1D, 1E, 2D, 2E, 4A, 5A. Milano: Ente Italiano di
unificazione.