L`esperienza tedesca: lo standard “Passivhaus”

L’esperienza tedesca: lo standard “Passivhaus”
Il primo passo per ridurre i
consumi per riscaldamento
(preponderanti nei nostri
climi) consiste nel
miglioramento dell’efficienza
dell’involucro, cioè nella
riduzione delle dispersioni di
calore.
Irraggiamento medio al suolo in kWh/m² anno [Herzog]
Radiazione incidente sul pianeta: 177.000 TW/anno
Radiazione al suolo: 117.000 TW/anno
Nonostante il sole ci fornisca
enormi quantità di energia,
infatti, la nostra capacità di
sfruttarla è attualmente
limitata.
Fabbisogno energetico complessivo: 12 TW/anno
Gabriele Masera – Passivhaus
Inoltre, la disponibilità di energia
solare varia molto durante il giorno
e durante le stagioni.
Un approccio puramente captante
al problema energetico, quindi, è
destinato al fallimento, come
dimostrano le esperienze degli
anni 70 e 80.
La prima misura da adottare è la
più semplice: conservare meglio il
calore nell’edificio.
Variabilità dell’irraggiamento solare su superfici
variamente orientate [Comm. Europea]
Gabriele Masera – Passivhaus
Le Passivhaus sono una
soluzione realistica per
ridurre drasticamente i
consumi di energia per
il riscaldamento delle
case.
Un’abitazione di 100 m²,
costruita secondo lo
standard PH, può essere
riscaldata con appena
150 l di combustibile
(equivalente).
Gabriele Masera – Passivhaus
L’esperienza, condotta in
Germania, è tra le più avanzate
ed efficaci di tutta l’Unione
Europea. Da essa si possono
trarre indicazioni utili anche per
l’Italia.
La PH è l’ultimo risultato di una
politica di riduzione dei
consumi energetici che in
Germania procede ormai da
decenni.
Consumi medi tedeschi dal 1970 ad oggi
Gabriele Masera – Passivhaus
Per diminuire le dispersioni di calore, è indispensabile aumentare la resistenza
termica dell’involucro migliorandone il livello di isolamento.
L’efficacia di questa strategia, però, diminuisce al crescere dello spessore, mentre
aumentano i costi!
Gabriele Masera – Passivhaus
Per un edificio tradizionale,
l’equazione della minima energia
individua un punto ottimale che
equivale allo standard
Niedrigenergiehaus.
L’esperienza Passivhaus si basa
sull’idea di spingere il livello di
isolamento tanto in alto, da poter
fare a meno dell’impianto di
riscaldamento tradizionale.
Gabriele Masera – Passivhaus
Da qui il termine “passivo”: si
sfrutta il calore gratuito
derivante:
•! dal sole;
•! dalle persone;
•! dai macchinari.
Questo accorgimento
consente di ammortizzare gli
extracosti dovuti
all’iperisolamento e
all’impianto di ventilazione,
riportando il costo di una PH
nella stessa fascia delle
“normali” case a basso
consumo energetico.
Gabriele Masera – Passivhaus
Tutto il calore gratuito,
derivante dall’interno della
casa o dal sole, viene
conservato per mantenere
i 20°C necessari al comfort.
Attenzione alla qualità
dell’aria interna (IAQ)!
Il calore mancante viene
fornito per mezzo dell’aria
di ventilazione, comunque
necessaria per IAQ.
La strategia è fortemente
conservativa, adatta al
clima tedesco.
Gabriele Masera – Passivhaus
Per ottenere un
consumo così ridotto è
necessario garantire:
•! iperisolamento
dell’involucro opaco;
•! vetri ad alta
efficienza (entra
energia solare ma
non esce calore);
•! tenuta all’aria delle
chiusure;
•! recupero di calore
dalla ventilazione
meccanica.
Gabriele Masera – Passivhaus
^ Schema dei punti critici
dell’involucro.
> Modalità di miglioramento
dell’efficienza della ventilazione.
Gabriele Masera – Passivhaus
Il limite di consumo è
definito dal calore
che si può fornire
usando solo l’aria
come fluido vettore.
Ne deriva un valore
massimo di
15 kWh/m²anno.
I punti di forza dello standard:
•! le idee di base sono molto semplici. Gli utenti non devono
modificare in modo significativo i loro comportamenti “normali”;
•! le tecnologie coinvolte sono di tipo corrente (isolamento termico,
vetri ad alte prestazioni, impianto di ventilazione meccanica). Le
soluzioni sono solide e non richiedono sperimentazione: basso
rischio per utenti e investitori);
•! si lavora sul miglioramento di elementi già previsti in un edificio
qualunque, usando con maggiore intensità tecnologie alla portata
di tutti;
•! i maggiori costi iniziali sono limitati, e possono essere riassorbiti in
meno di dieci anni (vantaggio economico).
Gabriele Masera – Passivhaus
Misure tecnologiche normalmente adottate
0,1
I limiti di consumo imposti dallo
standard PH implicano mediamente,
per il clima tedesco, un coefficiente
di resistenza termica
U!0,10 W/m²K.
Questo significa uno spessore di
isolante superiore ai 30 cm.
Gabriele Masera – Passivhaus
Alternative tecniche tipiche per chiusure verticali in clima tedesco: leggera e a secco,
in legno (a sinistra) e massiccia con super-cappotto (a destra).
Gabriele Masera – Passivhaus
Anche le finestre devono
garantire un’elevata
resistenza termica, sia
nella parte vetrata che
nella cornice e nei
distanziatori dei vetri:
complessivamente
U!0,80 W/m²K.
Inoltre devono essere in
grado di lasciare entrare il
sole (guadagno termico)
di giorno, ma limitare le
dispersioni notturne.
Gabriele Masera – Passivhaus
Una finestra certificata dal
Passivhaus Institut di Darmstadt
(Josko).
Gabriele Masera – Passivhaus
Se i vetri sono molto efficienti, le vetrate rivolte a sud possono costituire un
fattore positivo (guadagno) nel bilancio termico dell’edificio.
Proporzione fra perdite e guadagni per
diversi tipi di vetro.
[Fonte: Passivhaus Institut]
Gabriele Masera – Passivhaus
Andamento del fabbisogno energetico
specifico per diversi tipi di vetro e diverse
dimensioni delle aperture.
Dettaglio di una finestra ad alta efficienza inserita
in un elemento di involucro in legno con
isolamento di fiocchi di cellulosa
(BAU 2005, Monaco).
Gabriele Masera – Passivhaus
^ Confronto fra un serramento a taglio
termico standard e uno con
accorgimenti specifici per la riduzione
del flusso (fonte: Schüco).
< Confronto fra un profilo a taglio termico
e uno continuo (fonte: Metra).
Gabriele Masera – Passivhaus
Con un involucro a tenuta, è
fondamentale garantire il
ricambio d’aria senza espellere
anche il calore conservato
all’interno della casa (problema
IAQ).
Si adotta quindi un impianto di
ventilazione meccanica, con
scambiatore ad alta efficienza
per il recupero di calore dall’aria
viziata.
Per l’eventuale, ulteriore
riscaldamento dell’aria in
ingresso si può usare l’acqua
calda ad uso sanitario (sistemi
integrati).
Gabriele Masera – Passivhaus
È quindi possibile adottare un sistema integrato per
la gestione dell’acqua calda, eventualmente
supportato da collettori solari.
Problematiche riscontrate con l’esperienza:
•! il tasso di umidità può scendere sotto i livelli di
comfort;
•! il preriscaldamento dell’aria esterna tramite
scambiatore nel terreno può essere
controproducente nelle stagioni intermedie.
Gabriele Masera – Passivhaus
Sistema compatto:
ventilazione con
riscaldamento +
recupero calore +
serbatoio ACS
(Aerex).
Gabriele Masera – Passivhaus
La realizzazione di edifici a consumo ridotto ha alcune implicazioni interessanti:
•! comfort termico estremamente elevato, grazie all’uniformità delle temperature
superficiali (scambio radiativo omogeneo) - dovuta all’iperisolamento;
•! impianti non più aggiunti a posteriori, ma concepiti organicamente dall’inizio
(quantità di energia in gioco molto limitate);
•! l’inerzia non ha più il ruolo di limitare l’ingresso delle forzanti climatiche
esterne, ma serve a mitigare le oscillazioni di temperatura interna. Le masse
possono quindi essere limitate e concentrate all’interno dell’abitazione.
Gabriele Masera – Passivhaus
Dopo le prime sperimentazioni con
esito positivo (1991):
Casa passiva realizzata con sistema 81 Fünf.
•! sviluppo di un mercato di prodotti
tradizionali ad alte prestazioni:
isolanti ad alto spessore (anche
cappotti), finestre e vetri
iperisolati (“superwindows”),
soluzioni di parete;
•! diversi produttori propongono
intere case a catalogo conformi
allo standard Passivhaus;
Andamento del consumo effettivo negli anni.
Gabriele Masera – Passivhaus
•! il numero di PH realizzate,
dopo la fase sperimentale,
è in crescita esponenziale:
questo dimostra che l’idea
è stata ben recepita sia dal
mercato che dagli utenti.
Le case tradizionali
perdono valore
economico.
Gabriele Masera – Passivhaus
Perché è un caso interessante anche per l’Italia
Che cosa rende lo standard
Passivhaus un’esperienza
replicabile:
•! la semplicità complessiva
dell’approccio, che lo rende
particolarmente adeguato al
settore residenziale;
•! la solidità dell’idea, basata sulla
riduzione drastica dei consumi
prima di ricorrere a tecnologie
spinte per lo sfruttamento
delle fonti rinnovabili;
Gabriele Masera – Passivhaus
Edificio per minori a Lodi: schema di funzionamento passivo.
•! l’adattamento al
clima, indispensabile
per un modello di
architettura che
lavori con la natura e
non contro (climate
sensitive).
Per l’Italia è necessario adeguare il comportamento al clima estivo più caldo e
alla maggiore radiazione solare nelle stagioni intermedie.
Gabriele Masera – Passivhaus
Indonesia
Tunisia
Irlanda
In condizioni di limitata energia
disponibile, l’uomo ha sviluppato
soluzioni costruttive volte al
raggiungimento dei livelli di comfort
attesi con un impegno energetico
minimo.
Gabriele Masera – Passivhaus
La disponibilità su vasta scala di impianti tecnici e di energia a basso costo ha
portato, tra le conseguenze, una sostanziale indifferenza delle costruzioni al
clima: come dimostra un’analisi delle case bavaresi tipiche oggi e un secolo fa.
Gabriele Masera – Passivhaus
Alcuni esempi di “case passive”
Salisburgo / Gnigl - Atelier 14
Residenza per un
totale di 6
appartamenti
Superficie tot: 328 m²
Costo: 1.965 euro/m²
Consumo di progetto:
15,0 kWh/m² annui
Alloggi con doppia
esposizione. Il lato sud
è ampiamente vetrato
per la captazione
solare. Il lato nord è
prevalentemente
opaco.
Gabriele Masera – Passivhaus
Concetto impiantistico: ventilazione meccanica con recupero di
calore, indipendente per ogni unità abitativa, integrato da
riscaldamento radiante.
L’acqua calda proviene da un
serbatoio centralizzato,
alimentato da collettori solari
e da una caldaia alimentata
con residui di legno.
Tecnologia costruttiva:
struttura portante in
calcestruzzo gettato in opera,
con chiusure leggere a
montanti in legno.
Caratteristiche degli elementi tecnici
•! Chiusura verticale:
U=0,11 W/m²K
•! Vetrate a sud:
U=0,60 W/m²K
•! Solaio su scantinato:
U=0,13 W/m²K
•! Copertura piana:
U=0,10 W/m²K
Gabriele Masera – Passivhaus
Dornbirn - Fuerrot.at
Le aperture sono disposte sui lati sud-est e sud-ovest e sono
configurate per la protezione solare estiva.
Residenza unifamiliare dimostrativa per un sistema costruttivo
flessibile conforme allo standard Passivhaus
Superficie totale: 125 m²
Costo: 1.939 euro/m²
Consumo di progetto: 15,1 kWh/m² annui
Gabriele Masera – Passivhaus
Concetto impiantistico: ventilazione meccanica con
recupero di calore e pompa di calore.
Preriscaldamento dell’aria esterna tramite
scambiatore con il terreno.
Sistema integrato di gestione dell’acqua calda.
Sistema costruttivo: solai in cls su pilastri in acciaio.
Elementi di chiusura prefabbricati con 36 cm di
isolante.
Chiusura
verticale:
U=0,09 W/m²K
Copertura:
U=0,10 W/m²K
Solaio a terra:
U=0,14 W/m²K
Finestre:
U=0,89 W/m²K
Gabriele Masera – Passivhaus
Kuchl - Eigenplanung Bau
Sparer Heim
Residenza per un totale di 25 appartamenti
Superficie totale: 1.800 m²
Costo: 1.446 euro/m²
Consumo di progetto: 15,1 kWh/m² annui
Alloggi sociali
con doppio
affaccio.
Sul lato sud
sono disposte
finestre a tutta
altezza per la
captazione
solare.
Gabriele Masera – Passivhaus
Sistema costruttivo misto: struttura in
calcestruzzo e chiusure leggere a
montanti di legno. Caratteristiche
elementi tecnici:
Chiusura verticale:
U=0,13 W/m²K
Copertura:
U=0,10 W/m²K
Solaio su spazio aperto:
U=0,14 W/m²K
Finestre:
U=0,80 W/m²K
Concetto impiantistico:
ventilazione meccanica
indipendente per ogni
abitazione. L’acqua calda
proviene da un serbatoio
centrale alimentato da collettori
solari e caldaia a scarti di legno.
Uso di pannelli FV (300 m²).
Recupero dell’acqua piovana.
Gabriele Masera – Passivhaus
Wolfurt - G. Zweier
Residenza per un totale di 8 appartamenti, un
ufficio e un atelier
Superficie totale: 1.300 m²
Costo: 1.008 euro/m²
Consumo di progetto: 13,5 kWh/m² annui
Gabriele Masera – Passivhaus
Sistema costruttivo in acciaio e solai
collaboranti. Chiusure prefab in legno.
Chiusura verticale:
U=0,12 W/m²K
Copertura:
U=0,09 W/m²K
Solaio su spazio aperto:
U=0,10 W/m²K
Finestre:
U=0,82 W/m²K
Concetto impiantistico: ventilazione con
recupero di calore per ogni abitazione.
Serbatoio centrale alimentato da caldaia a
scarti di legno e collettori solari.
Gabriele Masera – Passivhaus
I Vacuum insulation panels (V.I.P.) sono
una potenziale alternativa ai materiali
isolanti tradizionali, dal momento che
hanno " = 0,004 W/mK.
2 cm V.I.P. = 20 cm polistirene
Questo significa che sono molto
indicati nelle operazioni di recupero.
Gabriele Masera – Passivhaus
Passivhaus a Dornbirn (A), J. Kaufmann, 2002.
Gabriele Masera – Passivhaus
Quanto costa?
Studi condotti in Germania (migliaia di casi reali) mostrano una curva ben identificata che
mette in relazione extracosto e risparmio (maggiore efficacia con consumi più elevati).
L’extracosto dipende anche dal livello di riferimento stabilito dalla legge.
Gabriele Masera – Passivhaus
Incremento dei costi per l’isolamento di un edificio di nuova costruzione
[fonte: ARPA Lombardia].
Gabriele Masera – Passivhaus
L’architettura “ecocompatibile” comincia dalle prime fasi della
progettazione (ad esempio dal lay-out delle funzioni). Le
strategie precoci sono quelle che costano meno.
Gabriele Masera – Passivhaus