Studio sul risparmio energetico in edifici a destinazione Hotel

L'articolo analizza i consumi di vari edifici a destinazione Hotel a Milano in funzione di vari parametri e mostra i risparmi energetici ed economici che si possono ottenere con dei retrofit mirati, con soluzioni anche semplici ed economiche.

Introduzione

I consumi energetici in un edificio dipendono da:

• Dalla struttura dell'edificio e in particolare dall'isolamento termico
• Dai carichi endogeni, quindi dalla presenza delle persone, dalla loro attività e dagli apparecchi utilizzati (luci, computer, telefonini e quant'altro). Nel caso di Hotel i carichi endogeni sono inferiori rispetto ad altri edifici del terziario, perché le persone dormono, il loro metabolismo è basso e le luci sono spente. Per contro, i carichi endogeni sono presenti di notte, quindi in estate e nella mezza stagione in controfase rispetto agli apporti solari e agli altri carichi strutturali
• Dalla portata d'aria esterna immessa nell'edificio per garantire una buona qualità dell'aria, da come è trattata e dall'efficienza dei recuperatori di calore.

Queste tre voci contribuiscono a formare la richiesta di energia ai generatori, caldaie e pompe di calore. Oltre a queste voci vanno considerate anche le importanti spese di pompaggio, per movimentare i fluidi dell'impianto di climatizzazione e le spese per movimentare i ventilatori delle UTA (Unità di trattamento dell'aria) e dei ventilconvettori.

Analisi effettuata

L’analisi prende in considerazione un edificio ad uso Hotel situato tre diverse aree geografiche della regione del sud Europa e rispettivamente Milano (Italia); Parigi (Francia) e Madrid (Spagna), con pianta rettangolare ed orientazione Nord-Sud o Est - Ovest, In questo articolo si esaminano solo i risultati ottenuti a Milano con orientamento Nord - Sud (il caso Est - Ovest dà consumi simili, anche se leggermente minori)

Si considerano tre differenti livelli di isolamento termico pari ai valori mediamente presenti negli anni 2005 e 2010 oltre ai minimi di legge previsti per il 2021.

Relativamente all'efficienza delle macchine frigorifere, nel 2005 si considera un modello in classe D, secondo la classificazione Eurovent, nel 2010 in Classe B e nel 2021 in classe A. Lo studio considera sempre caldaie a condensazione. 

Nello studio sono state considerate anche le pompe di calore, ma i risultati non vengono riportati nell'articolo, sia perché la maggior parte degli hotel monta comunque caldaie, sia perché economicamente le pompe di calore sono poco convenienti nel settore alberghiero. Infatti, gli Hotel hanno accise uguali a quelle dell'industria, per cui la tariffa del gas è inferiore di oltre 20 centesimi rispetto ad un qualunque altro uso nel settore terziario, con valori da 0,40 fino a 0,60 €/m3, a seconda del potere d'acquisto della proprietà (le grandi catene alberghiere riescono a comperare a cifre ben inferiori al singolo Hotel a gestione familiare). In ogni caso, con queste tariffe, le pompe di calore risultano poco convenienti, quando non addirittura più costose, anche se il loro risparmio in termini di energia è notevole.

Per quanto riguarda i consumi per il pompaggio e per i ventilatori, nel caso di isolamento 2005 e 2010 si sono considerati rendimenti di pompe e ventilatori precedenti alla direttiva ERP 2018, mentre nel caso 2021 i valori presi in esame sono superiori, ovviamente allineati ai dettami della direttiva citata. Analogamente si è fatto per il rendimento dei recuperatori di calore delle UTA, pari al 50% nei primi due casi e al 75% nel terzo caso.

La simulazione è fatta tramite Software EnergyPlus con condizioni di occupazione standard secondo criteri ASHRAE.

Dati Dell’edificio

• Città: Milano
• Uso: albergo
• Forma: rettangolare
• Lati lunghi: - superfici vetrate = 110 m2,  - superfici opache = 250 m2
• Lati corti: - superfici opache = 113 m2 
• Tetto: 500 m2
• Orientamento: Nord–Sud o Est-Ovest 
• 9 piani fuori terra, 1 reception e bar, 8 a stanze
• 20 camere doppie per piano, 10 per facciata
• 160 camere totali
• 4.500 m2 superficie climatizzata (13.500 m3)
• Profili occupazione secondo Ashrae
• 80% occupazione media
• Ambienti aggiuntivi considerati in zone interrate in cui risulta trascurabile l’influenza dell’isolamento termico dell’edificio stesso e delle altre aree: Ristorante e sala colazione; SPA; Sala Conferenza.

3 livelli di isolamento termico dell’edificio:

• Isolamento medio (anno 2005)
• Isolamento attuale (anno 2010)
• Isolamento elevato (anno 2021)

 
 Temperatura di set-point nelle camere:

•  Riscaldamento 20°C
•  Raffreddamento 26°C

Influenza dell’isolamento termico

La figura 1 mostra l'energia complessiva richiesta dall'edificio all'impianto di climatizzazione, comprendendo i carichi endogeni e tralasciando per il momento l'immissione dell'aria di rinnovo.

Figura 1: fabbisogni dell'edificio in funzione dell'isolamento termico (carichi endogeni inclusi, aria di rinnovo esclusa)

La figura 2 mostra invece l'andamento temporale annuale ora per ora della potenza richiesta in riscaldamento (linee rosse: valori positivi) e in raffreddamento (linee blu: valori negativi) 

Figura 2: l'andamento temporale annuale ora per ora della potenza richiesta in riscaldamento (linee rosse: valori positivi) e in raffreddamento (linee blu: valori negativi): si considerano i carichi endogeni, ma non l'aria di rinnovo

L’isolamento termico minore richiede sempre una maggiore energia in riscaldamento, ma una minore energia in raffreddamento ed una potenza massima maggiore sempre, pur avendo una distribuzione temporale diversa. L’isolamento termico maggiore necessita infatti di raffreddamento per più mesi all’anno: inizia già a Febbraio fino a Novembre per il 2010. Negli edifici con isolamento 2021, la richiesta in riscaldamento è pressoché nulla se comparata alla richiesta di edifici più datati mentre la richiesta di raffreddamento vi è sempre in ogni periodo dell'anno.

Influenza dell’immissione di aria esterna

Il successivo passaggio consiste nell’analizzare l’effetto dell’immissione di aria esterna utilizzando un recuperatore di calore dall’aria espulsa ed immettendo l’aria a temperatura diversa da quella neutra.

L’ipotesi è di immettere aria a 18°C durante tutto l’anno, con umidità specifica in inverno pari a 4,8 g/kg in invero e 9,9 g/kg in estate.

La portata d’aria è 80 m3/h per camera + 1.600 m3/h nella hall e nelle zone comuni, per una portata di aria immessa di 12.800 m3/h e 9.800 m3/h di aria estratta.

La figura 3 mostra la potenza richiesta per ogni ora dell'anno in funzione dell'efficienza del recuperatore di calore dall'aria espulsa pari al 50%, nel caso di edifici costruiti precedentemente alle regole ERP 2018 e pari al  75% negli anni posteriori. La figura considera una portata dell'aria costante ovunque, anche nelle camere vuote.

Poiché la portata dell’aria espulsa è pari al 77% della portata di rinnovo dell'aria immessa, le efficienze  del recuperatore diventano rispettivamente pari al 38% e al 57%.

La maggiore efficienza influisce molto in riscaldamento, molto meno in raffreddamento. Nei mesi da maggio a metà ottobre il carico di riscaldamento, quasi costante, è dovuto al post riscaldamento necessario per la deumidificazione.

Figura 3: l'andamento temporale annuale ora per ora della potenza richiesta in riscaldamento (linee rosse: valori positivi) e in raffreddamento (linee blu: valori negativi per l'aria di rinnovo)

Il recuperatore di calore ha un impatto non trascurabile sui consumi, in particolare in riscaldamento. Si vede infatti come un aumento dell’efficienza del recuperatore del 50%, ovvero passando da un recuperatore con efficienza 50% ad un recuperatore con efficienza 75%, produce un risparmio del 26% sulla richiesta di riscaldamento, e solo il 2,4% sulla richiesta di raffreddamento, mentre lascia completamente inalterato il consumo del post-riscaldamento (figura 4).

Figura 4: energia annua richiesta dal trattamento dell'aria di rinnovo al variare dell'efficienza del recuperatore di calore

Energia richiesta dai ventilatori della UTA

A parità di portata volumetrica di aria immessa ed aria espulsa, la potenza dipende dal rendimento dei ventilatori e dalle perdite di carico.
Negli alberghi tradizionalmente, le CTA funzionano sempre, (8.760 ore all’anno), per cui il peso energetico dei ventilatori è molto elevato.
La potenza richiesta dai ventilatori di una UTA è data dalla formula:

 
dove:

La direttiva europea ERP ha modificato i criteri di progettazione degli apparecchi elettrici e dei ventilatori, migliorando di molto l’efficienza. Nei ventilatori delle UTA si è passato da un rendimento medio del 50% a un rendimento del 70%.

Inoltre ha previsto delle velocità molto più basse nella UTA. I costruttori si sono adeguati riducendo, per quanto possibile, le perdite di carico degli apparecchi interni (batterie, filtri, recuperatori di calore) e aumentando l’efficienza degli scambiatori di calore.

Per le analisi sono state considerate due tipi di UTA, una precedente all’introduzione delle regole ERP 2018 ed una posteriore. Le potenze dei ventilatori, in condizioni di funzionamento sono:

• UTA pre ERP =  potenza complessiva 10,5 kW
• UTA ERP 2018 =  potenza complessiva   5,0 kW

L’energia annua consumata dai ventilatori è pertanto:

• UTA pre ERP =  energia complessiva 92.369 kWh
• UTA ERP 2018 =  energia complessiva 43.591 kWh

Vantaggi della portata aria variabile nelle stanze degli alberghi

Negli alberghi è possibile ridurre di molto i consumi di energia elettrica per la ventilazione delle stanze se si adottano impianti a portata d’aria variabile, grazie alle soluzioni basate sull'utilizzo degli inverter Danfoss specificatamente dedicati alle applicazioni HVAC. 

Nelle camere la portata d’aria si avvia solo con presenza persone (badge connesso) e rimane in funzione per un’ora dalla loro uscita La chiusura avviene mediante una serranda opportunamente inserita nel canale di alimentazione della stanza.

Nelle ore centrali della giornata si abbassa la portata nelle camere, in quanto, generalmente, le stanze sono vuote. In questo modo si riduce da un lato l’energia spesa dai ventilatori, dall’altro quella spesa per il trattamento dell’aria, anche se la riduzione dell’aria espulsa fino a 0 porta a una riduzione dell’efficienza del recuperatore di calore (figura 5).

Figura 5: variazione della portata d'aria di rinnovo e di espulsione nel corso della giornata

La riduzione della potenza ora per ora richiesta all’aria è notevole, soprattutto in raffreddamento nei mesi estivi (figura 6).

Figura 6: variazione della potenza per il trattamento dell'aria immessa

Gli impianti a portata variabile richiedono minore energia ai generatori di calore ed in questo modo abbassano i costi annui dell’impianto. Nel caso in esame la portata variabile porta ad una riduzione di oltre il 27% in riscaldamento e di circa il 16% in raffrescamento

In un impianto a portata d’aria variabile il risparmio è tanto maggiore quanta più potenza richiedono le UTA a pieno carico, quindi per macchine antecedenti al 2018. Il consumo si riduce di quasi 49.000 kWh annui nel caso di UTA precedenti al 2018, e di oltre 23.000 kWh annui per quelle posteriori. 
Quindi, nel caso di retrofit, l'utilizzo di una portata d'aria variabile è vantaggioso, come meglio mostrato di seguito.

L'utilizzo di sistemi idronici a portata d'acqua variabile, grazie all'impiego delle valvole Pressure indipendent

Il progetto degli impianti viene ovviamente sempre effettuato considerando le condizioni più critiche, che si verificano raramente e non tutti gli anni. Durante un anno medio tipo la potenza richiesta alle apparecchiature dell’impianto sono sempre inferiori a quelle massime di progetto. 

Nel caso di impianto a portata costante, la portata d'acqua dei circuiti caldi e freddi durante tutto l’anno corrisponde alla somma totale di quelle delle UTA e dei fan-coil. Nel corso dell'anno medio, però, la potenza massima raggiunta è inferiore alla massima totale, sia per fattori di contemporaneità dovuti all'esposizione, sia perché difficilmente l'albergo è sempre tutto esaurito (le camere sono calcolate per una presenza di due persone, cosa non sempre vera).

La figura 7 mostra in termini percentuale la potenza richiesta dai circuiti caldi e da quelli freddi rispetto alla totale. La figura è costruita per un edificio con isolamento 2010.

I circuiti caldi richiedono potenza tutto l’anno (anche in estate, per il post-riscaldamento), mentre quelli freddi teoricamente non richiederebbero potenza a dicembre e gennaio. Trattandosi però di una struttura adibita ad hotel, non possiamo escludere che qualche cliente potrebbe volere una temperatura inferiore a quella presente in camera, per cui in un albergo di almeno 4 stelle, vanno comunque tenuti sempre in funzione.

Le batterie di scambio termico di UTA e fan-coil hanno una curva potenza-portata che si discosta dalla linearità. Per avere, ad esempio, il 75% della potenza è necessario ridurre la portata al 50%. 

Dal punto di vista del terminale, la portata d’acqua che lo attraversa è sempre la stessa indipendentemente che si utilizzi una valvola a 3 vie oppure una valvola a 2 vie.

Utilizzando una valvola a 3 vie parte della portata viene by-passata sulla terza via e non attraversa la batteria, ma la portata verso il terminale è sempre pari al 100%. Con una valvola a 2 vie invece, la portata circolante sulla tubazione verso il terminale è sempre pari a quella che attraversa la batteria. Circola quindi meno acqua sull’impianto e si ottiene quindi un sistema a portata d’acqua variabile.

Nella restante parte dell'articolo vengono affrontati i seguenti temi:

• Vantaggi delle valvole pressure indipendent AB-QM Danfoss
• Benefici sulla riduzione dei consumi energetici e costi di gestione con l’utilizzo delle soluzioni Danfoss per la portata variabile in impianti con caldaia e gruppo frigorifero
• Retrofit di edificio con isolamento termico 2005
• Retrofit di edificio con isolamento termico 2010
• Progetto nuovo edificio con isolamento 2021
• Considerazioni economiche e conclusioni

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