Progettare un net ZEB in clima mediterraneo

Un recente studio dell’Università di Catania ha definito alcuni accorgimenti progettuali utili per realizzare, in un clima temperato come quello mediterraneo, case a schiera a consumo di energia quasi zero

La Direttiva Europea 31/2010 (EPBD recast) richiede agli stati membri che tutti gli edifici di nuova costruzione, realizzati a partire dal 31 dicembre 2020, siano dei «nearly Zero Energy Buildings», cioè edifici quasi a «zero energia»⁽¹⁾. Tale scadenza è anticipata al 31 dicembre 2018 per gli edifici pubblici o occupati da enti pubblici. La definizione di «nearly Zero Energy Building» (nearly ZEB) è fornita dall’art. 2 della stessa Direttiva: si tratta di un edificio caratterizzato da una prestazione energetica molto elevata, per il quale il già esiguo consumo energetico venga bilanciato, in misura significativa, da fonti rinnovabili disponibili in sito. Nel valutare la prestazione energetica, la Direttiva suggerisce di conteggiare i soli consumi legati al riscaldamento invernale, alla climatizzazione estiva, alla produzione di acqua calda sanitaria, alla ventilazione degli ambienti e all’illuminazione artificiale; risultano quindi esclusi – per convenzione – i consumi associati all’uso di elettrodomestici ed apparecchiature elettroniche⁽²⁾. Il prefisso «net» (net ZEB, nearly net ZEB) serve ad indicare la possibilità di avvalersi di una rete di distribuzione dell’energia per compensare, nell’ottica di un bilancio energetico annuo, lo sfasa-mento temporale tra la produzione da energia rinnovabile e l’effettiva richiesta dell’utenza. Secondo un recente studio⁽³⁾, negli ultimi 20 anni sono stati presentati a livello mondiale oltre 350 progetti di edifici che ambiscono a fregiarsi dell’etichetta di net ZEB. Ad oggi, la maggior parte dei net ZEB effettivamente realizzati ha sede in Europa centrale (soprattutto Germania ed Austria), Stati Uniti e Canada. Si registra comunque un’attività rilevante in questo settore anche in Francia, dove 18 progetti di edifici net ZEB sono già stati realizzati o avviati⁽⁴⁾. In Germania, un complesso residenziale contenente 59 appartamenti a schiera è stato realizzato a Friburgo; gli edifici sono stati progettati secondo i requisiti dello standard Passivhaus e si avvalgono dell’energia elettrica prodotta con moduli fotovoltaici installati in copertura. È interessante notare che, malgrado non tutti gli appartamenti soddisfino singolarmente i requisiti di net ZEB, nel complesso l’intero insediamento risulta comunque idoneo⁽⁵⁾.In confronto ai Paesi finora citati, invece, il panorama italiano risulta ancora poco ricco⁽⁶⁾. E in ogni caso, poche ricerche sono state condotte in contesti dal clima mediterraneo, per i quali, nel bilancio dei consumi energetici annuali, il fabbisogno legato alla climatizzazione estiva assume generalmente valori preponderanti. Ciò comporta un diverso approccio alla ricerca di soluzioni tecniche per il raggiungimento dell’obiettivo net ZEB. Nel seguito verrà analizzata criticamente la possibilità di realizzare un net ZEB a partire del tipo residenziale oggi più diffuso in Italia nell’ambito delle nuove costruzioni: la casa a schiera⁽⁷⁾. Dal punto di vista costruttivo, si è optato per un involucro in laterizio, sia per l’ampia reperibilità del materiale sul mercato italiano, sia per le sue buone performance energetiche, in particolare nelle regioni temperate⁽⁸⁾. Per tenere conto delle caratteristiche del clima mediterraneo, si è infine supposto che l’edificio si trovi in zona C, considerata mediamente la più rappresentativa di tale clima.

Approccio metodologico ai net ZEB
Attualmente non esiste ancora una metodologia ufficiale per il calcolo delle prestazioni energetiche di un net ZEB. La definizione di tale metodologia dovrebbe innanzitutto stabilire a quale forma di energia riferirsi nell’effettuare il bilancio fra consumi dell’edificio e produzione da fonti rinnovabili, e quale intervallo temporale assumere come riferimento per il calcolo. In realtà, è ormai prassi comune effettuare le valutazioni su base annuale e realizzare i bilanci energetici in termini di energia primaria (PE). Le prestazioni sono inoltre normalizzate in funzione della superficie utile dell’edificio⁽⁹⁾. In pratica, si tratta di valutare il bilancio indicato nell’equazione (1); qui i pedici indicano i contributi legati al riscaldamento invernale (H), agli usi sanitari (W), alla climatizzazione estiva (C), all’illuminazione (L), alla ventilazione (V) e alle energie rinnovabili (RE). Tutti i termini dell’equazione sono espressi in kWh/anno al m2 di superficie utile; per classificare l’edificio come net ZEB il risultato dell’equazione deve essere non positivo.

Descrizione del caso studio
Al fine di investigare le modalità di realizzazione di un net ZEB residenziale in clima mediterraneo, come già accennato, è stato selezionato un tipico edificio a schiera. Peraltro, esso presenta un elevato rapporto di forma S/V in confronto agli altri tipi edilizi, il che enfatizza il ruolo svolto dall’involucro. Nelle figure 1 e 2 si riportano piante e prospetti dell’edificio considerato. Esso è costituito da sette appartamenti: quattro di essi, identificati dalla lettera A, si sviluppano su un solo livello e sono caratterizzati dalla stessa superficie utile, ma hanno diversa esposizione. I restanti tre appartamenti sono duplex: l’appartamento C presenta una copertura a terrazza, mentre gli appartamenti B confinano con un ambiente non abitabile sotto il tetto a falde. La superficie utile complessiva è di 435 m², mentre il volume lordo ammonta a 1670 m³. Il fattore di forma S/V è 0.67. Dal punto di vista strutturale, l’edificio presenta una intelaiatura in c.a.; si tratta di una prassi molto diffusa in Italia, che però richiede opportuni correttivi per evitare ponti termici non trascurabili lungo travi e pilastri. Le pareti di tamponamento sono a doppio paramento: in blocchi di laterizio alleggerito «in pasta» da 25 cm all’esterno; in comuni laterizi forati da 8 cm all’interno. I due paramenti sono separati da un’intercapedine di 9 cm; lo spessore complessivo, comprensivo dell’intonaco esterno ed interno, è di 46 cm. Per quanto riguarda l’isolamento termico, si assumerà in una prima fase che l’involucro edilizio sia progettato in modo da risultare in linea con le normative nazionali vigenti in tema di prestazioni energetiche degli edifici. A tal proposito, il DPR n. 59/2009 impone un valore massimo per la trasmittanza termica U delle superfici esterne, determinato in funzione della zona climatica attribuita al sito in cui sorge l’edificio⁽¹⁰⁾. Per rispettare i requisiti in zona C è sufficiente introdurre 2 cm di poliuretano espanso nell’intercapedine, ottenendo così una

La chiusura verticale così realizzata avrà inoltre fattore di decremento f = 0,1 e sfasamento ? = 15,6 h; tali valori testimoniano le buone prestazioni inerziali, conferite principalmente dal laterizio alleggerito «in pasta». I pilastri e le travi in c.a. hanno spessore di 30 cm ma, al fine di uniformare ai muri esterni il loro spessore e la loro trasmittanza termica, si prevede di apporre delle tavelle coibentate da 4 cm e 6 cm, rispettivamente sul lato interno ed esterno (figure 3-4). Relativamente alla copertura piana a terrazza, essa è costituita da un solaio misto in latero-cemento di altezza 20 cm, sormontato da un foglio di barriera al vapore in polietilene da 0,3 mm, da 8 cm di polistirene estruso, da un massetto delle pendenze in calcestruzzo alleggerito da 5 cm, da una membrana impermeabilizzante e da un rivestimento in mattonelle. Il tetto a falde, coperto da un manto in laterizio, insiste su una mansarda non abitabile, isolata all’estradosso del solaio con 8 cm di polistirene estruso. Tali soluzioni di copertura sono oggi molto diffuse Tali soluzioni di copertura sono oggi molto diffuse nell’edilizia residenziale. In tabella I si riportano i valori della trasmittanza termica di tutti gli elementi di involucro considerati in questo studio, insieme ai valori limite definiti dal DPR 59/2009 in zona C. Tutte le su-perfici esterne sono rifinite con intonaco chiaro (coefficiente di assorbimento solare = 0,4). I serramenti hanno telaio in alluminio a taglio termico e vetrocamera 4-16-4 con Argon; il vetro interno presenta un trattamento basso emissivo di media entità (ε=0,4).
È inoltre necessario quantificare l’incidenza dei ponti termici. Essi costituiscono una via di fuga preferenziale per il calore e possono produrre un significativo aumento delle dispersioni termiche dell’involucro. La correzione di tali ponti termici è stata ottenuta utilizzando, a seconda dei casi, tavelle coibentate, mazzette in laterizio porizzato e strati di isolante. Le soluzioni adottate nell’e-dificio in esame sono indicate nelle figure 3 e 4. Per quantificare la dispersione di calore attraverso i ponti termici si utilizza la trasmittanza lineare ψ, misurata in Wm^-1K^-1: questa rappresenta la potenza termica dispersa attraverso un ponte termico di lunghezza unitaria in presenza di una differenza di temperatura di 1°C tra ambiente interno e ambiente esterno⁽¹¹⁾. La valutazione della trasmittanza lineare è stata effettuata tramite le relazioni disponibili in letteratura⁽¹²⁾, in funzione di parametri tecnici quali lo spessore dell’isolante, lo spessore dell’elemento costruttivo e la sua conducibilità. I risultati sono riportati in tabella II. Si noti che gli accorgimenti previsti non eliminano del tutto i ponti termici. Le dispersioni più significative provengono dai balconi e, anche a causa dell’elevata lunghezza complessiva, dal collegamento del telaio dei serramenti alla muratura; contributi rilevanti sono dovuti anche alla giunzione tra solaio d’interpiano e muri esterni. La trasmittanza lineare media dei ponti termici è pari a 0,18 Wm^-1K^-1; ciò comporta un incremento delle dispersioni termiche pari al 15-20% rispetto al caso dei ponti termici completamente eliminati. Le prestazioni energetiche dell’edificio sono state valutate tramite simulazioni termiche dinamiche condotte per mezzo del software EnergyPlus; i dati climatici sono relativi alla città di Bari⁽¹³⁾. A tal fine, è stato necessario assegnare ai diversi locali opportuni carichi endogeni associati rispettivamente a persone, illuminazione artificiale ed apparecchiature elettriche. La norma UNI/TS 11300-1 riporta a tal proposito valori convenzionali, modulati in funzione della fascia oraria e del tipo di locale, in un range che va da 1 W/m² (camere da letto, dalle 07:00 alle 23:00) a 20 W/m² (cucine e soggiorni, dalle 17:00 alle 23:00)⁽¹⁴⁾. Per quanto riguarda la ventilazione dei locali, non sono previsti sistemi di estrazione meccanica. L’immissione di aria di rinnovo è dunque affidata alle infiltrazioni e soprattutto all’apertura delle finestre da parte degli utenti. Il tasso di rinnovo conseguente è stimato per convenzione in 0,3 volumi/ora in inverno e 0,5 volumi/ora in estate.

3. Sezione verticale di dettaglio in corrispondenza dell’appartamento B1.

4. Sezione verticale e orizzontale di dettaglio in corrispondenza dell’appartamento C.

Tabella I. Trasmittanza dei componenti di involucro.

Tabella II. Trasmittanza lineare dei ponti termici.

 Articolo tratto da Costruire in Laterizio n. 155

Note
1 EPDB Recast, Directive 2010/31/EU of the European Parliament and of the Council of 19 May 2010 on the Energy Performance of Buildings (recast), Official Journal of the European Union, 18.06.2010.
2 Se tali contributi fossero inclusi nel bilancio, sarebbero non trascurabili: essi ammontano media-mente a 1200 kWh/anno per appartamento, nel caso in cui si utilizzino apparecchi a basso consumo.
3 Voss K., Musall E., Net zero energy buildings. International projects of carbon neutrality in buildings, Detail Green Books, Munich 2011.
4 Lenoir A. et al., “Net zero energy building in France: from design studies to energy monitoring. A state of the art review”, in Atti della Conferenza Internazionale Eurosun, Graz 2010. In questo articolo, gli autori sottolineano che il fabbisogno energetico effettivo di un edifico ad alte prestazioni può rivelarsi ben superiore a quanto inizialmente previsto in sede di progetto, a causa del comporta-mento imprevedibile – e spesso inappropriato – degli occupanti.
5 Heinze M., Voss K., “Goal: Zero Energy Buildings. Exemplary experience based on the solar estate Solarsiedlung Freiburg am Schlieberg, Germany”, in Journal of Green Building, vol. 4 (4), 2009.
6 Dall’O’ G. et al., “An Italian pilot project for zero energy buildings: towards a quality-driven approach”, in Renewable Energy, vol. 50, 2013, pp. 840-846.
7 Il basso indice di fabbricabilità delle zone d’espansione urbana ha ridotto le possibilità di scelta dei tipi residenziali per le nuove costruzioni. Tra questi le case a schiera sono attualmente le più realizzate in Italia.
8 Evola G., Marletta L., “Prestazioni energetiche di pareti in laterizio in clima mediterraneo”, in Costruire in laterizio, n. 144, novembre-dicembre 2011, pp. 44-51; Margani G., “Murature massive e comfort sostenibile in clima mediterraneo”, in Costruire in laterizio, n. 137, settembre-ottobre 2010, pp. 65-71.
9 Marszal A.J. et al., “Zero energy buildings: a review of definitions and calculation methodologies”, in Energy and Buildings, vol. 43, 2011, pp. 971-979.
10 DPR 2 aprile 2009, n. 59, art. 4, comma 4.
11 Cavallaro C., Evola G., Margani G., “Ponti termici in clima mediterraneo. Eliminarli conviene?”, in Costruire in laterizio,n. 139, gennaio-febbraio 2011, pp. 44-48.
12 Capozzoli A., Corrado V. et al., Atlante nazionale dei ponti termici conforme alle norme UNI EN ISO 14683 e UNI EN ISO 10211, Edizioni Edilclima, Borgomanero 2011.
13 La città di Bari è caratterizzata da 1185 gradi-giorno, valore che si trova quasi esattamente al centro della fascia che definisce la zona C (da 900 a 1400 gradi-giorno).
14 UNI/TS 11300-1, “Prestazioni energetiche degli edifici. Parte 1: Determinazione del fabbisogno di energia termica dell’edificio per la climatizzazione estiva ed invernale”, prospetto 9.