Analisi cost-optimal: applicazione ad un caso residenziale monofamiliare

Gli edifici NZEB permettono di centrare gli obiettivi di decarbonizzazione del settore edilizio

Al giorno d’oggi, gli ambiziosi obiettivi di decarbonizzazione per il settore edilizio, proposti dalla Commissione Europea, possono essere raggiunti attraverso la diffusione su larga scala di edifici ad energia quasi zero, o Nearly Zero Energy Buildings (NZEB). Negli NZEB, l’obiettivo di ridurre il consumo energetico e le emissioni di CO₂ può essere facilmente raggiunto fin dalla fase di concept progettuale attraverso l’implementazione di involucri edilizi con adeguata prestazione accoppiati a sistemi di riscaldamento, ventilazione e condizionamento dell’aria (HVAC) efficienti e integrati con tecnologie di produzione energetica a fonti rinnovabili.

Tali concetti sono alla base della Direttiva 2010/31/UE, anche conosciuta come Revisione della Energy Performance of Buildings Directive (EPBD Recast), che ha introdotto non solo per la prima volta il concetto di NZEB, ma anche un quadro metodologico comparativo per guidare gli Stati Membri nella definizione delle prestazioni energetiche degli NZEB in un’ottica di raggiungimento dei livelli ottimali di costi. Tale metodologia consente di valutare differenti soluzioni di efficientamento energetico tenendo in considerazione non solo le variabili energetico-architettoniche ma anche quelle economico-finanziarie, in termini di costi di investimento, manutenzione, gestione e smaltimento.

Questo articolo analizza gli effetti dell’impiego di differenti alternative impiantistiche su edifici caratterizzati da un diverso livello di isolamento termico per un edificio mono-familiare. La villetta esaminata rappresenta un caso di studio già presentato in letteratura, di cui sono state esaminate 9 alternative di combinazioni energetiche determinate dall’incrocio di 3 livelli crescenti di isolamento dell’involucro edilizio e 3 diverse architetture del sistema energetico-impiantistico.

In particolare, i 9 pacchetti “involucro + impianto” che si generano vengono caratterizzati attraverso un valore di prestazione energetica (espressa in termini di fabbisogno di energia primaria [kWh/m²] al netto del contributo delle fonti di energia rinnovabile) e da un corrispondente valore di costo globale, espresso in termini di Euro/m², valutato mediante la metodologia illustrata nel seguente capitolo.

L’obiettivo dello studio riguarda infatti l’implementazione della metodologia “cost-optimal” per valutare alternative di interventi di retrofit energetico, evidenziando le più convenienti in grado di ridurre i costi nel ciclo di vita dell’edificio a fronte di un apprezzabile valore di prestazione energetica ottenuta.

La metodologia cost-optimal 

La metodologia cost-optimal è stata sviluppata con l’obiettivo di identificare le configurazioni energetiche verso un NZEB in “ottimalità di costi”. In generale, infatti, la metodologia può essere adottata come strumento di supporto alla decisione, che aiuti quindi guidare le scelte del team di progettazione e/o della committenza. L'analisi cost-optimal permette di confrontare le prestazioni energetiche (kWh/m²) ed economiche (Euro/m²) di diverse configurazioni progettuali, identificando altresì quella o quelle soluzioni che ricadono nell’area di cosiddetta ottimalità di costo definita come “il livello di prestazione energetica che porta al costo più basso durante il ciclo di vita economico stimato dell’edificio”. 

Le valutazioni energetiche sono state effettuate nel presente studio con software di simulazione dinamica EnergyPlus, mentre la valutazione dei costi è stata eseguita secondo il metodo dei costi globali della EN 15459:2007. 

Nel dettaglio, per ogni scenario di progettazione energetica è stato valutato l’indicatore costo globale, che consiste nella stima del valore netto attuale di tutti i costi sostenuti in un periodo di calcolo definito, tenendo conto dei valori residui dei componenti con durata maggiore rispetto al periodo di analisi. Il costo globale è determinato sommando i costi attualizzati, con un appropriato tasso di sconto, dei costi di investimento iniziali, dei costi periodici di sostituzione, dei costi annuali di manutenzione e dei costi annuali energetici e sottraendone del valore finale, come mostrato nell’equazione (1) di seguito:

dove Cg(τ) rappresenta il costo globale riferito all'anno iniziale τ0, CI è il costo dell'investimento iniziale, Ca,i (j) è il costo annuale per il componente j all'anno i (compresi i costi di gestione e i costi periodici o di sostituzione), Rd (i) è il tasso di sconto per l'anno i, Vf,τ (j) è il valore finale del componente j alla fine del periodo di calcolo (riferito all’anno iniziale τ0).

Il caso studio: villetta monofamiliare in Piemonte

L’edificio preso a riferimento per lo sviluppo delle analisi è caso studio di NZEB già presente in letteratura che può essere considerato rappresentativo per gli edifici NZEB della regione [5,6]. Si tratta di una villetta monofamiliare di superficie utile pari a circa 140 m², sita in zona climatica E. In termini di involucro edilizio sono state studiate 3 diverse alternative di isolamento termico:

• livello 1 o base, corrispondente ai valori limite di riferimento di trasmittanza termica imposti dalla legge per la specifica zona climatica;
• livello 2, pari ai valori di trasmittanza termica suggeriti dal regolamento energetico del Comune di Torino;
• livello 3, pari ai valori di trasmittanza termica a riferimento del protocollo PassiveHouse;
  
  Invece, relativamente alle caratteristiche dei 3 sistemi impiantistici esaminati, essi presentano le seguenti caratteristiche:
• impianto tipo A o base, Caldaia a Condensazione accoppiata a Radiatori per il riscaldamento, sistema Multi-Split per il raffrescamento, 3kWp di fotovoltaico e 60% di ACS prodotta da solare termico;
• impianto tipo B, Pompa di Calore acqua-aria accoppiata a FanCoil per il riscaldamento e il raffrescamento, ventilazione meccanica controllata con recupero di calore, 3kWp di fotovoltaico e 60% di ACS prodotta da solare termico;
• impianto tipo C, Pompa di Calore acqua-aria accoppiata a Pavimento Radiante per il riscaldamento e il raffrescamento, ventilazione meccanica controllata con recupero di calore e deumidificazione, 6kWp di fotovoltaico e 60% di ACS prodotta da solare termico.

La seguente tabella rappresenta la matrice di incrocio tra livelli di isolamento e di sistemi impiantistici, con i corrispondenti codici che caratterizzano ciascuna delle alternative progettuali esaminate. In particolare, il caso 1A rappresenta il caso base (o reference building, RB).

La seguente figura mostra il diagramma “cost-optimal” per le soluzioni esaminate. Ogni pallino del diagramma rappresenta una delle alternative studiate. La linea che interpola le soluzioni dalla 1A alla 3C è la cosidetta “curva di costo globale” che presenta il suo punto di minimo (cost-optimal point) in corrispondenza del caso 2C.

 Le nove alternative progettuali analizzate riportate nel grafico di costo-ottimale

Analizzando la figura, si evidenza come le soluzioni impiantistiche di tipo C, con pompa di calore aria-acqua e pavimento radiante, risultano quelle che interpolano la curva di ottimalità di costo con valori elevati di prestazione energetica. Inoltre, il punto di ottimo 2C si caratterizza da un equilibrato valore di isolamento termico: un ulteriore aumento del livello di isolamento, vedi il caso 3C, comporta un’uscita dall’area di ottimalità di costo determinando un aumento di costo globale, addirittura superiore al caso 1C con livello base di isolamento.

Le stesse tendenze sopra illustrate in termini di curva “cost-optimal” si ritrovano anche portando in esame le diverse soluzioni di pannelli radianti, quindi anche con controsoffitti per i quali si assiste ad un crescente interesse del mercato non solo nel settore terziario ma anche in quello residenziale. Naturalmente, la coppia di valori (prestazione energetica; costo-globale) che caratterizza ogni soluzione specificamente investigata dipenderà dalla zona climatica in cui è situato l’edificio, da cui discenderanno fisiologiche esigenze di riscaldamento e raffrescamento da far collimare con le aspettative della committenza: soluzioni che possono andare dal “radiante integrale” caldo/freddo con deumidificazione, a quelle “ibride” con pavimento radiante in riscaldamento e raffrescamento con fan coil, in presenza climi estivi più intensi.

Conclusioni 

L’analisi condotta ha permesso di mostrare come l’analisi cost-optimal sia un efficace strumento per confrontare soluzioni alternative di progettazione energetica sugli edifici, andando a valutare sia un indicatore energetico che economico finanziario (il costo globale).

Le investigazioni condotte su un caso di studio di letteratura rappresentativo della tipologia edilizia villetta mono-familiare hanno mostrato come i sistemi impiantistici con accoppiamento “pompa di calore & pannello radiante” sono soluzioni “cost-optimal” e che la migliore è caratterizzata da un adeguato ed equilibrato valore di isolamento termico, evitando quindi la tendenza all’implementazione di super-isolamenti.

Analoghi risultati possono essere ottenuti analizzando le diverse tipologie di sistema radiante, sia a pavimento che a controsoffitto.