Trasformare una scuola esistente in un edificio nZEB è possibile?
Procedura di diagnosi energetica dettagliata per identificare soluzioni tecniche convenienti e realizzabili che soddisfino i requisiti nZEB e si basino anche sull’ottimizzazione dei costi di intervento.
L'articolo presenta i passaggi fondamentali per la ristrutturazione di edifici verso l'obiettivo nZEB; si basa su un audit energetico dettagliato e su un'analisi finanziaria. La metodologia parte dalla realizzazione di un modello numerico dell'edificio, calibrato attraverso dati reali su funzionamento, clima e consumi energetici. Successivamente viene applicata una procedura di ottimizzazione dei costi, per identificare le misure di efficienza energetica che determinano il costo globale minimo, supponendo un periodo di vita utile di 30 anni. Infine, le misure di efficienza energetica sono state ulteriormente incrementate, al fine di soddisfare i requisiti nZEB e allo stesso tempo verificarne il contenimento dei costi. La metodologia è stata applicata a una scuola superiore di Torino.
Edifici scolastici: consumi energetici e requisiti nZEB
Gli edifici scolastici, tra le diverse categorie di edifici pubblici, occupano il 17% della superficie edificata e sono responsabili del 12% dei consumi finali di energia per edifici non residenziali in Europa. I parametri di riferimento del consumo di energia delle scuole esistenti sono forniti da numerosi studi nei paesi dell'UE e in genere vengono rivelati alti potenziali di risparmio energetico. I valori più alti del consumo di energia si verificano nelle scuole della Finlandia meridionale: il consumo finale medio annuo di energia è di 214 kWh/m2 per le scuole primarie e 229 kWh/m2 per le università. I dati sul consumo di energia delle scuole nell'Europa meridionale sono relativamente più bassi. Ad esempio, studi condotti a Cipro mostrano un consumo medio annuo di energia di 63 kWh/m2, inclusi elettricità e carburante. Studi sullo sviluppo di audit energetici per edifici scolastici sono stati anche condotti in tutta Italia. Nel nord Italia, ad esempio, è stata condotta un'indagine sul campo per raccogliere ed elaborare dati sull'effettivo consumo di energia di 120 scuole superiori nella provincia di Torino . Il consumo medio annuo di energia per il riscaldamento d'ambiente del campione è risultato di circa 115 kWh/m2.
In Italia, il D.M. del 26/06/2015 “Adeguamento linee guida nazionali per la certificazione energetica degli edifici”, detto anche “Decreto Requisiti Minimi”, attuazione della Legge n. 90/2013 che recepisce la direttiva 2010/31/UE, specifica i requisiti minimi di prestazione energetica per i nuovi edifici e gli edifici soggetti a ristrutturazione (in funzione del tipo e dell’estensione della ristrutturazione stessa). Tali requisiti riguardano le prestazioni energetiche dell'edificio e l'efficienza globale dei sistemi tecnici di costruzione, e sono determinati mediante l'approccio nozionale dell’edificio di riferimento. I parametri termo-fisici dell'edificio di riferimento sono forniti dal Decreto Requisiti Minimi. I requisiti per un edificio pubblico soggetto a importanti ristrutturazioni sono elencati nella Tabella 1.
Tabella 1 - Requisiti degli edifici pubblici a energia quasi zero secondo il D.M. 26/06/2015.
A causa delle bassissime prestazioni energetiche degli edifici scolastici italiani medi, la trasformazione in nZEB richiede grandi sforzi. Le prestazioni energetiche degli edifici scolastici, nonché degli edifici pubblici in generale, dovrebbero essere valutate tenendo conto non solo delle implicazioni energetiche ma anche degli aspetti economici e ambientali; prima di tutto, è necessario quantificare le risorse di cui il governo e le amministrazioni locali hanno bisogno per intraprendere il rinnovamento energetico delle scuole. Poiché sono necessari ingenti fondi e il settore pubblico italiano sta ancora limitando gli investimenti diretti, di solito è necessario un finanziamento di terze parti per promuovere retrofit energetici a condizione che gli investimenti siano convenienti.
Una nuova procedura integrata di audit energetico e analisi costi
L'articolo presenta una nuova metodologia di audit energetico conforme alle linee guida fornite dalla norma UNI CEI EN 16247-2:2014 “Diagnosi energetiche - Parte 2: Edifici”. Lo scopo è di proporre una procedura di diagnosi energetica dettagliata per identificare soluzioni tecniche convenienti e realizzabili che soddisfino i requisiti nZEB e si basino anche sull’ottimizzazione dei costi di intervento. Il processo prevede le seguenti attività principali:
- impostazione di un modello numerico dell'edificio e calibrazione del modello;
- scelta di una serie di misure di efficienza energetica possibili per un rinnovo importante;
- identificazione del pacchetto cost-optimal tra le diverse misure di efficienza energetica;
- miglioramento eventuale della soluzione cost-optimal per soddisfare i requisiti nZEB.
La metodologia è stata applicata a un istituto tecnico di Torino costruito negli anni '40. La palestra della scuola, separata dall'edificio principale, è stata eretta in un periodo più recente. l'edificio è rappresentativo di oltre l'80% degli edifici scolastici situati nella zona climatica E per quanto riguarda le caratteristiche costruttive e le caratteristiche dei sistemi termici.
Figura 1 – Immagini della scuola presa in esame.
L'obiettivo finale è quello di fornire agli amministratori pubblici uno strumento efficace e gestibile, utile per individuare le debolezze del comportamento energetico dell'edificio e identificare azioni di retrofit economiche per trasformare le scuole a bassa efficienza energetica in nZEB.
Una nuova procedura per una diagnosi energetica dettagliata
L’iter procedurale complessivo di un audit energetico comprende le seguenti attività: contatto preliminare, riunione di avvio, raccolta di dati, lavoro sul campo, analisi, relazione e riunione finale. Il presente lavoro mira ad approfondire la fase di analisi fornendo una procedura dettagliata per la modellizzazione energetica dell'edificio, la valutazione delle prestazioni energetiche e l'identificazione di misure di efficienza energetica convenienti e tecnicamente fattibili idonee a raggiungere l'obiettivo nZEB. Il diagramma di flusso della metodologia proposta è mostrato in Figura 2.
Le due fasi della procedura
L'analisi è divisa in due fasi: pre-retrofit e post-retrofit energetico. A seconda dell'oggetto della valutazione, ogni fase include diverse valutazioni energetiche, come mostrato nella Figura 2 (caselle bianche). Le differenze tra le classificazioni energetiche riguardano il tipo di utenza ed il clima, i quali possono essere reali o standard. L'intera attività di analisi comprende quattro passaggi, che sono mostrati nelle caselle gialle della Figura 2. Lo sviluppo e la calibrazione del modello dell'edificio si riferiscono alla fase di pre-retrofit e alle condizioni al contorno effettive. Le prestazioni energetiche (EP) dell'edificio nello stato di fatto vengono definite tramite una valutazione energetica d’esercizio (Operational Energy Rating - OER) e una valutazione energetica adattata all’utenza (Tailored Energy Rating - TER). L'OER comprende la raccolta e l'elaborazione di dati reali sul consumo di energia. Il TER consiste nella creazione di un modello edilizio e nel calcolo dell’EP considerando occupazione e clima reali. Il confronto tra i due indici così ottenuti consente la calibrazione del modello: si modificano i parametri più aleatori del TER per garantire una buona corrispondenza tra i risultati di TER e OER. Una volta calibrato il modello, viene eseguita un'ulteriore classificazione energetica considerando i dati dell'utente reale ma un clima standard (Calibrated Taiolred Energy Rating with Standard Climate - CTER-SC); in questo modo, il potenziale di risparmio energetico non è influenzato da specifici dati meteorologici. Infine, se nella fase di pre-retrofit è necessario il rilascio del certificato di prestazione energetica, è possibile eseguire una classificazione energetica standard (Standard Energy Rating - SER), considerando sia dati utente che dati climatici standard. Inoltre, per completare lo schema di classificazione dell’EP, viene eseguita la classificazione energetica standard dell'edificio di riferimento.
Figura 2 – Diagramma di flusso della proposta procedura di diagnosi energetica dettagliata.
La scelta delle misure di efficienza energetica, l'analisi dei costi ottimali e il miglioramento del pacchetto di misure di efficienza energetica sono inclusi nell'analisi della fase post retrofit e sono effettuati partendo dal modello CTER-SC. La scelta delle misure di efficienza energetica (Energy Efficiency Measures - EEM) da applicare all'edificio esistente dovrebbe considerare la fattibilità tecnica e altri criteri stabiliti dall’Energy Auditor di competenza. L'analisi cost-optimal delle diverse EEM consente di individuare il pacchetto di EEM che determina il costo globale più basso durante l’intero ciclo di vita dell'edificio. Effettuando un’analisi SER con il pacchetto EEM ottimale in termini di costi, ne viene verificata la conformità ai requisiti nZEB. Nel caso in cui la soluzione ottimale non sia conforme, può essere fatto un miglioramento del pacchetto di EEM selezionando specifici EEM, e quindi valutando nuovamente l’EP dell'edificio e verificandone la conformità ai requisiti nZEB. Le valutazioni economiche per determinare il costo globale e il Pay-back Period - PBP dei pacchetti selezionati sono effettuate dallo stesso strumento utilizzato per l’analisi cost-optimal.
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