DIP TER UDA SISTEN
ciclo seminario
EFFICIENZA ENERGETICA E FONTI
RINNOVABILI
TECNOLOGIE E SISTEMI
Arch. G. Fasano
1
Il problema energetico ambientale
L’emergenza energetica ed ambientale è un problema
conclamato a livello planetario. L’uso limitato di
risorse fossili, il ritardo di fonti alternative realmente
competitive, il costante aumento dei gas serra
nell’atmosfera, rendono necessari interventi per
incrementare
l’efficienza
energetica,
ovvero
consumare meno energia.
2
Il problema energetico ambientale
1. Energia ed emissioni climalteranti problema
cogente a livello mondiale
2. Le nuove direttive della UE sull’efficienza
energetica
3. I decreti sull’efficienza energetica degli edifici
della UE e nazionali
4. Parco edilizio vecchio ed a basse prestazioni
energetiche
5. Prevalenze del retrofit sulle nuove costruzioni
6. Prevalenza di azioni sull’impiantistica piuttosto che
sull’involucro
3
Classificazione dei sistemi
4
FORME DI ENERGIA 1
• Energia di massa: energie delle stelle, della
atomica, rettori nucleari
• Energia meccanica: l’energia che si manifesta
quando spostiamo il punto di applicazione di una
forza.Quando questa forza è costituita dalla
gravità abbiamo l’energia gravitazionale: (p.es
quando saliamo una scala)
• Energia cinetica: è la forma in cui si trasforma
l’energia gravitazionale quando ruzzoliamo da
una scala
5
FORME DI ENERGIA 2
• Energia chimica: si manifesta quando a seguito
di reazioni chimiche alcune sostanze liberano o
assorbono energia. Pensiamo per es. l’energia
contenuta in un serbatoio di benzina, silenziosa e
“tranquilla” finchè non le si avvicina una
fiamma!
• Energia elettrica: è la forma che si manifesta
con un movimento continuo di cariche elettriche
6
FORME DI ENERGIA3
• Queste elencate prima sono dette :
ENERGIE COERENTI
• Esistono però altre forme di energia dette:
ENERGIE INCOERENTI
• Energia Radiante: la luce
• Energia Termica: per es.quella che
condiziona il nostro benessere
7
Cos'è una sorgente termica?
• Una sorgente termica è un corpo
capace di cedere una quantità di calore,
cioè di formare un flusso di energia
calorifica verso un altro corpo posto a
contatto, senza subire variazioni di
temperatura.
8
1° e 2° PRINCIPIO TERMIDINAMICA
concetti
• Il 1° principio è una legge rivolta alle forme energetiche
secondo cui, a queste, alcune trasformazioni sono vietate ed
altre sono discrezionalmente permesse. E’ una legge
“democratica” che non fa distinzione tra le diverse forme
energetiche: è uguale per tutte.
• Il 2° è invece una legge aristocratica che distingue tra le
diverse forme distinguendo duchi a cui tutto è permesso,
baroni a cui è permesso meno, borghesi a cui è permesso
poco e plebei a cui non è permesso nulla.
• Le forme privilegiate sono quelle coerenti , le altre si
allineano su una scala di privilegio decrescente.
9
1° e 2° PRINCIPIO TERMIDINAMICA
concetti
• Queste scale di privilegio si arrestano ad un pianerottolo
finale al di sotto del quale non vi è più nessuna possibilità di
trasformazione. Nel caso del calore questo è rappresentato
dalla temperatura ambiente.
• Praticamente il 2° principio afferma che le forme
energetiche devono percorrere questa scala alla massima
velocità possibile e solo in discesa, non possono risalirla di
un solo gradino. Chi si trova in cima alla scala ha grande
possibilità di azione che viene perduta ai livelli intermedi
fino ad annullarsi al famoso pianerottolo.
• Il privilegio esiste e può essere usato ma il suo uso è
irreversibile. Questa denobilitazione delle forme di energia
si chiama aumento di entropia
10
SISTEMA EDIFICIO-IMPIANTO
Qt
Qr
Qh
QS
QT
QV
QW
Qi
Qt
QT
11
PARAMETRI DI PROGETTO
PARAMETRI PER LE SCELTE DEL PROGETTISTA :
• CLIMA, MICROCLIMA, FENOMENI TERMOFISICI
• INSERIMENTO, ORIENTAMENTO E
DISTRIBUZIONE PLANIVOLUMETRICA DEGLI
EDIFICI,
• STRATEGIE DI ILLUMINAZIONE NATURALE,
• MATERIALI DA UTILIZZARE E LORO
PROPRIETA’,
• STRUMENTI DI AUSILIO ALLA PROGETTAZIONE,
CODICI DI CALCOLO, MODELLI IN SCALA, BEST
PRACTICE ECC.
12
PROGETTO INTEGRATO
un nuovo approccio
• Soluzioni progettuali possono entrare in conflitto tra loro
per soddisfare diverse richieste di utenza p.es.:
– comfort termico ed illuminotecnico
– architettura interna e uso dell’energia
– costi e finiture
• Necessità di armonizzazione:
– Approccio integrato (progetto, realizzazione e gestione)
– Modelli d’uso e richieste di utenza definiscono la
geometria dell’edificio ed i suoi componenti
architettonici
13
EDIFICIO 1
• Edificio-impianto è un sistema complesso in
grado di proteggere gli occupanti dalle
avversità climatiche e garantire le
condizioni di comfort e sicurezza, mediante
impianti meccanici, sistemi naturali e misti,
adeguate allo svolgimento delle attività cui
è destinato.
14
EDIFICIO 2
• Per produrre questo effetto scambia energia in
diverse forme:
• con l’aria che lambisce le pareti : convezione
• con il terreno attraverso le fondazioni:
conduzione
• con la volta celeste, il sole, il terreno gli edifici
circostanti: irraggiamento
• per infiltrazione ed exfiltrazione attraverso
l’involucro esterno
15
EDIFICIO3
• Per lo studio del comportamento termico del
sistema edificio, inteso come involucro, è
sufficiente studiare i fenomeni della trasmissione
del calore e della luce. Fenomeno, il primo,
tramite cui l’energia si propaga e si trasforma
attraverso un corpo o tra corpi diversi quando
esistono differenze di temperatura.
• Per le nostre finalità analizzeremo questo
fenomeno dal punto di vista macroscopico
16
La situazione europea
17
Consumi per principali fonti energetiche (Mtep)
25
20
15
10
5
0
1991 1992 1993 1994 1995 1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003
CH4 totale
Energia elettrica
Petrolio
18
Emissioni CO2 nel civile (Mt)
88
86
84
82
80
78
76
74
72
70
68
1990
1997
1998
1999
2000
2001
2002
2003
19
Consum i energetici anni 2001 20003
CH4 totale
25000,00
Energia elettrica
kTEP
20000,00
Petrolio
15000,00
10000,00
5000,00
0,00
2001
2002
2003
20
LE CASE IN ITALIA
• IL 70% DELLE ABITAZIONI HA PIÙ DI 30
ANNI DI ETÀ E NON HA SUBITO
INTERVENTI DI RISTRUTTURAZIONE DA
ALMENO 20 ANNI.
• L’UTENZA ESPRIME UNA DOMANDA CON
UN NOTEVOLE PROGRESSO QUALITATIVO
E QUANTITATIVO: NUMERO DI
APPARECCHIATURE ELETTRICHE,
PERCENTUALE DI CASE RISCALDATE,
NUMERO MEDIO DI SERVIZI IGIENICI
UNITÀ ABITATIVA, SISTEMI ELETTRONICI
PER IL TEMPO LIBERO, ECC.
21
I NODI NEL RESIDENZIALE
Il nodo critico della gestione dell’energia in
casa appare ruotare intorno al raggiungimento
congiunto di tre obiettivi che possiamo
sinteticamente descrivere nel modo seguente:
spendere poco
consumare giusto
stare bene.
In sintesi integrazione e qualità di sistema
22
USI ELETTRICI
• USI ELETTRICI OBBLIGATI (dati indicativi):
ILLUMINAZIONE (12%) CONSERVAZIONE CIBI
20%, ELETTRODOMESTICI 40%, 28% ALTRO.
• NEL 2003 GLI APPARATI SONO DIVENTATI
UNDICI ED IL 20% NE HA PIÙ DI QUINDICI IN
CASA CON UNA POTENZA > 13 kW
• FORTE INCREMENTO NELL’UTILIZZO DI
MICRO IMPIANTI PER IL RAFFRESCAMENTO
23
La Situazione al 2005 FonteCECED
• Il risparmio di energia elettrica rispetto a 20
anni fa ha raggiunto il 35% per le nuove
lavabiancherie vendute e il 40% per i
frigoriferi. Considerando che sono ancora in
funzione 188 milioni di elettrodomestici con
più di 10 anni (un terzo del totale), con la loro
sostituzione con modelli di classe A o superiori
si otterrebbe un risparmio di almeno altri 8
TWh/a.
Negli scenari elaborati dal Ceced al 2010 si
ipotizza un’ulteriore riduzione dei consumi dal 3% al 37% - in relazione alle politiche che
verranno messe in atto.
24
POTENZIALI DI RIDUZIONE DEI CONSUMI
ENERGETICI AL 2010 SECONDO L’OCSE
• Gli elettrodomestici come i computer, i frigi, i frullatori,
le televisioni e i videoregistratori sono quelli che più
velocemente stanno aumentando i consumi dopo le
automobili nei paesi OSCE, e molti di essi sprecano
l'elettricità quando rimangono in stand-by. Questi
sono responsabili del 30% dei consumi energetici
nell'OSCE e del 12% delle emissioni di gas serra.
Secondo le stime dell'IEA, la domanda di energia è
destinata a crescere del 13% entro il 2010 e del 25%
entro il 2025.
25
POTENZIALI DI RIDUZIONE DEI CONSUMI
ENERGETICI AL 2010 SECONDO L’OCSE
• Secondo l'Agenzia Internazionale dell'Energia (IEA) i
paesi ricchi industrializzati potrebbero ridurre i
consumi energetici del 30% entro il 2010 usando
elettrodomestidi efficienti. Nei paesi OSCE
(Organizzazione per lo Sviluppo e la Cooperazione
Economica) questa misura taglierebbe le emissioni
dei gas serra in quantità pari a quella che si
risparmierebbe se si togliessero 100 milioni di auto
dalle strade.
26
ILLUMINAZIONE
• Oltre il 5% dei consumi elettrici italiani potrebbero
essere abbattuti con interventi di efficienza energetica
nel settore dell’illuminazione [Krause, 1998].
La commissione europea ha avviato nel 1998 il
programma Green light che prevede attività di
promozione dell’efficienza energetica nell’illuminazione
nel settore domestico e terziario ottenendo risultati
importanti dal punto di vista dimostrativo. In Italia con
l’emanazione dei DM 20 luglio 2004 l’efficienza
energetica nel settore dell’illuminazione è stata
promossa in modo significativo al punto che gran parte
dei titoli di efficienza energetica emessi nel 2005
provengono da interventi di sostituzione di lampade a
incandescenza tradizionali con lampade CFL di classe A
ad alta efficienza. Anche interventi di miglioramento
dell’efficienza energetica nell’illuminazione pubblica
sono stati implementati da molte amministrazioni, pur
nella lentezza che caratterizza il settore pubblico
italiano.
27
LAMPADE
•
Anche sulle lampade deve esserci l'etichetta di consumo, in modo che
il consumatore possa scegliere tra quelle a basso od alto consumo di
energia elettrica. Lo ha previsto la direttiva 98/11/CE. L'etichetta si
presenta come quella degli elettrodomestici ma alla base dovrà
riportare anche il flusso luminoso in lumen, la potenza assorbita in watt
e la durata media in ore.
La direttiva riguarda tutte le lampade elettriche per uso domestico
alimentate direttamente dalla rete, incandescenti o fluorescenti, escluse
quelle di flusso superiore a 6500 lumen, quelle di potenza inferiore a 4
watt, le lampade a riflettore e quelle a batteria. Come per tutti gli
schemi UE di etichettatura, non è richiesta la certificazione da parte di
enti terzi, ma il costruttore può apporre la sua dichiarazione
direttamente, per mezzo delle cosiddette autocertificazioni. Le direttive
UE e i decreti vigenti prevedono che se le organizzazioni dei
consumatori o i concorrenti pensano che il prodotto non risponda ai dati
dichiarati, il governo può intervenire ordinando delle prove di controllo
28
TECNICHE E TECNOLOGIE
• BIOCLIMATICA- SOLARE ATTIVO PASSIVO
• FONTI RINNOVABILI-SOLARE EOLICO
BIOMASSE SISTEMI ELIOASSISTITI ECC.
• TECNOLOGIE A BASSO CONSUMO DI
ENERGIE NOBILI (EXERGIA)
• SOSTENIBILITÀ
• NUOVE TECNOLOGIE- EDIFICIO
INTELLIGENTE, SISTEMI MISTI ECC.
• INNOVAZIONI -INVOLUCRO DINAMICO,
CELLE A COMBUSTIBILE, ECC.
• INNOVAZIONE TECNOLOGICA-MATERIALI
INNOVATIVI, NUOVE TECNOLOGIE ECC.
29
Le Fonti Rinnovabili
• Biomasse
• Solare Fotovoltaico
• Solare Termico
• Eolico
_____________________________________
• Uso Razionale dell’Energia (metodologia
assimilata alle Rinnovabili)
30
Applicazioni dei sistemi solari termici
1. Produzione di acqua calda ad uso
sanitario
2. Riscaldamento invernale delle
abitazioni
3. Raffrescamento estivo delle
abitazioni
4. Riscaldamento di piscine
5. Fornitura di calore di
processo a bassa e media
temperatura
6. Essiccazione prodotti agricoli (aria)
31
Come si converte la radiazione solare in
acqua calda?
1. radiazione solare
2. un sistema di conversione dell’energia
elettromagnetica in calore  COLLETTORE
3. un vettore (acqua, miscela antigelo, aria)
4. circuito di trasporto
5. sistema di accumulo del calore
6. sistema di regolazione e controllo
7. sistema di sicurezza
8. sistema di riscaldamento integrativo
32
Classificazione degli impianti
In base al fluido che circola nel collettori:
• sistemi aperti, in cui il fluido che circola
all’interno del collettore è la stessa acqua
che, raggiunta la temperatura richiesta,
arriva all’utenza;
• sistemi chiusi, in cui si evidenziano due
circuiti perfettamente separati per il fluido
termovettore e l’acqua da scaldare
33
Classificazione degli impianti
In base al sistema di circolazione del fluido:
• sistemi a circolazione naturale in cui la
corretta movimentazione del fluido all’interno
del collettore si auto-regola grazie
all’innescarsi di moti convettivi spontanei
• sistemi a circolazione forzata in cui si rende
necessario, per la regolazione del flusso,
l’inserimento di un sistema automatico
(essenzialmente costituito da un circolatore ed
un centralina di controllo
34
Tipologie di collettori solari
• Collettori solari piani
• Collettori ad accumulo
integrato
• Collettori non vetrati
• Collettori sottovuoto
35
EDIFICIO INTELLIGENTE
• Tutte le funzioni sono controllate da un sistema
informatico collegato in rete a sensori ed attuatori
sull’intero edificio, che, a sua volta, fa parte del sistema.
Interfacce ergonomiche per ogni utenza
Integrazione, molto più di una somma di automazioni.
Sistema olistico.
• CIB (Computer Integrated Building), rivolto al terziario
dei servizi (banche, centri direzionali, servizi tecnologici),
domotica, rivolta alla gestione delle abitazioni, teleservizi
in rete, diversificati, crescenti nel tempo
•
Si ritengono accettabili oggi costi del sistema domotico
dell’ordine del 10% del costo dell’abitazione
36
OBIETTIVI DELLA DOMOTICA
Domotica come tecnologia di riferimento per
raggiungere tre obiettivi : risparmio
economico, risparmio energetico, comfort
elevato
La domotica é una soluzione che smorza i picchi,
distribuisce le contemporaneità, avvisa delle
disfunzioni, elimina gli sprechi e in una certa misura
educa il consumatore, con in più qualche vantaggio
aggiuntivo (safety, security, telecomandi/telecontrolli
ecc.) che contribuisce il modo determinante al
benessere in casa.
37
LE FUNZIONI
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
Comunicazione tra Sistemi ed espandibillità
Servizio di assistenza diffuso nel territorio
Soluzioni innovative per la parte sicurezza
Innovazione tecnica “visibile “
Gestione degli impianti tecnologici
Sistemi affidabili e riconfigurabili
Possibilità di gestione e verifica dei sistemi da più punti (stazioni)
Gestione dei sistemi di safety e security
Tempi d’interventi immediati, reperibilità dei tecnici di sistema
Sistemi tecnologicamente affidabili e flessibili
Interfacce user friendly
Possibilità di integrazione tra diversi sistemi
38
Intelligent Buildings Technology
ENERGIA POTENZIALMENTE
RISPARMIABILE
Potenzialità R.E.
Gestione impianto riscaldamento
Gestione impianto raffrescamento
Gestione impianti max efficienza
Gestione impianto cdz
Gestione impianto ACS
Daylighting
Gestione impianto illuminotecnico
Gestione e manutenzione parco luci
Serramenti ad alta efficienza
Stima % risparmio conseguibile
5%
3%
10%
15%
6-12%
50%
15-28%
15-28%
10-16%
39
Le funzioni dei serramenti: tra comfort ed energia
•
•
•
•
•
•
Isolamento termico
Apporti solari
Illuminazione naturale
Comfort termico
Comfort visivo
Relazione con spazio esterno
40
La scelta dei serramenti
•
•
•
•
Costo
Aspetto estetico
Rete commerciale
Proprietà fisiche
Acustiche
Meccaniche
Energetiche
41
Quale metodo per la classificazione
energetica per serramenti?
1. Proprietà energetiche del serramento
2. Bilancio dei flussi attraverso il serramento
3. Bilancio termico dell’edificio tipo equipaggiato con
diversi tipi di serramento
4. Bilancio termico del singolo edificio equipaggiato
con diversi tipi di serramento
42
Caso studio su larga scala: Italia
Incrociando i dati della ricerca ENEA su energia e ambiente, anno 2000, con la
ricerca del Gruppo Europeo Produttori Vetro Piano dello stesso anno, se tutti i
serramenti venissero sostituiti con nuovi e più efficienti finestre negli edifici
residenziali, si otterrebbe:
Riduzione del fabbisogno energetico nazionale:
2.5%
Riduzione del fabbisogno energetico civile:
9%
Riduzione del fabbisogno energetico residenziale:
13%
Riduzione delle emissioni CO2 nazionale:
2.5%
Riduzione delle emissioni CO2 civile:
14.9%
43
CONSIDERAZIONI
Seppure di valutazione più complessa, i vantaggi ottenibili nelle
abitazioni, possono essere conseguiti anche in edifici non
residenziali. Particolare giovamento potrebbe, in particolare,
trarne il settore pubblico.
Agli innegabili vantaggi economici dei singoli utenti, vanno
aggiunti quelli a livello sociale. Quindi benefits energetici, con
riduzione dell’utilizzo delle fonti fossile e non rinnovabili, ed
ambientali, con riduzione delle emissioni di gas serra, che
possono aiutare il Paese a mantenere gli impegni internazionali,
assunti in materia di sviluppo sostenibile.
44
I MATERIALI INNOVATIVI PER L’EDILIZIA
MATERIALI TRASPARENTI CROMOGENICI
• Sono così definiti quei materiali in grado di modificare
le proprie caratteristiche ottiche ed energetiche in
funzione di uno stimolo di diversa natura. A
differenza dei trasparenti isolanti, per i quali esiste
una tecnologia ormai abbastanza diffusa e
standardizzata, in questo settore la situazione è
ancora in piena fase evolutiva. Da diversi anni esiste
una notevole attività di laboratorio, che si è
concretizzata commercialmente solo in piccola parte.
• Si dividono in attivazione naturale (per es fotocromici)
ed attivazione elettrica (per es. elettrocromici)
45
Caratteristiche di un vetro camera con
Aerogel in intercapedine
• Un vetro camera con una lastra di due centimetri di
Aerogel è in grado di avere una trasmittanza termica
al centro della lastra di 0.5-0.6 W/m2°K, tuttavia
questi valori possono aumentare del 70%
considerando la trasmittanza termica di tutto il
componente,
pregiudicandone
le
prestazioni.
Affinché ciò non accada, è necessario sigillare i bordi
con grande cura per garantire:
  Resistenza all’acqua
  Resistenza al vapore
  Assenza di ponti termici
46
TIM
47
Materiali a selettività angolare
48
PROPOSTA PER LA
PROFESSIONE
Tre proposte per la crescita professionale
1.Esercitarsi in una audit dell’edificio
scolastico
2.Fare una applicazione di certificazione
energetica dell’edificio con le
raccomandazioni per migliorarne le
prestazioni
3.Fare lo stesso esercizio per la propria casa e
per l’edificio in cui abitate
49
STRUMENTI
• A supporto di questo studio è da tener
presente l’uso di strumenti SW tipo il
DOCET sviluppato da ENEA e ITC CNR e
l’uso di strumenti di misura per la
valutazione delle grandezze termofisiche
dei componenti edilizi e la misura dei
parametri impiantistici e ambientali per il
comfort .
Si potrebbe anche pensare ad una sorta di
“gara” scolastica a premio!
50
EDIFICIO DOMOTICO EDO
51
PRESENTAZIONE EDO
52
MATERIALI INVOLUCRO
53
IMPIANTO CDZ
54
PAVIMENTO RADIANTE
55