Metabolismo di edificio: misure
della sostenibilità
Le misure elementari che compongono il consumo di energia
di un edificio sono:
1 Energia incorporata
2 Energia per uso
3 Exergia: efficienza energetica assoluta
4 Durabilità
5 Esternalità
Queste unità di base possono essere composte in strumenti
complessi di valutazione:
• Valutazione del ciclo di vita LCA
• Eco-labeling
1. Energia incorporata
• L’energia incorporata è una misura dell’energia utilizzata nel ciclo di
produzione dei materiali fino al loro utilizzo finale.
• Negli edifici possiamo distinguere due forme di energia incorporata:
- energia incorporata iniziale
- energia incorporata per manutenzione e ricambio dei materiali nel
ciclo di vita dell’edificio
1. Energia incorporata
L’energia incorporata iniziale rappresenta l’energia non rinnovabile
consumata nell’estrazione di materie prime, nell’elaborazione, nella
manifatturazione, trasporto in sito e costruzione. Essa ha due
componenti:
- energia diretta usata per trasportare i prodotti nel sito e per la
costruzione
- energia indiretta usata per estrarre, lavorare e manifatturare i
materiali edili, incluso il trasporto relazionato a queste attività.
L’energia incorporata per manutenzione rappresenta l’energia non
rinnovabile consumata per: manutenzione, ripristino, restauro e
rimpiazzo di materiali, componenti e sistemi durante tutto il ciclo di
vita dell’edificio.
1. Energia incorporata
Energia incorporata iniziale
materiale
-:L’energia incorporata è misurata come la
quantità di energia non rinnnovabile per
unità di materiale edile, componente o
sistema, essa può essere espressa in
Mega Joul per Kg o Kwatt/ora per kg.
Impliciti nell’energia incorporata sono:
implicazioni ambientali per l’esaurimento
delle risorse, per i gas serra emessi, per il
degrado ambientale e la riduzione di
biodiversità.
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37
38
39
40
41
42
consumo di energia
MJ/kg
kWh/kg
alluminio
alluminio (riciclato al 30%)
neoprene
smalti organici ecologici
smalti organici
polestirene espanso EPS
polestirene estruso XPS
rame
polipropolene PP
polivinilcloruro PVC
polietilene PE
poliuretano PUR con HCFC
poliuretano con CO2
acciaio (riciclato al 20%)
fibra di vetro
argilla per bagni
alluminio (riciclato al 100%)
pittura ad acqua, ecologica
pittura ad acqua
vetro piano
acciaio (riciclato al 100%)
legno (senza formaldeide)
legno (con formaldeide)
argille (ceramica vetrificata)
tessuto asfaltico
fibrocemento (da fibre o legno)
cemento
fibrocemento (da amianto)
legno (laminato)
argilla (mattoni, tegole)
gesso
legno (clima temperato)
legno (clima tropicale)
mattoni forati
mattoni pieni
malta M-80/a
cemento armato H-200
cemento armato H-175
malta M-40/a
cemento armato H-150
sabbia
inerti
215,00
160,00
120,00
100,00
100,00
100,00
100,00
90,00
80,00
80,00
77,00
70,00
70,00
35,00
30,00
27,50
23,00
20,00
20,00
19,00
17,00
14,00
14,00
10,00
10,00
9,00
7,00
6,00
5,00
4,50
3,30
3,00
3,00
2,96
2,86
1,34
1,10
1,03
1,00
0,99
0,10
0,10
59,72
44,44
33,33
27,78
27,78
27,78
27,78
25,00
22,22
22,22
21,39
19,44
19,44
9,72
8,33
7,64
6,39
5,56
5,56
5,28
4,72
3,89
3,89
2,78
2,78
2,50
1,94
1,67
1,39
1,25
0,92
0,83
0,83
0,82
0,79
0,37
0,31
0,29
0,28
0,28
0,03
0,03
Fonte: Università di architettura di Valencia
Valutazione energetica
dei materiali
I materiali sono ordinati
numericamente da
quello che consuma più
energia nella produzione
del prodotto finito, n.1
alluminio, a quello che
ne consuma meno n. 42
inerte. Il consumo di
energia è calcolato in
MJ/kg e Kwh/kg,
misurando quanta
energia è necessari (MJ,
Kwh) per produrre 1 kg
di materiale.
1. Energia incorporata
Energia incorporata iniziale
Involucro, strutture e impianti
contribuiscono nella stessa misura e
ammontano a 3/4 dell’energia incorporata
iniziale. Le finiture che contano solo per il
13%, avranno maggiore peso nell’energia
incorporata per manutenzione.
Interessante il rapporto fra energia
incorporata in fase di cantiere e per gli
impianti: per esempio il passaggio da
impianti idrici a rete convenzionali a
sistemi di gestione delle acque piovane,
con un relativo riallocamento dell’energia
incorporata e del budget, può portare ad
un innalzamento dell’energia incorporata
iniziale, ma ad un sensibile
abbassamento dell’energia incorporata
per manutenzione.
Involucro
26%
Struttura
24%
Finiture
Impianti
13%
24%
Cantiere
Costruzione
7%
6%
Energia incorporata iniziale di un edificio per
uffici costruito in legno, acciaio e cemento
1. Energia incorporata
Energia incorporata per manutenzione
In un edificio per uffici l’energia
incorporata iniziale:
- in 25 anni, aumenterà del 57% a causa
principalmente di involucro, finiture e
impianti;
- in 50 anni l’energia incorporata per
manutenzione sarà pari al 144%
dell’energia incorporata iniziale
- in 100 anni sarà pari al 325%.
Questi andamenti nel consumo di energia
corrispondono alle diverse durabilità di
materiali, componenti e sistemi.
Ad un costo di costruzione inizialmente
basso può corrispondere un costo di
esercizio molto alto sia in termini
monetari, che di consumo di energia e di
conseguenza di impatto ambientale.
Cantiere Struttura Involucro Finiture
ImpiantiCostruzione
Rapporto fra energia incorporata continua in un
edificio con struttura in legno in 100 anni
2. Energia per consumo
Gli edifici, nel loro ciclo di vita, consumano energia per: riscaldamento,
condizionamento, ventilazione, illuminazione, attrezzature e impianti.
Vi sono 2 tipi di energia per uso:
- energia di consumo primario
- energia di consumo secondario
L’energia primaria rappresenta tutti i consumi di energia, inclusi: energia
utilizzata dal consumatore finale, consumi non energetici, intermedi, di
trasformazione da un’energia ad un’altra (da carbone a energia),
utilizzata per trasportare energia (oleodotti).
L’energia secondaria è quella consumata dall’utente finale per funzioni
residenziali, agricoli, commerciali, industriali e di trasporto.
L’energia per consumo rappresenta una sensibile misura della sostenibilità
ed implica il confronto fra tecnologie edilizie alternative.
2. Energia per consumo
Sostanzialmente diversa è l’energia consumata da edifici destinati a servizi
(uffici, scuole, ospedali, centri commerciali, negozi, ristoranti, alberghi
e strutture per il tempo libero) e residenze (periodo considerato: 50 anni)
Illuminazione
15,1%
Riscaldamento
acqua
21,7%
Riscaldamento
Riscaldamento
Motori ausiliari
59,3%
50,3%
12,7%
Attrezzature
Per cucinare
0,6%
14%
Illuminazione
4,4%
Consumi finali di energia per uso residenziale
Riscaldamento acqua
Condizionamento
6,5%
8,0%
Attrezzature ausiliarie
7,4%
Consumi finali di energia per uso a servizi
2. Bilancio energetico
Energia totale 100%
Energia per consumo 85,5%
Energia incorporata per
manutenzione 8,3%
Energia incorporata
iniziale 6,2%
Consumi di energia per un ciclo di vita di 50 anni
di un edificio per uffici
2 Bilancio energetico
Per consumo 85,5%
Incorporata per manutenzione 8,3%
Energia
Incorporata iniziale 6,2%
Nel ciclo di vita dell’edificio la maggior parte dell’energia consumata (85%) è generata dai
consumi quotidiani, i quali vengono soddisfatti attraverso l’utilizzo degli impianti.
L’energia incorporata per le fasi di costruzione, quindi, è una quota nettamente minoritaria
dell’energia totale consumata, alla pari dell’energia incorporata per le fasi di
manutenzione e rinnovo (15%)
2 Bilancio energetico
Le relazioni fra energia incorporata ed energia per i consumi porta a
sottolineare la rilevanza di quest’ultima.
Se viene aumentata l’efficienza dell’energia utilizzata per i consumi, il
contributo dell’energia incorporata sul totale diventa più significativo.
In un ciclo di vita di 100 anni, l’energia utilizzata per la manutenzione può
superare quella utilizzata per i consumi, in edifici che hanno un basso
consumo di energia per il funzionamento.
Quando, in futuro, verranno utilizzate fonti rinnovabili di energia per far
funzionare i nostri edifici allora l’energia incorporata in materiali,
componenti e sistemi, ritornerà al centro della progettazione.
3. Exergia_Efficienza energetica
assoluta
• Il termine “exergia” o efficienza energetica assoluta è utilizzato per
definire la combinazione di quantità di energia (conservata secondo il 1°
principio della termodinamica) e qualità dell’energia (consumata seguendo il 2°
principio della termodinamica)
Exergia=quantità di energia x qualità di energia
L’energia è efficientemente usata quando la qualità della fonte si unisce alla qualità dell’uso
finale.
Ad esempio: l’elettricità è lo strumento, termodinamicamente parlando, per far funzionare il
motore che agita i vestiti nella lavatrice, non è lo strumento per scaldare l’acqua della lavatrice.
Coniugando termodinamicamente la fonte e l’uso finale, possiamo evitare di sprecare grandi
quantità di energia utilizzando energia ad alta qualità per utilizzi a bassa qualità, e minimizzare
i costi sociali ed economici per la produzione di energia che sono in continuo aumento
3. Exergia_Efficienza energetica
assoluta
-basandoci sui dati esposti nella tabella a
fianco si nota che:
- la tradizionale tecnologia di illuminazione
ha un’efficienza exergetica pari a 0,8%, il
99,2% dell’energia elettrica è disperso in
calore e non produce luce;
-il condizionamento meccanico ha
un’efficienza exergetica pari a 8,7%;
-progettando edifici che non si
surriscaldano e utilizzando i ventilatori che
hanno un’efficienza pari al 24%, si
potrebbe ridurre di 2/3 l’energia utilizzata
per il condizionamento.
3. Exergia_Conclusioni
L’architetto ha davanti a se un’infinita serie di opportunità per aumentare
l’efficienza exergetica della maggiorparte di attrezzature e impianti che
fanno funzionare gli edifici oggi, abbassando il consumo energetico
totale.
Molti di questi miglioramento nell’efficienza exergetica provengono da
campi e settori esteri all’architettura, è quindi necessario che
l’architetto sia cosciente delle scelte di appropriate fonti energetiche,
attrezzature e impianti.
Le tecnologie di edificio che si basano sulle fonti energetiche da sole,
vento e biomassa, accompagnate da involucri termicamente efficienti,
strategie di bucature appropriate, ventilazione e raffrescamento
naturali, diventano gli elementi di base con i quali l’architetto può
modulare consumo di energia ed espressione formale dell’edificio.
4. Durabilità
La durabilità degli edifici è il cuore dell’architettura sostenibile, anche se
non si è ancora riusciti a misurarla come indicatore di sostenibilità.
L’involucro è l’elemento più importante per la durabilità dell’edificio; per
proteggere strutture e materiali. La progettazione di involucri di diversi
materiali potrà assicurare durabilità alta ed efficienti scambi di calore
fra interno ed esterno dell’edificio.
In Canada le linee guida per la durabilità degli edifici hanno definito gradi
di durabilità per l’edificio e per le sue componenti, seguendo i seguenti
parametri: carico, performance e durabilità
La relazione fra durabilità e sostenibilità è lineare: più è durevole, più è
sostenibile.
4. Durabilità
Carico
Il carico sulle componenti e sull’edificio che risulta dal funzionamento
degli impianti dovrebbero essere considerato come come carico
ambientali e strutturali
Performance
Il livello di servizio fornito da un materiale, componente o sistema, in
relazione alla qualità attesa.
Durabilità
Da un punto di vista sostenibile, un materiale, componente o sistema può
essere considerato durevole quando la sua performance (vita di
servizio utile) è uguale al tempo necessario all’ecosistema per
assorbire gli impatti ambientali associati.
5. Esternalità
Gli impatti ambientali causati dalla realizzazione e gestione dell’edificio
sono classificati come esternalità ambientali. Essi coinvolgono anche
coloro che non sono direttamente interessati alla realizzazione o
gestione dell’edificio..
Gli impatti vengono abitualmente valutati in termini di costi e benefici
Esempi di esternalità:
Inquinanti atmosferici che impattano sulla salute umana, su flora e
fauna, materiali edili, tempo libero e visibilità
Gas serra sospettati di contribuire ai cambiamenti climatici e a impatti su
agricoltura e salute umana
Uso di acqua: sottrazione, perdita di qualità, ecc..
Usi del suolo: sottrazione, discariche, ecc..
5. Esternalità
Rapporto fra consumi di energia ed
esternalità: emissioni di gas serra
5. Esternalità
Per valutare le esternalità si possono seguire diversi metodi:
- Valutazione qualitativa
- Ponderazione e ranking
- Costo del controllo
- Calcolo del danno
- Scostamento rispetto a un danno medio
- Monetizzazione delle emissioni
- Analisi multi criteria costi-benefici
6. Valutazione del ciclo di vita
LCA
La valutazione del ciclo di vita dell’edificio è una misurazione di
sostenibilità trasversale che prende in considerazione molti dei fattori
che abbiamo trattato fino a qui:
- valuta i carichi ambientali associati alla realizzazione e gestione
dell’edificio, attraverso l’identificazione e la quantificazione di energia
e materiali consumati e rifiuti rilasciati nell’ambiente;
- valuta l’impatto ambientale di energia e materiali usati;
- identifica e valuta opportunità per migliorare l’ambiente interessato
dall’impatto.
(Guidelines for Life-Cycle Assessment: A Code of Practice, Society for Environmental Toxicology
and Chemistry, SETAC, Brussels, 1993.)
6. Valutazione del ciclo di vita
LCA
L’analisi del ciclo di vita quantifica consumo di energia e uso di materiali,
rifiuti nell’ambiente, in ogni fase del ciclo di vita dell’edificio,
includendo:
- estrazione delle risorse
- manipolazione
- costruzione
- funzionamento
- dismissione
LCA Concept
6. Valutazione del ciclo di vita
LCA
In una tipica valutazione del ciclo di vita sono inclusi i seguenti parametri:
- uso di materiale
- energia incorporata
- emissioni di CO2
- inquinamento atmosferico
- generazione di rifiuti solidi
- inquinamento dell’acqua
- costi ambientali
- riduzione di biodiversità
Abitualmente la valutazione del ciclo di vita è effettuata in modo
automatico on line usando eco-profili o eco-label, che standardizzano
le elaborazioni e le relative scelte di alternative di progetto.
6. Valutazione del ciclo di vita LCA:
Eco-profili/eco-label
Eco-profilo che rappresenta gli
impatti ambientali di un edificio
Adapted from: Life Cycle Assessment Applied to the
Comparative Evaluation of Single Family Houses in the
French Context by B.L.P. Peuportier, Energy and Buildings
Vol. 33, 2001.]
ARUP: Eco-profilo per valutare la
sostenibilità dell’intervento
Bibliografia
•
Measures_of_sustainablity: Overview
http://www.canadianarchitect.com/asf/perspectives_sustainibility/measures_of_sustain
ablity/measures_of_sustainablity_intro.htm
•
Toolsust, Household metabolism in european countries and cities, Center for
energy and environmental studies, Groningen 2003
•
Vital signs, Building balance point, Institute for environmental quality in
Architecture, University of Winsconsin, Milwaukee, 1997