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Tesi etd-01072008-170614


Thesis type
Tesi di laurea specialistica
Author
BEDINI, JACOPO
email address
jbedini@libero.it
URN
etd-01072008-170614
Title
Energie rinnovabili e risparmio energetico in bioedilizia appliacate a un caso studio di edificio bioclimatico
Struttura
SCIENZE MATEMATICHE, FISICHE E NATURALI
Corso di studi
SCIENZE E TECNOLOGIE PER L'AMBIENTE ED IL TERRITORIO
Commissione
Relatore Prof. Iacomelli, Aldo
Parole chiave
  • fabbisogno termico
  • casa clima
  • solare termico
  • sonde geotermiche
Data inizio appello
08/02/2008;
Consultabilità
parziale
Data di rilascio
08/02/2048
Riassunto analitico
Dopo la tesi triennale, condotta in ambito sperimentale ed applicativo e rivolta prevalentemente all’analisi di dati derivanti da attività di laboratorio, questo lavoro si è orientato verso su un’attività organica e progettuale.<br>Tale progetto di tesi multidisciplinare si è dimostrato fin da subito una sfida intellettuale molto appassionante.<br>L’obiettivo principale era quello di progettare un edificio caratterizzato dall’autosufficienza energetica, che si basasse sullo studio e la ricerca di un “nuovo approccio” fondato su criteri di biocompatibilità e sostenibilità ambientale.<br>La base dell’ agire è stata la definizione di una strategia energetica generale applicabile ad un edificio orientata verso: il contenimento della domanda, il miglioramento dell’efficienza degli impianti, l’impiego di fonti di energia rinnovabile.<br>Con il costante aumento del costo dell’energia, è apparso sempre più evidente quanto insensato e controproducente fosse il metodo attuale di costruire; inoltre, visti anche i prezzi dei combustibili fossili e le conseguenze ambientali negative derivanti dal loro utilizzo, sta diventando sempre più determinante un’altra fonte di energia: il risparmio energetico.<br>Con questa tesi si è cercato di approfondire l’analisi di tecnologie rinnovabili e di risparmio energetico su un progetto di edificio bioclimatico denominato “Habitat Energia”, che verrà realizzato a Rosignano (LI) ed avrà come obiettivi la divulgazione e sensibilizzazione della popolazione su questi temi.<br>In particolare si è cercato di ottenere un buon isolamento termico, unitamente ad una più corretta progettazione edilizia; questi fattori concorrono infatti al miglioramento dell’efficienza energetica ed hanno un peso notevole nella sostenibilità ambientale in quanto permettono, di fatto, di risparmiare risorse e non solo.<br>I due metodi progettali e le tecnologie fondamentali per ottenere questi obiettivi sono: <br>• un’attenta progettazione edilizia tenendo conto ad esempio del maggior isolamento termico e dei concetti di architettura bioclimatica,<br>• un’attenta progettazione impiantistica e quindi maggiore ricorso a fonti rinnovabili o assimilabili.<br><br>Il primo passo è stato quello di analizzare e comprendere il significato della sostenibilità in architettura. Per sviluppare questo concetto è stata condotta una ricerca storica nel territorio livornese, evidenziando che nel corso della evoluzione edilizia, i materiali usati e le fonti energetiche sono derivati dal luogo di edificazione ed i processi costruttivi da tecniche tramandate e sperimentate; tali tecniche sono poi state adattate e migliorate nel rispetto del clima del luogo ed oggi vengono riprese per essere integrate con l’aggiunta delle nuove tecnologie.<br>Una parte dell’attività è dedicata al concetto di fabbisogno termico dell’edificio ed ai flussi di calore con le descrizioni delle formule e dei calcoli correlati.<br>Con la partecipazione alla scelta della stratigrafia della parete e attraverso i calcoli della trasmittanza della parete stessa dell’edificio di Rosignano, è stato individuato il materiale isolante naturale più idoneo. In particolare, il confronto tra diverse stratigrafie delle pareti ci ha confermato le ottime caratteristiche del sughero quale materiale naturale adatto al progetto, anche per la sua reperibilità, ecocompabilità e rinnovabilità. <br>Inoltre, sperimentando i vari aumenti di spessore dell’isolante, il dato più significativo, alla luce della tecnica costruttiva e dei materiali impiegati, è risultato l’aumento della prestazione termica dell’involucro. <br>In particolare sono stati analizzati l’impianto termico per la produzione di acqua calda alimentato ad energia solare e l’impianto geotermico; entrambi sono stati descritti in maniera dettagliata in tutte le parti strutturali principali: per il primo, a partire dal collettore e la sua efficienza mentre per il secondo dal funzionamento della pompa di calore.<br>Inoltre è stato trattato il dimensionamento dell’impianto solare per un edificio campione, tenendo conto delle Normative e delle leggi vigenti, riportando anche un’analisi finale del risparmio effettivo, dell’ammortamento e della convenienza rispetto ai sistemi tradizionali.<br>In particolare facendo riferimento agli usi residenziali è prevista una superficie captante pari a 0,7 ÷ 1 m² per persona per tutto l’anno ed una capacità del serbatoio di circa 50-70 litri per ogni m² di pannelli. Quindi condizioni essenziali per il successo dell&#39;investimento sono:<br>• una riduzione preventiva delle dispersioni, tali da non richiedere estese ed onerose superfici captanti, <br>• tipologie impiantistiche a bassa temperatura, come quella a pavimento, o con corpi scaldanti a convezione.<br>L’impianto a pompe di calore geotermiche fa riferimento alla pompa di calore cioè un dispositivo che va a sostituire la caldaia e, diversamente da questa, è una macchina termica che esegue un ciclo termodinamico su un fluido, utilizzando un lavoro di tipo meccanico. Funziona come un “frigorifero al contrario”, ovvero acquisendo calore da una sorgente a bassa temperatura (aria, acqua o terreno) e cedendo calore all’ambiente da riscaldare. Una pompa di calore può essere reversibile: invertendo il ciclo termodinamico questa può funzionare in estate come condizionatore. Quindi una pompa di calore reversibile sopperisce all’acquisto di due macchine separate. L’efficienza di una pompa di calore (in funzionamento invernale) è rappresentata dal coefficiente di prestazione (COP), inteso come rapporto tra l’energia termica resa al corpo da riscaldare e l’energia elettrica o gas consumati perché possa avvenire il trasporto di calore medesimo (è inclusa, pertanto, l’energia spesa nei pompaggi attraverso i diversi scambiatori di calore). Per ottenere 3 unità termiche con una pompa di calore elettrica che ha COP pari a 3, spendo una sola unità elettrica. <br>Per le pompe di calore elettriche, valori di COP da considerare sufficienti sono:<br>• 3,0 per le pompe di calore aria-acqua (con presa d&#39;aria a 2°C e fornitura d&#39;acqua a 35°C),<br>• 4,0 per pompe di calore a sonda geotermica (con sonda a 0°C e fornitura d&#39;acqua a 35°C)<br>• 4,5 per pompe di calore acqua-acqua (con acqua di prelievo del calore a 10°C e fornitura d&#39;acqua a 35°C). <br>Oltre alla tecnologia della pompa, il rendimento dipende dalla stabilità e dal livello della temperatura della sorgente da cui la macchina assorbe calore: esso cresce se si passa dall’aria, all’acqua, al terreno. Il rendimento dipende peraltro dalla differenza di temperatura tra sorgente e pozzo, che aumenta al diminuire del &amp;#916;T tra la sorgente e pozzo.<br>Sono state descritte le due tipologie di sonde geotermiche (con tubi verticali ed orrizontali) e sono state confrontate dal punto di vista dei vari vantaggi e svantaggi. È stato pertanto interessante considerare l&#39;impianto geotermico sotto l&#39;aspetto della sua particolare convenienza: si tratta infatti di un sistema semplice, ma efficace, in quanto sfrutta una risorsa ampiamente disponibile ed altrimenti inutilizzata.<br>È stato visto che l’effettivo risparmio economico di gestione, che si ottiene riscaldando un edificio tramite pompa di calore anziché tramite caldaia, è molto influenzato dalle tariffe del gas e dell’energia elettrica, la quali variano pesantemente in funzione del consumo annuo e del soggetto che utilizza l’energia. <br>È stato appurato anche che il clima gioca un ruolo importante nella determinazione del risparmio annuo, in quanto determina il COP medio stagionale. Per determinare l’effettivo risparmio annuo di gestione è necessario effettuare uno studio energetico specifico per ogni caso. In generale con climi non rigidi e con le tariffe energetiche attualmente praticate sul territorio nazionale, l’utilizzo di una pompa di calore rispetto ad una caldaia tradizionale comporta un risparmio economico variabile fra il 20 ed il 50%.<br>L’unica soluzione veramente vantaggiosa si ha quando, dotando un edificio di un condizionatore viene affrontato un costo aggiuntivo pari a circa il 20% per una macchina che funziona nel periodo estivo come refrigeratore e nel periodo invernale come pompa di calore. Mediamente i risparmi arrivano fino al 70-75% rispetto sistemi tradizionali a combustione e fino al 40% rispetto a pompe di calore tradizionali. Durante tutto l&#39;arco dell&#39;anno si può avere acqua calda con un risparmio medio del 30%. <br>I tempi di ammortamento di questi extracosti (come da tabella suindicata) possono essere quantificabili all’incirca dai 5 agli 8 anni: il risparmio sulla bolletta energetica e sulle spese di gestione, infatti, sono assolutamente convenienti nella prospettiva di lunga durata di un edificio.<br>Secondo l&#39;EPA, non c’è ad oggi sul mercato un sistema di riscaldamento e di condizionamento più efficiente dal punto di vista energetico e più pulito per l&#39;ambiente rispetto alla tecnologia geotermica. Quindi una strategia da adottare per il risparmio dell’energia, oltre al risparmio vero e proprio dovuto al minor utilizzo, è sicuramente la realizzazione di edifici ecologici ed energeticamente efficienti che comportino spese contenute per il riscaldamento, maggiore benessere abitativo e contemporaneamente tutela del clima e dell’ambiente.<br>Gli extracosti per realizzare edifici a basso fabbisogno energetico discendono fortemente dalla dimensione degli edifici, ovvero dal rapporto tra la Superficie disperdente dell’edificio e il Volume in esso contenuto (rapporto Sup./Vol.) e di conseguenza più l’edificio è “piccolo” più gli extracosti aumentano in modo esponenziale con l’aumentare del rapporto S/V. Analogamente risulta chiaro come, per ogni tipologia edilizia, a parità di volume, gli extracosti aumentino al diminuire della compattezza dell’edificio, ovvero all’aumentare del rapporto S/V e anche in base agli interventi aggiuntivi come impianti ad energie rinnovabili.<br>Un aumento di questo tipo non solo è giustificato dalla migliore qualità ma anche dalla forte riduzione dei costi di gestione. Considerando il costo sempre maggiore dei combustibili, è evidente che l’investimento iniziale può essere ripagato dopo un certo numero di anni.<br>Queste considerazioni, che vanno pur prese con le relative precauzioni, ci consentono di affermare che è vantaggioso anche dal punto di vista economico fare affidamento sui criteri di biocompatibilità ed ecosostenibilità.<br>A suffragio di questa tesi intervengono i crescenti costi monetari e ambientali per la produzione di energia. Se è, infatti, prevedibile una riduzione dei prezzi delle tecnologie per lo sfruttamento dell’energia solare, è altrettanto probabile un continuo aumento del costo dei combustibili fossili.<br>Infine, va ricordato che se mai venissero quantificati i danni ambientali ed alla salute umana provocati dalle emissioni inquinanti, sarebbe ancor più evidente la necessità di optare per scelte che riducono la dipendenza dalle fonti non rinnovabili di energia.<br>Quindi le tanto discusse “rinnovabili” rappresentano attualmente l’unica alternativa reale e praticabile nel breve periodo (la loro fattibilità è ormai pienamente provata), per aggredire alle radici il problema del consumo energetico e delle emissioni di CO2.<br><br>In definitiva un calcolo certo e sicuro del maggior costo e del risparmio che si può avere nella costruzione di una casa o appartamento, applicando le migliori tecnologie per arrivare ad una determinata classe energetica è molto difficile. Infatti occorre sempre tener presente diverse variabili quali la forma dell’edificio (in linea, a torre, casa uni o bi-famigliare), il rapporto superficie/volume, l’esposizione, la zona climatica ecc… Per effettuare questa valutazione, riferendosi agli impianti ad energia rinnovabile, si dovranno tener in seria considerazione: i costi del combustibile, i risparmi effettivamente realizzabili in termini economici (tenendo conto delle tariffe medie del gas metano e del gasolio) al fine di ottenere il computo degli anni di gestione necessari a ripagare gli interventi. <br>I tempi di ammortamento di questi extracosti possono essere grossomodo quantificabili tra i 6 e gli 8 anni: il risparmio sulla bolletta energetica e sulle spese di gestione, infatti, sono assolutamente convenienti nella prospettiva di lunga durata di un edificio.<br>Per queste ed altre ragioni è stato scelto di non effettuare un’analisi economica generalizzata dell’intervento; tale limite è comprovato dalla concreta difficoltà di prevedere lo sviluppo del mercato dell’energia rinnovabile e, più in generale, di una pratica costruttiva ecosostenibile. <br>I benefici ambientali di una edilizia a basso consumo (intesi come esternalità positive) ricadono sulla collettività in generale e quindi sembra corretto che, come avviene, una parte dei costi siano assunti a livello regionale e nazionale.<br>Inoltre il continuo rincaro dei combustibili fossili connesso ai problemi ambientali sempre più evidenti, genera una situazione che rende sempre più urgente un cambiamento di rotta guidato dalle istituzioni piuttosto che da un evidente vantaggio economico.<br>La sfida principale è quella di dimostrare che la strada dello sviluppo sostenibile è anche economicamente praticabile e spesso vantaggiosa. <br>Al fine di dare concretezza al tentativo di convertire il nostro sistema energetico all’utilizzo di fonti di energia rinnovabili, con questo progetto “Habitat Energia”, si auspica che la collettività prenda coscienza e si convinca della possibilità di costruire edifici che consumano dal 40 al 60% in meno rispetto agli standard attuali con incrementi minimi dei costi.<br>Investire su edifici che consumano meno energia conviene e trasformare un’emergenza (quella energetica) in un’opportunità di crescita rappresenta un processo che evolve nella direzione di una sostenibilità economica e sopratutto ambientale.<br>In conclusione, mi auguro che questa tesi non sia un punto d’arrivo, ma la linea di partenza per estendere, sensibilizzare e stimolare l’impiego di tecnologie ad energie rinnovabili nelle nuove costruzioni.<br>
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