La riqualificazione energetica di edifici esistenti: un caso studio

L’importanza della progettazione dell’involucro edilizio e la sua efficacia in ogni stagione

Scrivo questo articolo durante le vacanze estive, che sono solito trascorrere in Val d’Aosta, ai piedi delle montagne più alte d’Europa. Montagne meravigliose che stanno risentendo pesantemente del riscaldamento globale del pianeta, reso evidente quassù dalla scarsità di neve presente in quota (anche se durante l’inverno e la primavera appena trascorsi le precipitazioni nevose sono state più abbondanti) ma soprattutto dell’inesorabile ritiro dei bellissimi ghiacciai alpini. Non potrebbe essere altrimenti, dato che lo zero termico nel mese di luglio è salito a quote superiori a 5000 m (la cima del Monte Bianco è a 4810 m) per diversi giorni consecutivi, lasciando quindi i ghiacciai e i nevai perenni a temperature sopra lo zero per molto, troppo tempo.

Non è questo il tema di cui tratteremo nell’articolo, essendo ormai dibattuto quotidianamente dai media e affrontato dalle massime istituzioni politiche ed economiche del pianeta. Tuttavia il contesto in cui noi tecnici dell’edilizia ci troviamo ad operare è questo, ed è nostro dovere progettare e riqualificare gli edifici in modo che la loro (e la nostra) impronta ecologica sia la più lieve possibile.

Soffermandoci sulla tematica della riqualificazione energetica degli edifici esistenti, vediamo quali possono essere le strategie per rendere più efficiente l’involucro edilizio e dotarlo di un’impiantistica “ad hoc” alimentata da fonti di energia rinnovabile.

La riqualificazione energetica dell’involucro edilizio

In un precedente articolo ho parlato di progettazione integrata di involucro e impianto. Rimandando a tale fonte per riprendere i concetti alla base della strategia di riqualificazione, vediamo attraverso un paio di casi studio l’applicazione concreta di tali aspetti teorici.

Ricordiamo brevemente che un possibile processo progettuale di riqualificazione di un edificio esistente può essere il seguente:

• Rilievo geometrico del fabbricato e delle caratteristiche termofisiche dell’involucro (stratigrafie elementi opachi, tipologia degli elementi trasparenti, presenza di schermature solari, ombreggiamenti, ecc.);
• Rilievo degli impianti esistenti: emissione, distribuzione, regolazione, generazione. Eventuale presenza di impianti di ventilazione o altri impianti significativi (condizionamento, generatori tradizionali a biomassa, impianti a energia rinnovabile, ecc.);
• Reperimento dei dati di consumo energetico dell’edificio: bollette elettriche, gas, ecc. per almeno te anni consecutivi, nonché dei profili d’uso (es. per quante ore al giorno stanno accesi gli impianti);
• Diagnosi energetica (si veda a proposito un mio articolo) che evidenzi lo stato di fatto e che proponga efficaci interventi di miglioramento energetico sostenibili sia dal punto di vista ambientale che economico;
• Progetto di riqualificazione energetica di involucro e impianti che tenga conto dei risultati della diagnosi energetica precedentemente redatta.

Ricordiamo anche che il progetto di riqualificazione energetica di un edificio non può prescindere da un’attenta analisi dell’involucro edilizio e dei possibili interventi da eseguire su di esso.

A seconda della zona climatica e delle sollecitazioni che il clima esterno provoca sull’edificio, la progettazione degli interventi di risanamento energetico deve concentrarsi sulle prestazioni passive dell’involucro affinché possa opporsi efficacemente a tali sollecitazioni, sia in inverno che in estate, a seconda di quale delle sollecitazioni climatiche sia la più severa.

Il concetto è ancor più significativo tenendo conto delle variazioni che il clima sta subendo in questi ultimi anni, come dicevamo all’inizio: l’aumento globale delle temperature potrebbe infatti rendere necessari alcuni interventi di riqualificazione tipici delle zone climatiche più calde anche in luoghi dove fino a poco tempo fa non erano necessari (ricordate la posizione dello zero termico di cui parlavamo all’inizio di questo articolo?)

Si capisce quindi che, per ottimizzare il bilancio termico invernale occorre agire su questi due fronti:

• Minimizzare le perdite per trasmissione e ventilazione
• Massimizzare i guadagni solari (quelli interni li consideriamo costanti).

In questo modo si minimizza la quantità di calore Q_H che un ipotetico generatore per riscaldamento dovrebbe fornire al sistema.

Per poter ridurre le dispersioni per trasmissione occorre agire sia sugli elementi trasparenti che su quelli opachi che disperdono verso l’esterno, verso il terreno o verso locali non riscaldati, attraverso l’aumento della resistenza termica R_T dei vari componenti, diminuendone contemporaneamente la trasmittanza termica U (ricordiamo che U=1/RT).

Si dovrà anche agire sulla trasmittanza dei componenti trasparenti riducendo le perdite per trasmissione dagli infissi, ma anche lavorare sulle tipologie di vetro in modo da favorire l’apporto solare nella stagione più fredda.

Infine si dovranno correggere i ponti termici e diminuire le perdite di ventilazione attraverso la corretta posa in opera degli infissi e l’eliminazione delle perdite d’aria incontrollate presenti nell’involucro.

Allo scopo di migliorare le prestazioni passive dell’involucro durante la stagione calda, si dovrà tener conto soprattutto della capacità termica dei materiali di cui è costituito l’involucro.

La capacità termica viene definita come il rapporto tra l’energia termica assorbita Q da un certo materiale e la sua conseguente variazione (aumento) di temperatura DT:

C = Q / DT   [J/K]

Per capire il meccanismo a livello intuitivo, possiamo immaginare il componente come una sorta di spugna: durante il giorno “assorbe” e trattiene l’energia termica proveniente dal sole grazie alla sua massa, mentre nelle ore notturne – quando il flusso termico proveniente dai raggi solari cessa – si “scarica” rilasciando verso l’esterno l’energia termica immagazzinata, grazie alla diminuzione della temperatura esterna delle ore serali e notturne.

Come accennato in precedenza, la capacità termica è direttamente proporzionale alla massa: dunque, all’aumentare della massa aumenta la capacità termica. Ecco perché le strutture massive delle costruzioni del passato (si pensi alle chiese o ai palazzi costruiti qualche secolo fa) offrono quel senso di “frescura” quando si entra, consentendo di mantenere un livello di temperatura interna accettabile anche grazie alla scarsa penetrazione dei raggi solari all’interno (se ci fossero grandi aperture trasparenti non schermate il discorso sarebbe diverso).

Oltre alla capacità termica, per contrastare il surriscaldamento con strategie passive ci vengono in aiuto i seguenti concetti fisici:

• lo sfasamento, ovvero il parametro che misura il lasso di tempo che impiega il calore solare a penetrare un componente edilizio di un certo spessore. Utilizzando ancora l’esempio del muro irraggiato dal sole, dire che questo muro ha sfasamento di 8 ore significa che il flusso termico che in questo momento raggiunge il muro impiegherà 8 ore a “trapassare” lo spessore della parete e raggiungere l’interno (cioè i locali in cui viviamo) quando magari la temperatura esterna si sarà abbassata e non sarà più fastidioso per gli occupanti. Valori di sfasamento elevati, ossia superiori alle 8 ore, sono da preferire per quei componenti molto esposti al sole come i tetti, soprattutto quando essi sono eseguiti con strutture “leggere” in legno e laterizio, dunque con scarsa capacità termica:
  il progettista deve ideare una stratigrafia tale da conferire adeguata capacità termica al pacchetto della copertura, e quindi un elevato valore di sfasamento, e nel contempo evitare eccessiva dispersione per trasmissione durante la stagione fredda.

• L’attenuazione, cioè il valore adimensionale rappresentato dal rapporto tra la variazione di temperatura esterna e il flusso termico che occorre somministrare verso l’interno per mantenere il valore di temperatura interna; anche questo parametro può essere preso in considerazione per valutare i consumi energetici dell’edificio;

• La trasmittanza periodica YIE o (Udyn), che è attualmente il parametro stabilito dalla normativa (DM 59/09 - 311/06, UNI EN ISO 13786:2008) per valutare le prestazioni di inerzia termica dell’involucro con un criterio di tipo dinamico, ossia un modello che tiene conto delle notevoli oscillazioni della temperatura esterna nella stagione calda durante le 24 ore.

Tale grandezza rappresenta la capacità di un componente edilizio di sfasare e attenuare il flusso termico che lo attraversa durante le 24 ore, valutata con questa relazione:

YIE = f x U

ove U è la trasmittanza termica stazionaria [W/m²K] mentre f è un fattore di decremento che tiene conto della dinamicità della variazione di temperatura nel tempo.

Caso studio: il progetto di riqualificazione energetica di edificio scolastico

Il caso studio riguarda la riqualificazione di edificio scolastico posto nel comune di Vaiano (PO) in zona climatica D con 1.993 Gradi Giorno (DPR 412/93).

L’edificio, costruito negli anni ’40 del Novecento e sottoposto ad ampliamenti negli anni successivi, si articola su tre piani fuori terra, oltre a una porzione praticabile del sottotetto adibita a laboratorio didattico. Le strutture verticali consistono in muri di pietra e mattoni nella parte più antica, mentre per gli ampliamenti più recenti abbiamo una struttura in cemento armato tamponata con elementi in laterizio e una piccola parte recentemente realizzata con struttura in legno Platform Frame. Le strutture orizzontali sono in laterocemento, mentre il tetto a padiglione è formato da una orditura in putrelle di acciaio con pannelli sandwich in lamiera coibentata con poliuretano. Gli elementi trasparenti sono costituiti da finestre e porte finestre con telaio metallico a taglio freddo e vetrocamera, alcune delle quali sono state recentemente sostituite con elementi a telaio con taglio termico e vetrocamera più prestazionale. La copertura è provvista di alcuni lucernari ad apertura/chiusura automatica.

Per quanto riguarda l’impiantistica, è presente un impianto di riscaldamento tradizionale costituito da sistema di emissione a termosifoni in ghisa o alluminio, sistema di distribuzione in tubi in rame con isolamento scarso o inesistente, regolazione attraverso centralina di controllo e sistema di generazione costituito da caldaia tradizionale a gas metano di potenza nominale 280 kW collocata in una centrale termica staccata dall’edificio principale. L’acqua calda sanitaria è generata attraverso boiler elettrici presenti nei bagni e in altri locali della scuola.

Una volta effettuato il rilievo geometrico ed appurate le caratteristiche termofisiche dell’involucro edilizio, è stata effettuata la modellazione energetica dello stato di fatto, attraverso un software commerciale certificato dal CTI -Comitato Termotecnico Italiano, allo scopo di individuare la classe energetica di partenza e le “vulnerabilità” del sistema edificio – impianto.

Il “riassunto” di tale modellazione è dato dall’Attestato di Prestazione Energetica (APE) relativo allo stato di fatto:

Come si può vedere, l’Indice di prestazione energetica non rinnovabile EP_{gl, nren} è di 178,30 kWh/m²anno, che colloca l’edificio in classe energetica E, mentre l’indice di prestazione energetica rinnovabile EP_{gl, ren} è di 0,12 kWh/m²anno.

Sommando questi due indici si ottiene l’Indice di prestazione energetica globale EP_gl, pari a (178,30+0,12) = 178,42 kWh/m² anno.

Si nota infine che i consumi energetici preponderanti sono quelli dovuti al gas metano per il riscaldamento degli ambienti, e che la prestazione energetica dell’edificio e quindi dell’involucro – espressa dalle “faccine” tristi – risulta scarsa.

E’ stata quindi eseguita la diagnosi energetica ai sensi della norma UNI CEI EN 16247-1-2 tenendo conto dei i consumi di gas ed energia elettrica desumibili dalle bollette e dei profili d’uso dell’edificio.

Ai fini di effettuare un corretto raffronto, i consumi energetici dei combustibili vengono convertiti in kWh attraverso il potere calorifico inferiore di ciascun combustibile, a questo punto è possibile confrontare i consumi annuali derivanti dal modello di calcolo della diagnosi energetica, con i consumi annuali reali e procedere alla validazione del modello di calcolo.