La diagnosi energetica oraria di un edificio vetrato ad uso non residenziale
Premessa
Edilclima ha supportato un proprio cliente, lo Studio Sergio Colombo & C. S.a.s., nella diagnosi energetica di una palazzina ad uso uffici, sita a Milano ed edificata nel 2007.
Tale palazzina, contraddistinta da ampie superfici vetrate (in particolare la facciata sud ventilata), evidenzia significative opportunità di ottimizzazione energetica (prestazioni invernali ed estive).
La predetta diagnosi è stata così una proficua occasione per l’applicazione del calcolo dinamico orario, disciplinato dalla norma UNI EN ISO 52016, pubblicata nel marzo 2018 ed implementata nel software EC700.
Il calcolo dinamico orario consente infatti, rispetto al metodo mensile semi-stazionario, di valutare in maniera più precisa ed efficace il fabbisogno degli edifici, permettendo di tener conto del reale profilo di utilizzo dell’edificio così come dell’effettiva incidenza degli apporti.
Tale metodo risulta pertanto particolarmente efficace in caso di utenze non residenziali ed in presenza del servizio di raffrescamento.
La diagnosi energetica è stata condotta in conformità alla norma UNI CEI EN 16247, effettuando cioè tutti i passaggi da essa richiesti (rilievo in campo, analisi energetica dell’edificio, validazione del modello di calcolo, simulazione delle possibili opere di efficientamento, valutazione economica delle opere prospettate, elaborazione del rapporto finale).
Fig. 1
Caratteristiche del fabbricato
Il fabbricato, costituito da sette piani fuori terra ed articolato in nove zone termiche (reception, salette ed uffici), si presenta così caratterizzato:
● pareti verticali in laterizio (spessore 25 cm) coibentate con circa 6 cm di isolante (pannelli di lana di vetro);
● pareti delle rampe scale, così come delle gabbie degli ascensori, realizzate in cemento armato (prive di isolamento termico);
● solette intermedie (spessore 40 cm) con struttura “a predalles”, le quali presentano all’intradosso un controsoffitto (spessore di 35-40 cm), necessario per il passaggio delle canalizzazioni dell’aria, ed all’estradosso un pavimento galleggiante (spessore di circa 30 cm);
● soletta di copertura di struttura analoga a quelle intermedie, coibentata superiormente con 6 cm di polistirene XPS;
● pavimento del piano primo, disperdente verso il piano pilotis, coibentato con 6 cm di materiale fibroso;
● facciate vetrate contraddistinte da vetri altamente selettivi ed aventi le seguenti caratteristiche:
Tabella 1
Sono inoltre presenti, internamente ed in aderenza al serramento, delle tende tecniche, mentre non vi sono strutture oscuranti esterne.
Le caratteristiche del fabbricato sono quindi così riassumibili:
Tabella 2
Caratteristiche degli impianti
L’edificio è provvisto dei servizi di riscaldamento, raffrescamento, ventilazione ed illuminazione (sono inoltre presenti i servizi di trasporto ed acqua calda sanitaria, questi ultimi non oggetto di analisi in quanto non suscettibili di particolare efficientamento).
L’impianto per il riscaldamento ed il raffrescamento è del tipo ad aria primaria con travi fredde attive supportate da travi passive, oltre che, nei locali critici, da pannelli radianti.
L’unità di trattamento aria (realizzata con profili di alluminio estruso a taglio termico coibentati con 60 mm di lana di roccia) presenta le seguenti caratteristiche (da schede tecniche):
Tabella 3
L’impianto ad aria primaria è caratterizzato da una portata circolante totale pari a circa 12˙000 m3/h, di cui circa un terzo, pari a 4˙000 m3/h, costituito da aria esterna di rinnovo. Il ricambio d’aria dei locali è dunque pari a circa 0,4 vol/h.
La portata d’aria è mantenuta fondamentalmente costante per garantire il corretto funzionamento delle travi attive (portata d’aria motrice).
Il servizio di riscaldamento è assolto da due caldaie a condensazione, alimentate a gas metano, con potenza al focolare di 240 kW.
Il servizio di raffrescamento è invece assolto da un sistema alimentato ad energia elettrica, così composto: un refrigeratore aria/acqua (potenza frigorifera nominale di 558 kWel, EER nominale di 3,45) ed un condensatore remoto (portata d’aria di 157˙000 m3/h,) dotato di n° 10 ventilatori, aventi ciascuno assorbimento pari a 1˙000 W.
Fig. 2
Illuminazione
Gli apparecchi illuminanti presenti, rilevati locale per locale, sono i seguenti:
● plafoniere fluorescenti con potenza unitaria di 75 W negli uffici;
● faretti ad incasso con potenza di 50 W nei servizi;
● lampade ad incasso con potenza di 50 W nei restanti ambienti (sbarchi degli ascensori, locali al piano terra destinati alla reception, salette contigue).
Al piano terzo, recentemente oggetto di riqualificazione, le esistenti plafoniere fluorescenti sono state sostituite con nuovi apparecchi a LED, ciascuno di potenza pari a 40 W.
Definizione dei profili orari
La modellazione energetica del fabbricato ha richiesto, in virtù dell’applicazione del calcolo dinamico orario, la definizione per ciascuna zona termica di accurati profili orari, in merito alle temperature interne di set-point (invernali ed estive), agli apporti interni (dovuti a persone, apparecchiature ed illuminazione), all'utilizzo dei tendaggi ed alla ventilazione. Il calcolo orario ha consentito altresì di tener conto in maniera dettagliata, ora per ora, dell’influenza degli ombreggiamenti.
La definizione dei profili orari è risultata fondamentale stante la compresenza di zone termiche adibite ad usi differenti.
I profili di temperatura, definiti anche attraverso l’analisi dei report di stato dei termostati interni, sono così riassumibili:
Tabella 4
Fig. 3
I locali inutilizzati sono stati considerati moderatamente riscaldati con una temperatura media di 19°C.
Per quanto riguarda invece gli apporti interni (persone, apparecchiature, illuminazione) ed i relativi fattori di occupazione ed utilizzo sono stati individuati alcuni “profili tipo” in funzione della destinazione d’uso del locale. In particolare sono stati differenziati i seguenti ambienti: uffici singoli, uffici open-space, sale riunioni, salette/locali break, zone distributive (corridoi, sbarchi degli ascensori), uffici vuoti/locali stampanti, servizi. I locali inutilizzati sono stati considerati come privi di apporti.
Il numero di occupanti è stato valutato considerando il numero di postazioni lavorative risultanti dagli elaborati grafici trasmessi dalla committenza e/o rilevati in corso di sopralluogo. Si è inoltre tenuto conto di eventuali ospiti. Il carico termico dovuto alle postazioni lavorative è stato analogamente valutato considerando il numero dei lavoratori presenti.
Riguardo alle apparecchiature (stampanti, macchinette caffè/break), queste ultime, così come i relativi carichi termici, sono state valutate sulla base di un rilievo di dettaglio.
Si è infine definito il profilo orario di attivazione dell’impianto di ventilazione, che rispecchia, in gran parte, quanto precedentemente definito in merito ai set-point dei locali ed all’attivazione delle travi:
Tabella 5
Principali risultati dei calcoli (stato di fatto)
L’edificio è stato modellato tenendo conto dei profili orari definiti, tra cui in particolare i profili di temperatura. Questi ultimi sono stati infatti determinanti nel definire correttamente i consumi.
Si è così riscontrato come la temperatura interna invernale, mediamente superiore al valore standard di 20°C (con picchi di 23 / 24 °C ed, in taluni casi, per alcune ore, anche superiori), abbia determinato un incremento non trascurabile dei consumi, non solo nei mesi più freddi, ma anche ai margini della stagione di riscaldamento, oltreché l’accensione dell’impianto di raffrescamento anche nel periodo invernale.
La mancata applicazione del profilo di temperatura reale, proprio del metodo orario, avrebbe determinato un’evidente divergenza tra il modello di calcolo ed i consumi effettivi.
La temperatura interna estiva è invece risultata abbastanza stabile con la sola eccezione di alcuni locali, per i quali la contemporanea presenza di carichi interni ed apporti solari determina un particolare incremento della stessa, presumibilmente per la difficoltà da parte dell’impianto di mantenere la temperatura desiderata (temperatura di set-point). Tale condizione appare confermata anche dal modello di calcolo effettuato con il metodo orario.
Si riportano nel seguito i principali risultati del calcolo in termini di consumi di gas metano ed energia elettrica:
Tabella 6
I rendimenti globali per il riscaldamento ed il raffrescamento, valutati rispetto all’energia primaria non rinnovabile, appaiono notevolmente migliorabili. Tali rendimenti sono rispettivamente pari all’81,4% per il riscaldamento ed al 49,7% per il raffrescamento.
Validazione del modello di calcolo
Prima di procedere alla valutazione delle possibili opere di efficientamento si è proceduto alla validazione del modello di calcolo, passaggio essenziale al fine di accertarne l’affidabilità. Fondamentale a tale scopo è stato il confronto con i dati di consumo. Sono stati infatti raccolti ed analizzati i dati di consumo resi disponibili ed inerenti alle ultime tre stagioni, dal 2015-16 al 2017-18.
Fig. 4
Il consumo di gas è relativo alla sola alimentazione delle caldaie, dedicate al servizio riscaldamento ed al post riscaldamento delle batterie dell’UTA, mentre i consumi di energia elettrica sono riconducibili al servizio di raffrescamento, ai servizi tecnologici connessi agli impianti termici (assorbimenti ausiliari di pompe, ventilatori, ecc.), oltre che ai servizi di trasporto (ascensori) ed illuminazione.
Grazie all’accuratezza consentita dal calcolo orario ed al maggior controllo da esso garantito sui dati di input, i consumi calcolati appaiono ben allineati rispetto a quelli reali con uno scostamento inferiore al 5%.
Va inoltre evidenziato come alla validazione del modello di calcolo abbia concorso non solo la dettagliata ed accurata definizione dei dati di input, ma anche un capillare monitoraggio delle prestazioni in esercizio dei vari sistemi impiantistici.
Questi ultimi (caldaie, frigoriferi, bruciatori, circolatori, scambiatori, ventilatori, compressori, ecc.) sono stati infatti monitorati al fine di valutarne l’efficienza di funzionamento ed il relativo impatto sui consumi energetici.
Il sistema di ventilazione è stato ad esempio monitorato allo scopo di determinarne in modo accurato le portate d’aria (ricircolata ed esterna), la portata totale inviata alle travi fredde (componente motrice), la portata ricircolata sulle singole travi, la portata totale emessa dalle travi, oltre che l’efficienza del recuperatore di calore presente sulla UTA.
Un ulteriore elemento che ha richiesto una campagna di misure è stato il refrigeratore di liquido. I risultati del calcolo orario hanno infatti evidenziato, in prima analisi, uno scostamento tra il dato di consumo calcolato ed effettivo non coerente con l’efficienza energetica di targa caratterizzante il refrigeratore.
È stata quindi condotta un’accurata serie di verifiche funzionali, che hanno consentito di ricostruire il valore di EER della macchina nelle diverse condizioni di esercizio evidenziando un valore di efficienza decisamente inferiore rispetto al dato di targa (EER pari a circa 2,3).
Inoltre, dal momento che le rilevazioni sono state condotte nel mese di aprile con temperatura esterna di circa 16°, è apparsa ipotizzabile, nei periodi di picco (mesi di luglio ed agosto), una prestazione del gruppo frigorifero ancora peggiore, con valori di EER inferiori a 2.
Le verifiche sono state condotte misurando i seguenti parametri: temperature di mandata / di ritorno dell’acqua (lato impianto), temperature di mandata / di ritorno al condensatore (sui due compressori) ed assorbimenti elettrici.
È stato inoltre verificato il circolatore sul circuito frigorifero primario al fine di determinarne la portata.
L’analisi dei consumi ha inoltre consentito di evidenziare un consumo non trascurabile di gas metano nel periodo da maggio a settembre, in cui il servizio di riscaldamento risulta essere spento.
Tale consumo, imputabile alle batterie di post riscaldamento dell’UTA, costituisce un fabbisogno aggiuntivo a carico del gruppo frigorifero nei mesi estivi.
Fig. 5
È stata quindi dedicata particolare attenzione, sia nel monitoraggio dei consumi sia nell’impostazione del modello di calcolo, all’assegnazione delle corrette caratteristiche di funzionamento ai vari ausiliari, in relazione alla accensione, allo spegnimento o alla modulazione dei vari circuiti, di volta in volta utilizzati per assolvere ai differenti servizi. Oltre agli aspetti termici (riscaldamento, ventilazione, condizionamento) sono stati infine considerati, ai fini della validazione del modello, anche i consumi di illuminazione.
Fig. 6
Fig. 7
Fig. 8
Fig. 9
Interventi migliorativi proposti
Sono state così valutate le seguenti opere di efficientamento:
● applicazione di elementi schermanti esterni;
● sostituzione del refrigeratore aria/acqua;
● sostituzione degli apparecchi illuminanti delle autorimesse;
● sostituzione degli apparecchi illuminanti degli uffici.
Il primo intervento è apparso complessivamente non conveniente stante l’elevato tempo di ritorno ed il ridotto risparmio atteso. In corrispondenza della facciata sud dell’edificio è infatti già presente un elemento serigrafato avente funzione di schermatura.
I successivi tre interventi appaiono invece contraddistinti da tempi di ritorno mediamente inferiori ad otto anni oltre che da risparmi significativi. Il dettaglio degli interventi è riepilogato nel prospetto 1.
Prospetto 1 - Riepilogo interventi
Conclusioni
L’analisi è stata occasione di valutazioni interessanti stante la peculiarità dell’edificio, la molteplicità dei servizi presenti ed i differenti profili di utilizzo delle varie zone. Si è ad esempio evidenziata con maggior precisione la correlazione tra i consumi ed i parametri su di essi influenti, quali ad esempio temperature interne, apporti solari ed apporti interni. Si sono inoltre effettuati significativi raffronti circa le prestazioni nominali ed operative dei sistemi di generazione.
Il ricorso al calcolo orario si è così rivelato una strategia vincente ed un valore aggiunto ai fini di una valutazione quanto più possibile affinata ed efficace.
L’analisi condotta è stata inoltre un’utile occasione per individuare ottimizzazioni al metodo di calcolo, che sono state segnalate dai progettisti agli analisti per ulteriori migliorie del software.
Si ringrazia la committenza, HDI Immobiliare, sia per averci consentito la pubblicazione del caso di studio sia per la spiccata sensibilità dimostrata verso i temi del risparmio energetico, da sempre centrali per l’operato di Edilclima.