Tesis sobre el tema "Riqualificazione energetica degli edifici esistenti"

Lo studio di fattibilità tecnico-economica oggetto della tesi è stato svolto sul quartiere Corticella a Bologna, per un totale di 21 edifici e di circa 105000 m2. Il punto di partenza tuttavia, è stata l’ipotesi di riattivare il mercato immobiliare e costruire addizioni volumetriche sugli edifici esistenti che avessero lo scopo di ridurre il tempo di ritorno degli investimenti necessari alla riqualificazione. Dopo aver stimato i costi di costruzione e di riqualificazione per ogni caso di studio, sono state fatte varie ipotesi di intervento, andando a scegliere quelle che massimizzassero i risultati di efficienza energetica, riqualificazione architettonica e profitto economico. Tali risultati sono stati combinati sia per ogni edificio singolarmente sia per il comparto urbano, in modo da riuscire ad individuare la soluzione ottimale a livello prestazionale ma che permettesse altresì di ridurre a pochi mesi il tempo di ritorno degli investimenti.

Considerata la situazione nel quale verte il patrimonio edilizio nazionale si ritiene opportuna una riqualificazione e adeguamento. Un programma di riqualificazione dell’intero parco abitativo Italiano avrebbe però una dimensione economica inimmaginabile. La soluzione a questo problema di natura finanziaria, può essere data dalla definizione di una metodologia di analisi speditiva che permetta di stilare una lista di priorità traducibile in una programmazione, anche economica, degli interventi necessari all’adeguamento del parco residenziale nazionale. In questa maniera i fondi a disposizione del soggetto interessato potranno essere mirati agli interventi più urgenti, rendendo più efficiente l’investimento delle risorse disponibili. Il protocollo di prima valutazione definito integra l’analisi di tipo AeDES con i dati desunti da TABULA, producendo una scheda da cui ricavare un giudizio sui livelli di prestazione stimati per entrambi i requisiti di vulnerabilità sismica e efficienza energetica. Integrando infine la metodologia proposta da MAPP è stata fatta una classificazione in funzione delle criticità strutturali ed energetiche riscontrate. L’ipotesi che la tesi intende dimostrare è che, usando una quantità limitata di dati ricavabili con il sopralluogo e senza la necessità di rilievi strumentali, è possibile disporre di informazioni sufficienti a classificare gli edifici di un parco immobiliare secondo X livelli di vulnerabilità sismica e Y livelli di efficienza energetica, stimate producendo una segmentazione del parco in K classi. Dopo aver segmentato il parco nelle K classi previste dal protocollo, sulla base di criteri definiti dall’autorità pubblica o dal committente proprietario del parco, le classi saranno ordinate per priorità di intervento e sottoposte via via ad indagini più approfondite. Questa procedura ha il fine di supportare il processo decisionale relativo alla tipologia di interventi da attuare in fase di programmazione.

Oggetto principale del progetto di ricerca è stata la valutazione del comportamento energetico di componenti edilizi attraverso l’analisi sperimentale in situ con la realizzazione di mock up configurati per lo scopo. In prima battuta, lo studio si è concentrato sulle problematiche inerenti ai consumi energetici estivi, il comfort interno e la salubrità degli ambienti prefiggendosi l’obiettivo di analizzare nuove strategie per l’ottimizzazione dell’involucro edilizio. La tematica dell’isolamento termico è stata, quindi, declinata sotto diversi aspetti: tipologia dei materiali isolanti e le loro caratteristiche chimico-fisiche, tipologia delle strutture edilizie che necessitano di isolamento, principali parametri termici da considerare e infine la traduzione, in termini di sperimentazione in sito, di un modello comparativo tra involucri termici su una struttura esistente fortemente inerziale ma priva di isolamento termico: mock up realizzato a Fabriano. La necessità di raggiungere standard energetici sempre più stringenti si è generalmente tradotta con la scelta e l’utilizzo di materiali isolanti con alte prestazioni per coibentare le pareti dei nostri edifici. Una corretta valutazione dei vantaggi e degli svantaggi legati a questa tecnica costruttiva è della massima importanza al fine di comprendere al meglio il comportamento termico delle strutture opache. Pertanto, la ricerca portata avanti, riporta i dati sperimentali e analitici ottenuti dallo studio di una parete ad elevata inerzia termica coibentata con due diversi strati isolanti esterni (metodologia in gergo definita come isolamento “a cappotto”) per soddisfare i requisiti nZEB italiani sulla resistenza termica e focalizzandosi sulle problematiche nell’ambito del clima mediterraneo. Infatti, il surriscaldamento degli ambienti interni e, quindi, l'uso eccessivo dei sistemi di raffrescamento rappresenta uno dei principali problemi sia per la salute degli occupanti che per i consumi energetici, in particolar modo durante il periodo estivo. Ne consegue che, al fine di limitare questo problema, è necessaria una progettazione appropriata e/o un adeguamento energetico dell'involucro edilizio che utilizzi un approccio globale e sinergico. Altro argomento di ricerca, seguito parallelamente al primo, è stato lo studio dei cool materials da applicare in sistemi di raffrescamento passivo degli edifici declinando la tecnica del cool roof alle facciate degli edifici. L’obiettivo dello studio è stato quello di valutare gli effettivi benefici che i cool materials possono avere una volta applicati su pareti verticali, al posto delle tradizionali vernici per esterni, e valutarne la convenienza in termini di costi-benefici-durabilità. Questi materiali possono contribuisce alla riduzione della temperatura superficiale dell’agglomerato abitativo grazie ad un migliore bilancio energetico relativo alle superfici in gioco favorendo la mitigazione dell’effetto di isola di calore urbana. Inoltre, l’utilizzo di pareti con corrette stratigrafie e il giusto posizionamento dell’isolamento con materiali che rispondano a condizioni al contorno dinamiche, soprattutto nei climi Mediterranei come il nostro, possono rappresentare una risposta alle problematiche riguardanti il miglioramento dell’efficienza energetica del nostro patrimonio edilizio. Il progetto di ricerca sui cool materials ha previsto una fase preliminare di studio dei materiali, formulazione delle pitture sperimentali e, infine, la preparazione del mock up sul quale installare i pannelli da monitorare durante il periodo estivo. Riassumendo, la problematica della riqualificazione degli edifici rispetto all’isolamento estivo ha affrontato, principalmente, i seguenti argomenti: • l’inerzia termica e la sua relazione con l’isolamento termico dell’involucro nel periodo estivo; • lo studio dei materiali e la loro sperimentazione in condizioni reali, ovvero in regime dinamico; • l’applicazione sperimentale dei cool materials sulle pareti verticali esterne per valutarne l’efficacia in termini di contenimento delle temperature superficiali.
The main object of the research project was the evaluation of the energy behavior of construction components through in situ measurement and experimental analysis with dedicated mock-up. At first, the study has focused on issues related to energy consumption over the summertime, indoor comfort’s situations and environment’s salubrity with the aim of analysing new strategies towards building envelope’s upgrade. Therefore, the topic of thermal insulation has been listed into different aspects: the type of insulating materials and their chemical-physical characteristics, the type of building structures that require insulation, the main thermal parameters to be considered within the research and, at last, the translation, in terms of on-site test, of a comparative model between several thermal envelopes applied on a highly inertial structure lacking of thermal isolation: mock up made in Fabriano. The use of high-performance insulating materials to insulate the building walls is the necessary consequence to achieve the higher strict energy standards. The urgent need of reaching higher energetic standards has brought to choosing high-performance isolating materials to insulate buildings. A correct evaluation of pros and cons of this specific construction technique is extremely fundamental in order to achieve a better understanding of opaque structures thermal behaviour’s. Perhaps, the current research reports experimental and analytical data obtained from the study of a high thermal inertia surface insulated with two different external isolating layers, to meet the Italian nZEB requirements on thermal resistance and focusing on set of problems caused by the Mediterranean climate conditions. In fact, the indoor environment overheating and, consequently, the excessive use of cooling systems represents one of the main problems both for the occupants’ health and for energy consumption, especially during the summertime. It follows that, in order to decrease the problem, a global and synergistic approach is necessary to design energy efficient building envelopes. Another topic of the research, in line with the first one covered, has been conducted on studying cool materials to be applied to passive cooling techniques with the application of cool roof technique to the building facades. The aim of the study was to assess the benefits of those materials when applied to vertical envelopes instead of traditional outdoor coatings and evaluate their convenience in terms of costs-benefits-durability. These materials can contribute to exterior’s temperature reduction of the housing agglomeration thanks to a better energy balance of the surfaces, facilitating the mitigation of the urban heat island effect. Furthermore, resolutions to the problems concerning the energy improvement of our building heritage can be represented by the use of correct stratigraphy walls and the right placement of the insulating materials that respond to dynamic boundary conditions, especially in Mediterranean climate. The research project on cool materials involved a preliminary phase of the materials study, the formulation of the experimental paints and, at last, the mock up preparation on which to install the panels to be monitored over the summertime period. In summary, the problem of building energy upgrading in regard to summer insulation is focused on the main following topics: • thermal inertia and its relationship with the thermal insulation of the envelope over summertime period; • the study of materials and their experimentation in real conditions, or rather in a dynamic regime; • the experimental application of cool materials on external vertical walls in order to evaluate their beneficial impact on surface’s temperature.

Nella tesi sono state valutate le prestazioni energetiche di un edificio esistente ed i possibili interventi migliorativi da porre in opera per migliorare dette prestazioni in riferimento all'involucro edilizio, agli impianti e alla produzione di energia da fonti rinnovabili.

L'obiettivo della Tesi di Laurea si inserisce tra quelli del progetto europeo ProGETonE, in particolar modo la riqualificazione energetica attraverso l'inserimento di impianti performanti e l'uso di fonti di energia rinnovabile al fine di ridurre al massimo i consumi energetici, fino ad arrivare ad avere un edificio NZEB. L'oggetto di intervento della Tesi di Laurea è un complesso residenziale in Provincia di Reggio Emilia di 13 appartamenti di edilizia popolare, nel quale è previsto un incremento di volumetria al fine di aumentarne il valore. É previsto inoltre l'inserimento di un isolamento a cappotto sulle pareti esterne esistenti e la sostituzione degli infissi. La tesi di Laurea parte da queste ipotesi progettuali e ha come fine quello di proporre diverse soluzioni impiantistiche di fattibilità, al fine di ottenere un miglioramento energetico. Nello stato di fatto è presente un impianto termico centralizzato per il riscaldamento degli ambienti e per la produzione di acqua calda sanitaria, con un generatore di calore alimentato a metano; non è presente nessuna forma di impianto di raffrescamento. Vengono proposte tre soluzioni che vanno ad evidenziare modalità diverse di intervento su un edificio esistente, ma in tutti i casi si ottiene un miglioramento in termini di riscaldamento invernale, raffrescamento estivo e qualità dell'aria interna all'abitazione. Per tutte tre le soluzioni è previsto l'inserimento di fonti di energia rinnovabile, ovvero pannelli fotovoltaici da collocarsi nel tetto; Il fine di questa tesi è quello di proporre soluzioni impiantistiche per il miglioramento energetico, i risultati sono stati valutati tramite simulazioni energetiche con il software EdilClima e confrontate con quelle svolte sullo stato di fatto e post intervento.

Questa tesi tratta dell'applicazione agli edifici esistenti di dispositivi per la produzione energetica da fonte rinnovabile: solare fotovoltaica, solare termica ed eolica. Dopo aver analizzato i motivi economici ed ambientali che oggi inducono ad affrontare il tema complesso dell'integrazione di queste tecnologie anche negli edifici esistenti, vengono documentate alcune decine di recenti istallazioni, reperite in ambito internazionale, costituendo così un piccolo repertorio di casi applicativi. Il ricorso alle fonti di energia rinnovabili in architettura ed il concetto di sostenibilità applicato alla progettazione sono temi di interesse mondiale che coinvolgono la riqualificazione energetica del parco edilizio esistente. Questo fenomeno sta generando una vera rivoluzione che, da una dimensione culturale promossa dalle politiche energetiche dei vari paesi, travolge svariati ambiti disciplinari, primo tra tutti l'architettura. L’elaborato è idealmente diviso in quattro parti, come di seguito specificato. Nel primo capitolo vengono trattate le problematiche che stanno portando alla diffusione delle energie rinnovabili nel mondo e descritte le varie forme e tecnologie con cui si utilizzano. Nel secondo e terzo capitolo sono trattati i temi dell’energia negli edifici e la sostenibilità nel progetto per la riqualificazione energetica in architettura. Negli ultimi tre capitoli si analizzano le caratteristiche, i componenti ed il funzionamento dei sistemi fotovoltaici, solari termici e micro/mini-eolici applicati ai manufatti edilizi. Si descrivono, inoltre, le tecnologie e le soluzioni per l’integrazione di detti impianti sugli edifici esistenti. L’ultima parte, costituita dall’allegato che contiene le schede di analisi di alcuni casi studio, descrive la realizzazione di progetti di riqualificazione energetica in cui sistemi fotovoltaici, solari termici ed eolici vengono applicati ad edifici di vario genere.

Due recenti innovazioni nel settore termotecnico sono lo sviluppo di caldaie murali a gas cogenerative, ottenute mediante l’adozione di motori Stirling in combinazione con bruciatori e scambiatori a condensazione adatte a un contesto domestico e quello di sistemi di generazione ibridi gas-energia elettrica costituiti da una pompa di calore ariaacqua e da una caldaia a condensazione. Per giustificare gli investimenti per le trasformazioni della rete elettrica e la semplificazione normativa è importante quantificare i risparmi di energia primaria ottenibili con tali tecnologie; inoltre a causa del maggior costo iniziale è anche necessario quantificare i risparmi economici ottenibili con l’adozione di questo tipo di macchine. Inoltre per la necessità di funzionare per un elevato numero di ore annue per generare i risparmi necessari al rientro economico esse sono adatte ad essere installate in edifici di vecchia costruzione che, anche dopo interventi di miglioramento dell’isolamento, abbiano elevate dispersioni termiche: per tale ragione esse costituiscono un sistema per intervenire sul parco edilizio esistente. Per questi motivi lo scopo di questo lavoro è quello di valutare mediante simulazioni dinamiche le prestazioni energetiche ed economiche di una unità microCHP domestica, di un sistema ibrido e confrontarli con una caldaia a gas a condensazione e con una pompa di calore con integrazione elettrica su un edificio unifamiliare, costruito negli anni 70 e situato a Milano Le simulazioni effettuate hanno mostrato che l’unità microCHP presa in considerazione è in grado di generare risparmi economici e riduzione del fabbisogno di energia primaria, ma solo con un’adeguata conduzione dell’impianto e con l’adozione di sistemi di controllo sofisticati. Inoltre è emerso che il sistema ibrido può raggiungere un elevato rendimento di generazione, ma solo con l’adozione di logiche di controllo sofisticate, mentre al contario la pompa di calore con integrazione elettrica non è in grado di migliorare il rendimento di generazione nel caso esaminato.
Two of the most recent innovations of thermo technique industry is the development of wall hung cogenerative gas boilers that adopt Stirling engines in combination with condensing heat exchangers, such machines are suitable for installation in single houses since the electric power is around 1 kW, and the development of hybrid systems constituted by an air source heat pump and a condensing boiler. However in order to justify the investments on the electric grids and to urge the simplification in laws, that makes now very difficult the installation, it is important to be able to quantify the primary energy savings achievable with such technologies; moreover because of the higher cost for the user it is also necessary to quantify the savings of money. For those reasons the aim of this work is the calculation of the energetic and economic performances of a Stirling engine microCHP, of a hybrid system and a heat pump with electric back up in comparison with a condensing gas boiler as reference case. Because of the necessity to work for a lot of hours during the year in order to be able to produce the savings suitable to the high cost of the machine, those kind of appliances are very suitable to be installed in old buildings, that even after improvements on insulations, have high thermal losses: for this reason the comparison was made on a detached house, built in 70’s in Milan. The simulations carried out using TRNSYS software show that the use of the Stirling microCHP gives advantages both in energetic and in economic terms, but they shown also that those advantages are higher with some working regimes and adopting sophisticated controls. Furthermore has sorted out that the hybrid system is able to improve the generation efficiency but just if a sophisticated control logic is adopted and that the heat pump with electric back up is not able to improve the generation efficiency.

Nel 2020 in Europa gli edifici sono ancora responsabili del 40% dei consumi energetici totali e del 36% delle emissioni serra totali, principalmente per il soddisfacimento dei fabbisogni per riscaldamento, nonostante un calo di quasi il 10% del fabbisogno energetico da parte del settore residenziale da inizio millennio ad oggi. L’Italia si dimostra in controtendenza rispetto al trend europeo, evidenziando una lenta ma costante crescita dei consumi: questo fenomeno dipende senza dubbio dall’elevata età media del proprio patrimonio immobiliare, dal momento che circa il 60% degli edifici residenziali presenti oggigiorno sul territorio italiano è stato costruito prima del 1977, cioè prima dell’entrata in vigore delle prime norme sull’efficienza energetica degli edifici. Gli incentivi per interventi di efficientamento energetico già proposti negli ultimi anni sono stati estesi nel corso del 2020 per supportare il settore edilizio gravemente colpito dalla crisi legata alla pandemia di Covid-19: in particolare, con il Decreto Rilancio del 19 maggio 2020 viene elevata al 110% l’aliquota di detrazione delle spese sostenute per specifici interventi in ambito di efficienza energetica. Nel presente lavoro di tesi verranno analizzati gli interventi realizzabili sul sistema edificio-impianto e ne verrà valutata la possibilità di soddisfare tramite essii nuovi requisiti per beneficiare degli incentivi dell’Ecobonus 110%. Inoltre, verrà anche valutata l’incidenza degli interventi sui consumi di energia e conseguentemente sulle emissioni di gas serra. Si analizzeranno i vantaggi e gli svantaggi di ciascuna tipologia di intervento con lo scopo di fornire una base di partenza per l’applicazione delle nuove direttive introdotte, individuando le principali problematiche applicative e proponendo le soluzioni che allo stato attuale si sono dimostrate maggiormente vantaggiose.

2015 - 2016
Sustainable building is one area where innovation is constantly being challenged. Innovation means offering something new or changing what exists in order to achieve new results. At present the hardest goal is transforming the current situation where the construction sector has the highest fossil fuel consumption, is the largest producer of non-reusable waste and the biggest polluter. In fact, the environmental impact of building design and construction is enormous: in Europe buildings are responsible, directly or indirectly, for approximately 40% of total primary energy consumption and for around 36% of CO2 total emissions. Sustainability criteria can minimize or eliminate negative environmental impacts through a conscious choice of design and constructive practices better than those commonly in use. This design approach allows a reduction in operating costs, an increase in market value and users' productivity. ... [edited by Author]
XXIX ciclo

Il lavoro svolto durante lo sviluppo di questa Tesi di Laurea concerne l’analisi di fattibilità tecnico-economica della riqualificazione energetica di un edificio storico situato a Castel Rigone, una frazione posta nel comune di Passignano sul Trasimeno, in provincia di Perugia. A causa del periodo costruttivo molto datato, stimato circa intorno al 1200, le componenti strutturali che costituiscono l’involucro edilizio presentano, allo stato attuale, proprietà termiche poco prestanti. Per valutare le prestazioni energetiche dell’edificio è stato implementato un modello all’interno del software dinamico TRNsys. Una volta realizzato il modello di simulazione dinamica dell’edificio all’interno del software sono state effettuate una serie di simulazioni per valutare le prestazioni energetiche dell’edificio allo stato attuale. Dai risultati ottenuti si evince che le prestazioni sono molto basse e quindi il passo successivo è stato quello di proporre una serie di interventi di riqualificazione energetica. In particolare sono state simulate due diverse tipologie d’intervento, la prima tipologia per soddisfare i requisiti minimi dell’edificio di riferimento imposti dalla normativa vigente (D. M. Requisiti Minimi) e la seconda per superare tali requisiti minimi, imponendo valori più stringenti sulle trasmittanze delle componenti dell‘involucro. I due interventi sono stati valutati sia dal punto di vista delle prestazioni invernali che estive ed inoltre sono state studiate l'umidità relativa interna ai locali e la condensa interstiziale. Le analisi energetiche invernali sono state inizialmente eseguite considerando come sistema di generazione una caldaia a condensazione; successivamente, avendo bisogno di soddisfare anche il carico estivo, si è deciso di inserite una pompa di calore invertibile per coprire sia il fabbisogno estivo che invernale. Infine si è effettuata una analisi economica per valutare quale dei due interventi sia effettivamente quello più conveniente.

Al giorno d’oggi, al fine di ridurre i consumi di combustibile dell’impianto di riscaldamento, si interviene sempre più sulle logiche di regolazione dei generatori. Dato che la regolazione del generatore interagisce con le logiche di regolazione implementate sui singoli terminali e nelle zone termiche, la previsione del reale comportamento dell’impianto non è banale e può essere effettuata solo con l’ausilio di modelli dinamici complessi. Nel corso della tesi si è svolta un’analisi dinamica del comportamento di un edificio energeticamente poco performante sito ad Ancona, a cui sono stati effettuati degli interventi di riqualificazione energetica sull’involucro (cappotto e sostituzione delle finestre), sull’impianto (sostituzione del generatore) e sull’ottimizzazione delle strategie di regolazione. Le analisi effettuate per i vari casi riguardano sia l’analisi del comfort che dei consumi. Tali analisi hanno permesso di studiare il comportamento del sistema in seguito ai diversi interventi. Si è analizzato ad esempio come cambia la dinamica e il funzionamento dell’impianto al variare dell’involucro dell’edificio, anche in funzione del posizionamento dell’isolante nell’intervento di cappottatura. In seguito a tali analisi è stato possibile individuare i migliori accoppiamenti involucro-impianto. In particolare, nel caso di edificio non isolato, utilizzando una caldaia a condensazione anziché una caldaia tradizionale, in generale si è visto un aumento del benessere termo-igrometrico e una riduzione del consumo di combustibile. Nel caso di edificio isolato l’accoppiamento migliore è risultato con una caldaia a condensazione con temperatura di mandata ridotta rispetto quella di progetto, perché si evita così di fornire con l’impianto sovra-potenze per scaldare le stanze e il calore viene ceduto in maniera più uniforme. Si è inoltre ottenuta un’importante riduzione del consumo di combustibile (-78%) rispetto al caso di partenza.

"Nuovi spazi dell'abitare sociale", progetto sviluppato all’interno del Laboratorio di Laurea in Architettura Sostenibile, si occupa della riqualificazione architettonica ed energetica di due edifici di edilizia residenziale pubblica, a gestione ACER, situati a Ravenna nel quartiere Trieste. Nello specifico, il caso studio, si trova in via Eraclea 27-39, in un’area caratterizzata dalla presenza di altri immobili adibiti ad abitazione, costruiti tra gli anni ’70 e ’80, per un volume totale di circa 122.500 m3, di cui il 50% gestiti dal medesimo ente. Le principali criticità emerse durante la fase di analisi riguardano la scarsa qualità degli spazi esterni, che presentano potenzialità al momento non sfruttate, motivo per cui, tali luoghi vanno incontro a fenomeni di incuria e degrado. L’ipotesi di intervento presentata nel volume mira a rigenerare tali spazi, con connessioni efficaci ed aree idonee a favorire l’interazione sociale tra i residenti. Per quanto riguarda gli edifici, sono state riscontrate criticità riguardanti il taglio degli alloggi, le prestazioni energetiche e il comfort luminoso. Il progetto si pone l’obiettivo di fornire un maggior numero di appartamenti di taglio medio-piccolo per soddisfare l’odierna domanda del mercato immobiliare. Agendo inoltre sull’ involucro edilizio è stato possibile, attraverso l’introduzione di addizioni volumetriche in facciata, garantire una maggior qualità spaziale degli ambienti interni e del loro illuminamento. L’intervento di riqualificazione energetica, reso possibile grazie all’utilizzo dell’apposito software Termolog EpiX 7, prevede di fornire agli edifici un involucro performante contro le dispersioni termiche, integrando tale operazione con un nuovo sistema impiantistico alimentato da fonti rinnovabili che ha permesso di portare il caso studio in classe energetica A4.

L’obiettivo del progetto di tesi è lo studio dei consumi energetici e del comportamento del sistema edificio - impianto di una particolare categoria di fabbricati, gli edifici storico-vincolati. In particolare il progetto si pone come obiettivo lo studio di una metodologia per la riqualificazione energetica di questa particolare categoria di edifici. Nel contesto Europeo questa tematica è molto rilevante infatti gli edifici storici hanno una grande diffusione sul territorio (si stima che in Europa circa un quarto degli edifici esistenti sia stato costruito prima della metà del secolo scorso). L’interesse per questi fabbricati deriva dall’inapplicabilità delle tradizionali metodologie di riqualificazione energetica e dalla necessità di un differente approccio di studio teorico e pratico per questa particolare categoria di immobili. Le destinazioni d’uso e gli utilizzi di questi fabbricati sono molteplici, ma hanno caratteristiche costruttive che li accomunano e li distinguono da tutti gli altri edifici; ad esempio le strutture perimetrali molto massive e l’elevata inerzia termica, i grandi volumi riscaldati, usi spesso discontinui degli ambienti al loro interno, l’inefficienza degli impianti termici e gli elevatissimi consumi e sprechi energetici. Il progetto di tesi si concentra sullo sviluppo di soluzioni di riqualificazione energetica innovative ed economicamente vantaggiose per edifici storici in grado di offrire significativi miglioramenti nelle riduzioni dei consumi, garantendo al contempo il rispetto dei parametri di comfort interno e il rispetto dei vincoli architettonici con requisiti di non invasività e reversibilità degli interventi. Il progetto, con l’utilizzo di un caso studio, intende dimostrare l'efficacia delle tecnologie, metodologie, sistemi e strumenti sviluppati ed il potenziale di replicabilità delle soluzioni proposte. Il caso di studio è un edificio storico-vincolato di grande importanza per la città di Modena, il Palazzo Ducale, che nei secoli scorsi è stato la sede dei Duca d’Este e oggi ospita la prestigiosa Accademia Militare, una scuola di formazione degli ufficiali dell’Esercito Italiano. L'obiettivo generale del progetto è raggiunto attraverso le seguenti attività principali: - Analisi dello stato dell'arte delle procedure di efficienza energetica degli edifici storici e del pertinente quadro legislativo dell'UE. - Definizione di una metodologia completa per la riqualificazione energetica degli edifici storici-vincolati, con l’utilizzo del caso studio del Palazzo Ducale di Modena. La metodologia si basa su un’analisi conoscitiva approfondita dell'edificio, in particolare del sistema involucro edilizio – impianto termico. - Attraverso lo studio delle proprietà dei materiali, del funzionamento degli impianti meccanici e l’analisi dei consumi energetici negli anni si esegue una diagnosi energetica dell’edificio. Lo studio dello stato di fatto e le simulazioni dei vari interventi proposti di riqualificazione energetica sono eseguiti con un software di simulazione dinamica per poter tenere in considerazione l’elevata inerzia termica dell’edificio. - Attraverso un’analisi parametrica e una normalizzazione dei risultati si sviluppa una serie di linee guida complete per la riqualificazione energetica degli edifici storici per poter esportare una metodologia comune applicabile per questa particolare tipologia di edifici in ambito europeo.
This PhD thesis focuses on energy consumption and behavior of envelope and HVAC system in historical-constrained buildings. The main target is to study a methodology for the energy retrofitting solutions in these particular buildings. In Europe this issue is very relevant, because historical buildings are widespread in the area (it is estimated that in Europe about a quarter of existing buildings were built before the middle of the last century). The interest in these buildings derives from the inapplicability of traditional energy requalification methods and from the need for a different theoretical and practical approach. The uses of these buildings are manifold but they have constructive characteristics that unite them and distinguish them from all other buildings, as instance the very massive perimeter structures and the high thermal inertia, the large heated volumes, rooms and zones often used in a discontinuous way, the inefficiency of heating systems and the very high consumption and energy waste. This thesis project focuses on the development of innovative and cost-effective advantageous energy design solutions for historical buildings, which are able to offer significant improvements in energy performance while ensuring internal comfort requirements and non-invasive and reversible characteristics. The project, with the use of a case study, will demonstrate the effectiveness of the technologies, methodologies, systems or tools developed and the potential for replicability of the proposed solutions. The case study is the Ducal Palace of Modena, a magnificent historic-constrained building representing Modena city all over the world. In past centuries, the Palace was the seat of the “Estensi Duke”; today it is home of the prestigious Military Academy, a training school for officers of the Italian National Army. The general objective of the project is achieved through the following main activities: - Analysis of the state of the art of energy efficiency procedures for historic buildings and the relevant EU legislative framework; - Definition of a complete methodology for the energy retrofitting solutions of historic-constrained buildings, with the use of the case study of the Ducal Palace of Modena. The methodology will be based on an in-depth cognitive analysis of the building, in particular the envelope and HVAC system. - Through the study of the properties of materials, the use of thermal systems and the analysis of energy consumption over the years, an energy audit of the building will be performed. The study of the actual state and the simulations of the various proposed energy retrofit interventions will be performed with a dynamic simulation software in order to take the high thermal inertia of the building into account. - Through a parametric analysis and a normalization of the results, a series of complete decision-making guidelines are developed for the energy retrofitting of historic buildings in order to export a common methodology applicable to this particular type of building all around Europe.

Nell' elaborato vengono descritti gli studi conseguiti sia a livello internazionale che nazionale riguardanti la sostenibilità e i consumi energetici dell' ambiente costruito, passando dai problemi di occupazione, crescita economica e riduzione di emissioni di gas ad effetto serra, proseguendo poi con gli obiettivi da adottare in termini anche di circular economy e industria 4.0 per arrivare ad un unico grande scenario, ovvero quello della Riqualificazione Energetica degli Edifici.

Il presente lavoro di tesi è focalizzato sulla valutazione del potenziale fotovoltaico e della riqualificazione energetica degli edifici residenziali nel comune di Ponte nelle Alpi (BL), a fronte della riduzione dell’inquinamento provocato dal riscaldamento residenziale; quest’ultimo, infatti, grava per l’88% sull’inquinamento totale da polveri sottili (PM10 e 2.5) in provincia di Belluno. Gli apparecchi per il riscaldamento domestico sono alimentati a legna (presente in grandissime quantità nella provincia bellunese) che ha un costo minore rispetto agli altri combustibili e viene, per la maggior parte, autoprodotta. Il problema si fa arduo nei mesi invernali, dove grandi quantità di biomasse vengono bruciate per riscaldarsi, creando (per via della stagione e quindi delle condizioni climatiche) grandi ristagni di inquinanti nell’aria, che vanno a compromettere fortemente la qualità della stessa e creare problemi alla salute dei cittadini. La soluzione a tale problema è stata individuata nel fotovoltaico, ed in primis nell’aumento della coibentazione degli edifici, fondamentale per ridurre le perdite di calore tramite pareti ed infissi, e di conseguenza i consumi per il riscaldamento stesso. Lo studio ha cercato di promuovere il passaggio a risorse e tecnologie rinnovabili, rimanendo nell’ottica futura imposta dalla COP 21 di Parigi, cercando, così, di abbassare (quanto più possibile) la dipendenza da biomasse e combustibili fossili.

La tesi affronta il tema degli effetti dei cambiamenti climatici di medio (2036-65) e lungo periodo (2066-95) sulle prestazioni energetiche degli edifici collocati nelle zone climatiche C e D (clima mediterraneo) e ne analizza l’impatto sulle strategie di riqualificazione energetica dei patrimoni edilizi residenziali costruiti precedentemente all’entrata in vigore della Legge 373/76. Dai primi risultati della ricerca, che concordano con le conclusioni dei principali contributi internazionali sul tema, emerge come, a fronte del prevedibile incremento delle temperature esterne, gli edifici esistenti vedranno un rilevante aumento dei propri consumi per raffrescamento. In particolare, sul lungo periodo, l’incremento di energia richiesto per coprire il fabbisogno estivo, in funzione della tipologia edilizia e del livello di isolamento degli edifici (epoca di costruzione), potrebbe non essere compensato dalla diminuzione del corrispondente fabbisogno invernale, portando ad un incremento dei consumi di energia primaria globale con un conseguente aumento delle emissioni di gas climalteranti a carico del settore civile. Le analisi preliminari svolte per indagare l’efficacia delle misure di efficientamento energetico nell’affrontare i cambiamenti climatici, evidenziano inoltre come negli edifici esistenti non coibentati la priorità di intervento sarà ancora costituita dall’isolamento termico dell’involucro, mentre negli edifici attuali già isolati sarà primariamente richiesto il controllo degli apporti solari. Da queste considerazioni, già avallate da altre ricerche, emerge la necessità di valutare mediante strumenti e metodologie adeguate, gli interventi di efficientamento energetico dei patrimoni edilizi esistenti prendendo in considerazione anche gli effetti dei cambiamenti climatici sulle diverse tipologie edilizie, epoche di costruzione e contesti climatici e microclimatici. La ricerca si propone pertanto di analizzare, mediante la simulazione energetica in regime dinamico, una casistica significativa di modelli edilizi multifamiliari in linea rappresentativi del patrimonio residenziale pubblico (INA-CASA e GESCAL) della Toscana, a cui si ipotizza di applicare le misure di efficienza energetica incentivate dallo Stato e maggiormente diffuse sul territorio nazionale, la cui fattibilità tecnicoeconomica è ampliamente documentata (ENEA). L’importanza del patrimonio edilizio preso in considerazione è dovuta alla sua entità numerica (il 52% della abitazioni italiane è stato costruito nel periodo 1946-1980 e il 63% di queste è collocato in edifici plurifamiliari) e alla sua scarsa qualità energetica, in quanto costruito antecedentemente alla prima norma nazionale sul contenimento dei consumi energetici in edilizia. La rappresentatività del campione scelto è determinata dall’influenza che gli edifici realizzati nell’ambito dei suddetti piani di ricostruzione hanno avuto nel definire l’identità tipologica e distributiva dell’edilizia residenziale italiana del dopoguerra. L’obiettivo della ricerca è, quindi, costituto dalla valutazione delle suddette misure di efficientamento, al fine di individuare quelle in grado di garantire prestazioni energetiche ottimali in funzione dei costi sul medio e sul lungo periodo. Alla luce della prospettiva di lungo termine adottata, la valutazione ha considerato diversi possibili scenari di evoluzione futura dei parametri climatici (intensità del cambiamento climatico) e dei fattori tecnico-economici (vita utile, tasso di sconto, prezzo dei vettori energetici) al fine di individuare le soluzioni più robuste, ovvero quelle che mantengono una validità apprezzabile nel tempo a fronte dei fattori di incertezza ipotizzati, e che quindi meglio di adattano ai possibili valori assunti dagli stessi. La metodologia adottata è analoga a quella sviluppata e condivisa a livello europeo (Direttiva 2010/31/UE, Regolamento UE 244/2012, 2012) per la determinazione dei livelli ottimali di prestazione energetica degli edifici. Tale metodologia è stata implementata in Italia, mediante una ricerca congiunta CTI, ENEA e RSE, finalizzata alla definizione dei requisiti minimi di prestazione energetica per gli edifici nuovi e soggetti a riqualificazione energetica contenuti nel DM 26/6/2015. In rapporto al suddetto lavoro, la presente tesi ha proposto le seguenti implementazioni, al fine di soddisfare gli obbiettivi preposti: - Estensione dell’analisi a località rappresentative delle zone climatiche C e D, che insieme includono quasi la metà degli edifici residenziali italiani, superando la zona E; - Condizioni al contorno climatiche condizionate dagli effetti del riscaldamento globale; - Allargamento dell’analisi tipologica del patrimonio edilizio esistente sviluppata nei progetti europei Tabula-Episcope, al fine di incrementarne la rappresentatività degli edifici campione; - Simulazione della prestazione energetica con codici di calcolo in regime dinamico al fine di valutare più accuratamente gli effetti dell’inerzia termica e dell’irraggiamento solare di particolare importanza in ambito mediterraneo. Dall’analisi combinata dei costi e delle prestazioni energetiche, condotta secondo la suddetta impostazione metodologica, emergono indicazioni che, a prescindere dai valori assoluti, sono utili per evidenziare le tendenze dell'efficacia delle misure di adattamento al cambiamento climatico in clima mediterraneo. Si evidenzia innanzitutto come l’individuazione degli interventi di riqualificazione caratterizzati da un profilo costi/prestazioni ottimale o quantomeno accettabile sia fortemente influenzata dalle caratteristiche tipologiche e tecnologiche dell’edificio, dalle incertezze relative ai comportamenti degli utenti e, infine, dagli scenari economici e climatici ipotizzati. Le differenze, in termini di prestazione energetica e ritorno economico dell’investimento possono essere molto significative e comunque tali da rendere necessaria un’accurata valutazione tesa ad evitare soluzioni di efficientamento non ottimali e soprattutto poco robuste. In generale le elaborazioni dei risultati indicano che le strategie di intervento più valide non si ottengono con l’applicazione di una sola misura di efficientamento (ad esempio la sola sostituzione degli infissi) ma prevedono sempre un’applicazione congiunta e coordinata di più misure di efficienza energetica diverse, articolate su livelli prestazionali adeguati al particolare contesto climatico ed edilizio nel quale si interviene. Se le schermature solari, negli edifici orientati ad Est ed Ovest, e i sistemi di climatizzazione con pompa di calore aria-aria invertibili, impiegati sia in estate che in inverno, mostrano la propria robustezza in tutti gli scenari considerati, maggiormente complessa è la selezione del corretto livello di isolamento termico dell’involucro: per le superfici trasparenti i requisiti di trasmittanza individuati dalla vigente legislazione (DM 26/6/2015) risultano un limite costo-ottimale che nel futuro non è conveniente superare; per l’involucro opaco, invece, gli interventi che considerano spessori di isolamento maggiori di quelli previsti negli edifici a energia quasi zero risultano ottimali nella maggior parte delle situazioni. I risultati della ricerca, elaborati per due modelli di edificio esemplificativi della metodologia, sono stati sistematizzati in un foglio di calcolo, al fine di renderli facilmente consultabili e liberamente implementabili completando l’analisi sulla matrice tipologica o inserendo altre tipologie edilizie. Le indicazioni derivanti dalla ricerca possono essere utilizzabili, al fine di individuare aggiornamenti e correttivi ai limiti previsti dal DM 26/6/2015, nuovi valori da raccomandare per aree climatiche particolarmente interessate dall’incremento delle temperature, ovvero validare i livelli prestazionali dell’involucro e degli impianti nell’ambito della riqualificazione di edifici esistenti. In conclusione tutti gli aspetti analizzati possono avere ricadute interessanti per la revisione di aspetti normativi, anche legati all’incentivazione fiscale degli interventi di efficientamento, e per indirizzare efficacemente le scelte riguardanti la progettazione e l’efficientamento energetico del patrimonio edilizio residenziale esistente. Ciò consente di adottare una politica energetica e una strategia progettuale basata su una visione di lungo periodo che prenda in considerazione anche l’adattamento ai cambiamenti climatici tra altre possibili variabili, considerato che, trascurare del tutto tali aspetti, può portare ad una errata valutazione dei risultati attesi e perfino all’incentivazione e adozione di soluzioni potenzialmente controproducenti.