Living Box – Prefabricated modular wood-house system

English translation from a paper published in 'Bollettino degli Ingegneri n. 6/2016 pp. 3-18'

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Conclusions

The Living Box is an unconventional housing system concept, which can be an effective, cheap and sustainable solution for temporary living needs, also on the medium and long term. Its quality, its formal appearance and its indoor comfort are comparable to those of traditional houses. Despite the temporary use, the energy efficiency is very high as well as the overall building sustainability performances. These properties are checked regardless the Living Box geographic location. So, the project can be seen as a synthesis among the living modularity studies and the current available wood-house technologies.

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Structural hints

Not knowing the Living Box geographic location, the project is intrinsically decontextualized from the structural point of view. As a consequence, it has been necessary check the possibility of install the building in various geographic locations, taking in account at the same time various living units combinations. To this aim, an upper limit of the structure bearing capacity has been established, referred to the steady structural stresses. The upper limit has been calculated in reference to a multi-floors configuration, composed from the vertical overlap of four living units.

The structure bearing capacity, referred to the dynamic structural stresses, also has been calculated, in order to verify the building ability of hold out to the earthquakes stresses. To this aim it has been hypothesized to build the Living Box in the city of Reggio Calabria, that is in a city characterized from a high earthquakes dangerousness. The Italian Institute of Geophysics and Volcanology ranks this city in the “1st seismic zone”, having Peak Ground Acceleration (PGA) beyond 0,25 g (g is the gravity acceleration, having conventional value equal to 9,8 m/s2).

The building is composed from the combination of two different structure typologies:

1 – “A-type” cell: discrete structure, formed by a frame of lamellar timber pillars and beams;

2 – “B-type” cell: continuous structure, formed by a box of lamellar timber crossed plates.

The “A-type” cell frame is formed by GL24H lamellar timber, assembled on-site, whilst the “B-type” cell box is formed by C24 lamellar timber crossed plates, known as “X-lam” or “Cross Laminated Timber”, assembled in factory. The box is split in two different parts, which must be connected on-site, due to the size limit of the standard containers.

The building ability of hold out to the earthquakes stresses has been verified through a finite elements method analysis. The analysis has been carried out compiling some software libraries, specifically developed for the lamellar timber structure components.

The structural stresses, both in the Stati Limite Ultimi (SLU) condition and in the Stati Limite di Esercizio (SLE) condition, have been calculated respectively through two different building models, diversified between them on the basis of the structure stiffness properties. In the first one case (SLU calculation) the structure is modelled as non-deformable, that is without take in account the real operational deformation of the metallic joints. The stiffness of each floor is due both to the lamellar timber plates stiffness and to the junctions one. In the second one case (Stato Limite di Danno - SLD calculation of the shifts) the metallic joints stiffness Kser is calculated in the modelling first stage, and subsequently a virtual material is created, through which are modelled the lamellar timber plates. The mechanical properties of this virtual material are representative both of the timber deformability and of the metal one, in order to define an equivalent cut resistance Geq.

After the lamellar timber frames and plates calculation, have been sized the metallic joints.

The joints among pillars and beams, and these among beams and plates have been calculated on the basis of assembling simplicity and quickness. Respectively, in the first case they are formed by embedded aluminium brackets and junction plugs, whilst in the second case from 45° sloped self-tapping screws.

The joints among the lamellar timber plates which compose the box structure of the “B-type” cells are formed by conventional metallic junctions, as hold-downs, brackets and screws, in order to equilibrate the sliding and lifting pushes due to the horizontal stresses. During the sizing stage has been particularly verified the joints resistance to the building uplift. The finite elements method analysis showed that the first three building floors are strongly stressed, from a structural point of view. Consequently, it is not possible use standard systems for connect the lamellar timber plates among them, as perforated stripes or commercially available hold-downs.

However, the ad-hoc design of brackets able to resist to the building floors stresses has been considered not suitable. The brackets sizes would have been disproportionate in respect to the plates sizes. Moreover, these components would have been expensive in the manufacturing phase and non-manageable in the installation phase.

In order to solve the problem, a continuous floors connection has been calculated, formed by high-resistance threaded bars, which starts from the building foundation. The lamellar timber plates are connected at each floor to the threaded bars through commercially available hold-downs, whilst the vertical junction among the threaded bars is formed by threaded sleeves.

In this way the lifting force pushing on the hold-downs is only that of the specific floor, and the amount of the traction stresses is balanced from the threaded bars. In the on-site installation phase, the component assembly is easy, because the “B-type” cells come to the yard already equipped with hold-downs. So, the component assembly is only the cells overlap and the connection among the specific floor hold-downs and the threated bars.

Finally, the interaction between the bearing structure and the foundation ground has been analysed, considering two different foundation structure configurations: the first one is formed by a reinforced concrete slab, whilst the second one is formed by a reinforced concrete square mesh of T-inverted section beams. The reason of these two configurations is the intrinsic building decontextualization, or rather the lack of specific information about the Living Box geographic location.

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Energy efficiency design

A building is a system that induces impacts at energy, economic and environmental level, both at local scale and at global scale. The control of these impacts is a part of the wider scenario of sustainable development, and can be implemented through the Zero Energy Building concept. Recently, this concept has been transposed from the research field to the regulation field, following the introduction of NZEB requirement as European Union (EU) binding target for the new buildings, starting from 2018/2020.

The NZEB requirement introduction is framed into the EU strategy, aimed to the energy dependence reduction and the greenhouse gases cut. Consequently, it must be understood as a measure useful to energy efficiency increase in the building sector.

The report “Energy 2020 – A strategy for competitive, sustainable and secure energy” indicates that the energy efficiency is the fulcrum of the EU strategy in 2020, finalized to decoupling the energy demand from the economic growth. The report “Action plan for Energy efficiency: realising the potential” highlights the relevant energy efficiency potential economically suitable. The energy efficiency targets achievement, under the condition of cost-efficiency, is one of the most relevant topics that cross the overall EU action in the energy and climate fields.

Starting from these considerations, the Living Box design has been oriented towards a high energy efficiency level, in order to make the design in agreement with the nZEB requirement, which in a short time will be introduced in the building design field. The system energy efficiency is due to the convergence of three design strategies: passive strategies, aimed to control the energy needs for heating and cooling, particularly referred to the building envelope; active strategies, aimed to control the energy needs for heating and cooling, particularly referred to the technical plants; installation of on-site renewable energy sources devices, aimed to minimize the overall Living Box impact.

Lacking specific targets towards which address the design, or rather not knowing the Living Box geographic location, the building energy efficiency has been assessed in three different climate areas: the city of Bolzano, taken as representative of the northern Italy climate; the city of Florence, taken as representative of the central Italy climate; the city of Reggio Calabria, taken as representative of the southern Italy climate. The different latitude of these cities, that is the different climate area, imposes an adaptation of the building envelope and technical plants components, anyway keeping the fundamental design layout. In the northern Living Box version, it has been pay attention to the building envelope thermal insulation, and have been boosted the solar gains through the glazed components, in order to cut the building heating need. Contrarywise, in the southern Living Box version, it has been pay attention to the ventilation rate, and have been hampered the solar gains through the glazed components, in order to minimize the building cooling need.

Building envelope design

In the following are described the main features of the building envelope components.

1 – Beared wall (“A-type” cell): the wall has 22 cm total thickness, and it is formed by a timber frame that supports a double layer of Oriented Strand Board (OSB) panels, having each one 2 cm thickness. In the interspace between the OSB panels is placed a thermal insulation layer, having 16 cm thickness. The wood fibre has been selected as thermal insulation material, in order to meet the thermal transmittance requirements and the thermal capacity requirements. The wood fibre is one of the least environmental impacting materials (as confirmed from its environmental footprint indices PEI, GWP, AP). The wall thermal property can be adapted to the specific climate area in which Living Box is built through the material density variation. The internal wall surface finish is formed by painted plasterboard panels;

2 – Bearing wall (“Type-B” cell): the wall has 32 cm total thickness, and it is formed by a cross laminated solid timber plate, having 10 cm thickness. It is coupled with a thermal insulation layer formed by wood fibre panels, having 10 cm thickness, placed outside. Both the external and internal wall surface finishes are formed by painted plasterboard panels.

3 – Roof covering: the slab has 32 cm total thickness, and it is formed by a timber frame that supports a double layer of Oriented Strand Board (OSB) panels, having each one 1,5 cm thickness. In the interspace between the OSB panels is placed a thermal insulation layer, having 25 cm thickness. The internal slab surface finish is formed by plasterboard panels, whilst the external one is formed by mineralized wood wool, having 4 cm thickness, (beyond the Building Integrated PhotoVoltaics (BIPV) devices, as explained in the paragraph 4.3).

4 – Slab on ground: the slab is similar to the roof covering, but the position of the surface finish is internally/externally inverted;

5 – Windows: the windows are formed by timber frame, having 68 x 80 mm section, and double stratified glazing, having 6/7-15-6/7 mm thickness and low-emissive coating. The thermal transmittance is equal to 1,5 W/m2K.

Some optional components have been developed in order to manage the solar radiation. They are installable on the building as a function of climate needs or architectural needs. Among them there are internal packable curtains and orientable laths brise-soleils. The Living Box is featured from a perimetric projection placed at the roof covering height. Its variable depth, ranging from 0,8 m to 1,2 m, has been sized for each sample city, checking that at the summer solstice the beam solar radiation part is totally shield, whilst at the winter solstice it is totally free, as shown in Figure 15 in reference to the city of Florence.

Technical plant design

In agreement with the current EU strategy, finalized to the energy end-uses electrification, and in order to simplify the technical plant layout, all the building energy demand for heating, cooling and DHW production is supplied from the electricity. The energy end-uses electrification is a EU strategy aimed to connect at the same time the demand side with the supply side both from power generation and from distributed generation, possibly implementing the smart-grid technologies. So, the Living Box sustainability has been understood as alignment with this strategy.

The air-conditioning plant is able to serve as heating, cooling, ventilation, humidification and dehumidification device. In this way it is possible the total control of the indoor thermo-hygrometric parameters and of the Indoor Air Quality (IAQ), giving to the users a high comfort level. The plant is fuelled from an air-air invertible heat pump, through a ducts grid placed at the intrados of the roof covering and some air diffusers. The kitchen and the bathroom are each one equipped with forced extraction fans. The ACS production is fuelled from an air-water heat pump, connected with a boiler having 150 l storage volume.

In the single living unit configuration (single-family detached dwelling), the various devices are placed in one of the two “B-type” cells. In the multiple living units configuration (multi-flats block building), the various devices are placed in one dedicated “A-type” cell, close to the staircase in order to facilitate the link with the flats.

Renewable energy sources devices

The nZEB target implies that a building is able to produce an energy amount almost equal to the one consumed. From a building-grid interaction point of view, it means that the Living Box should put in the grid an electricity amount almost equal to the taken one. Consequently, a photovoltaic plant has been calculated, placed over the building roof (“A-type” cell). As a consequence of the roof planarity the thin-film Cd-Te (Cadmium Tellorum) modules have been detected as suitable technology, because they are able to produce electricity also in non-optimal position. The modules are coupled with aluminium lath, spliced in opera, in order to obtain a continuous layer, which serve both as roof and as energy producer.

The photovoltaic devices placed over the Living Box roof are architectonically integrated in the roof covering (BIPV configuration). The annual electricity production estimation has been carried out through the “PVGIS”, which is a calculator developed from the Joint Research Centre of the European Commission, published at the following URL: http://re.jrc.ec.europa.eu/pvgis/.

The photovoltaic technology is the one way technically suitable for the on-site electricity production, at building scale. The sustainability has been understood as “distributed generation value”, and not as photovoltaic devices Life-Cycle.

The photovoltaic plant is composed from 36 modules, having each 87,5 Wp. The total installed power capacity is equal to 3.150 Wp. From the calculation, it results that the annual electricity production is about 3.710 kWh in the city of Bolzano, 3.860 kWh in the city of Florence and 4.610 kWh in the city of Reggio Calabria. Over the Living Box roof (“B-type” cell) are also installed some solar thermal devices, used as DHW production, sized in order to fuel an approximately 60% average share of the annual DHW need.

Building energy assessment

The building energy assessment has been carried out in compliance with the system standard UNI EN ISO 13790:2008, and in compliance with the related components standards. The calculation methodology is semi-steady. The calculation time-step is one month. The assessment has been carried out both through spreadsheets and on-line calculators. The weather data of the three sample cities are derived from UNI 10349:1994.

The energy assessment outcomes confirmed that the Living Box is able to achieve a high energy efficiency level, that is the energy performance established as target in order to meet the nZEB requirement.

The building energy balance is positive in each of the three sample cities, or rather the Living Box is beyond the nZEB concept, becoming an Energy Positive Building. However, it should be considered that the analysed configuration (single living unit) is particularly favourable, because the ratio between solar surface and climatized area is 1:1. From this point of view, the combination among a series of living units implies an inevitable building energy performance worsening, and consequently a reduction of the overall building electric need supplied from renewable energy sources.

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Living Box environmental performance

The Living Box project can be seen as a paradigm of the sustainable building design concepts. It is addressed towards the achievement of many requirements typical of the sustainable buildings: energy efficiency, materials consumption optimization, low environmental impact from a Lyfe-Cycle point of view, indoor comfort and healthiness, safety during the manutention phase. The one exception to this perspective is the impossibility to customize the relation between the building and its surround, due to the Living Box intrinsic decontextualization.

Most building sustainability requirements can be really achieved regardless the criteria or methodologies used to verify their achievement. As know, indeed, beyond the fundamental principles, the built environmental performances can be assessed through many indices and parameters, also during the design stage, as in the Living Box case.

Overall, the Living Box is able to meet the building sustainability requirements explained in the following paragraphs.

Energy demand minimization during the building lifetime

The energy demand minimization is a fundamental topic in the sustainable buildings field. The main environmental impact of a building, during its lifespan, is due to the energy consumption during the use phase: heating, cooling, Domestic Hot Water (DHW) production, ventilation, illumination, etc. The option of the nZEB concept as project target proves the high energy performance achievable from the Living Box, particularly considering that it is a prefabricated modular wood-house system.

A wood-house system, having the thermal insulation formed by wood too, allows a relevant improvement of the overall building energy performance in hot climates or during the summer time, in comparison to the conventional systems currently used for the temporary housing. Indeed, these systems are characterized by low building envelope mass, that is by low thermal inertia. The building envelope thermal inertia is a relevant requirement in the temporary housing field, because the buildings could be installed also in hot climates. Many worldwide areas in which occur natural disaster, extreme weather events, migrations and urbanization, are characterized from high outdoor temperature and high solar radiation.

The lightness of the building envelope components is suitable to facilitate the carrying and the installation operations. Currently are widespread temporary housing built by metal frames bearing structures, coupled with dry-assembled beared walls. However, it implies a low energy performance from the thermal inertia point of view. The thermal wave delay factor of the conventional systems is approximately 4 hours. Instead the Living Box one is approximately 12 hours (calculated in compliance with the UNI EN ISO 13786:2008 standard). The wood is a material characterized from a high specific heat. Consequently, a thick multilayer panel composed from wood derivatives allows to reach a high building envelope thermal inertia.

Besides the high walls energy performance, also a high windows energy performance has been taken as target in the Living Box design. The design is particularly careful to the solar radiation management. Among the building optional components are included also projections, sunblind, etc. In order to optimize the solar radiation management, the building should be oriented in reference to the specific geographic location, taking in account the latitude and the local South-North direction.

Dry-assembled building components

The use of dry-assembled building components is suitable in order to reach a low environmental impact of the Living Box during its overall Life-Cycle. Only the foundation derogates from this perspective. Indeed, it should be made in reinforced concrete, especially in the locations characterized from a high earthquakes dangerousness. The sustainability of the dry-assembled prefabrication is endorsed from many bibliographic references, which show its environmental impact minimization ability. This topic can be deepened through the following references: Quale et al, Jallion et al, Landolfo e Russo Ermollo, Dattilo et al. Also, reference can be made to the British Society Buildoffsite. These references assess the prefabrication suitability taking in account the energy efficiency, the CO2 emissions, the yard management and the overall building quality.

From one hand, (building cradle) the prefabrication reduces the materials waste and optimizes their costs (in agreement with the TBL concept: environment, economy, society). From the other hand, (building grave) the dry-assembly facilitates the disassembly and the materials reuse or recycle. Particularly, these last option is relevant in the temporary housing field, which is characterized from a basically short lifespan.

Further benefits of the dry-assembled building components are also the installation phase simplicity and the yard phase rapidity. Indeed, the builders safety increases, the installation time decreases as well as the yard fouling. These benefits are common both to Living Box and to others dry-assembled systems, included the “X-lam” typology or the “platform frame” typology wood buildings.

Building materials sustainability

The wood is a low environmental impact building material, also for the energy efficiency that it brings to the building envelope (as explained in the paragraph 3.1). This statement is globally agreeable, despite during the Living Box design stage has not been made an analytical assessment of the wood sustainability. The Living Box thermal insulation layer is formed by wood derivatives. Also, the internal and external surfaces finishes are built in wood-compatible materials. The building envelope components design has been carried out developing for each component typology (e.g. wall, roof, etc.) the layers set able to minimize the materials environmental impact, maintaining unchanged the overall component energy performance.

As positively found in other similar studies and research projects, the developed layers sets are able to minimize the Global Warming Potential (GWP), the Primary Energy Intake (PEI) and the Acidification Potential (AP) indices. These indices have been taken in account individually, without relate the various assessment results to one global index through a normalization procedure.

In this way, it has been possible a compromise between assessment harshness and simplicity, developing a series of building envelope components that are checked as “sustainable” not only from the qualitative point of view but also from the quantitative one.

The materials healthiness performance towards the building users has been verified in compliance with the most rigorous protocols of indoor quality assessment, as GEVEMICODE 1 plus, NaturePlus, Ecolabel, ANABICEA. It, particularly, in reference to the surfaces finishes materials. These protocols are favourable also to achieve the LEED, BREEM, ITACA certifications.

Almost totally building disassembly, as sustainability target

The option of almost complete Living Box disassembly allows to bring back the installation soil to the original engagement, once finished the temporary circumstance to which is due the installation. So, the Living Box lifespan is almost totally reversible, from a soil point of view (and not even from an entropic point of view). This ability facilitates the installation soils detection, even in highly warded contexts, because the building impact on the landscape is minimal.

It is appropriate underline that the soil use, and its permanent or temporary engagement, is a relevant sustainability topic that must be taken in account.

Multi-disciplinary integrated design

Many building eco-labelling schemes, as LEED and BREEAM, boost a multi-disciplinary project vision. The typological, functional, technological, architectural, structural and energy aspects must interact at the same time among them, up to the early design stage. The Living Box originated implementing this project vision, since its design has been the deep analysis of a basic living unit.

The multi-disciplinary integrated design is suitable from the sustainability point of view, because it optimizes the design stage, brings equilibrium, reduces wastes, minimizes the yard variables and risks, and allows a high building affordability and durability.

For these reasons, the Living Box can be considered a sustainable project, despite have not been made specific assessments, as the eco-labelling (although in a preliminary manner). Anyway, the use of low environmental impact building materials and the optimization of the carrying and installation operations, allow to expect a high overall building performance.

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Architectonical and technological design of the Living Box

The design concept has been implemented in a system composed from two cell typologies: an “A-type” cell, having variable planimetric configuration and structurally beared from the “B-type” ones; a “B-type” cell, having fixed planimetric configuration and structurally bearing the “A-type” ones. The bathroom, the plants and the complementary services are inserted into this last cell type. Each “A-type” cell is flanked by two “B-type” cell.

The sizing criteria have been derived from the reference models detected during the preliminary analysis, checking the minimal geometric requirements for households, as the floors area, the rooms height and the aerial-illumination ratio (the daylight factor assessment, also a relevant topic, was not possible because at the design stage are unknow the Living Box geographic location and the possible external shading elements).

A square area having 1,5 m side length has been defined as basic geometric module. The “B-type” cells, serving the “A-type” ones, have net internal height equal to 2,40 m and fixed area surface equal to 1 x 2 modules, that is 1,5 x 3,0 m. The “A-type” cells, served from the “B-type” ones, have net internal height equal to 2,70 m and variable area surface ranging from 2x4 modules to 4x4 modules, that is from 3,0 x 6,0 m to 6,0 x 6,0 m.

The size variability of the “A-type” cell allows to obtain three different living unit configurations, respectively having 18, 28 and 36 m2 net indoor area, beyond the adjacent “B-type” cells areas. A net indoor area equal to 18 m2 is the reference standard size for the temporary housing systems.

A standard utilization pattern has been analysed for each configuration, as one-room dwelling, and also a series of alternatives utilization patterns have been analysed, as multi-rooms dwelling, composed from some living units horizontally and/or vertically combined among them. In this way it is possible configure modulable flats, in compliance with the single-room, two-rooms, three-rooms, etc. typologies. Moreover, the combination among a series of living units, through the insertion of interlinking staircases, allows to obtain multi-flats block buildings, in compliance with the terraced house, linear house, gallery house, etc. typologies.

Materials features. From the preliminary analysis emerged that the prefabricated building industry is currently based on two reference materials sets: multilayer panels having steel framed bearing structure and multilayer panels having timber-plated and/or timber-framed bearing structure. Both these sets are suitable for the Living Box project. Anyway, the project has been developed using the wood as main building material, because it represents an optimal convergence between structural performance and energy performance.

Prefabrication features. The Living-Box is given by two different prefabrication modalities: the “A-type” cells are afferent to the surfaces modality, more flexible, whilst the “B-type” cells are afferent to the volumes modality, less flexible. The choice is due respectively to the high level of compactness and functional seriality that characterizes the “B-type” cells, and to the customizability and functional adaptability that characterizes the “A-type” cells.

The resulting housing system has been checked through the detailed design at architectural, structural and energy level of a single-family detached dwelling, in a standard use pattern. This living unit is composed from a day/night room, flanked by a toilet box on the one side and by a kitchen box (coupled with technical plants casing) on the other side.

The timber bearing structure is framed in the “A-type” cell, and it is plated in the “B-type” cell. This structure is clad from the building envelope components, that is multilayer panels and windows, so to make complete the living unit.

All the building components have been sized in order to be carried through one or more containers “High Cube 40”, having 40 foots length (equivalent to 12,20 m).

Consequently, it is possible their carrying by cargo ships, freight trains and camions. This potentiality highlights the “mounting box” concept as intrinsic property of the Living Box.

The system assembly can be summarized in eight steps:

1) placing of the foundation curbs (built in reinforced concrete, also in prefabricated curbs removable at end-life);

2) placing of the foundations timber beams, over the foundation curbs;

3) placing of the foundation timber slabs, fixed on the foundation beams;

4) placing of the “B-type” cells;

5) placing of the “A-type” cells bearing structure;

6) placing of the roof covering;

7) placing of the walls (multilayer panels) and the windows;

8) completion with internal and external optional components.

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Context and building design framework

The preliminary analysis, needful in order to recognize the context of the Living Box project, has been oriented toward the building design concepts both at contemporary level and at historical level. From this analysis emerged that a generic housing system is framed into a series of modularity criteria, and it is based on sizes referred to a single-family living unit, autonomous and complete (basic living unit). The combination of some living units allows to form composite configurations.

From a sectoral screening of the building industry emerged that the current trend is dominated from single-family living units, which are aggregable among them in many configurations, and constructively set to surfaces or volumes prefabrication. So, the building design concepts and the building industry trend seem convergent between them.

The yard and installation phases analysis has shown that the volume prefabrication is faster than the surfaces prefabrication. However, a volume typology imposes some liens from the building adaptability and management point of view. The carrying phase of the building components also has been analysed, particularly focusing on the maximum size allowable for the boxing into standard containers, in order to improve the handling and the stocking operations. It is necessary that the benefits deriving from the high prefabrication level are useful not only during the installation phase, but also during the overall production chain, from the industry to the yard.

Following the sectoral screening, the modular building concept has been framed into a logic scheme, which highlighted that a generic building is a very complex system for users, locations and technologies, despite its prefabrication. From this consideration have been derived some guidelines useful during the project development.

The lack of specific targets toward which address the Living Box, or rather not knowing the users neither the locations, has made necessary keep a design degree of freedom, in order to allows the functional flexibility. So, the project main target has been to design a prefabricated modular wood-house system, autonomous from the structural and plants point of view, aggregable in some living units to form composite configurations.

Living Box – Prefabricated modular wood-house system

English translation from a paper published in 'Bollettino degli Ingegneri n. 6/2016 pp. 3-18'

Introduction

The availability of simple and versatile housing systems is becoming progressively a necessity, due to the frequency and intensity growth of occurrences that put in crisis the traditional housing concepts. Natural disaster, extreme weather events, migrations and urbanization are widespread phenomena, which must be faced rapidly and through reversible solutions. That is, solutions that are able to adapt itself continuously to the phenomena variations. At the same time, the environmental requirements and the sustainable development issues impose that a generic housing system be built implementing the criteria of minimum impact regarding the materials and the energy consumption, the greenhouse gases emissions and, more generally, the overall Life-Cycle, whatever is its lifespan.

The “Sustainable Buildings” (SB) can be understood as complex socio-technical systems. The “Triple Bottom Line” (TBL) vision identifies the “sustainability” concept in the integration of three macroareas: environment, economy, society. Applying this vision, it is possible read the temporary housing concept as follows:

1) society: the housing system is specifically conceived for solve immediate population needs;

2) economy: the housing system is based on seriality and industrialization criteria, in order to minimize the costs of production, carrying, installation, etc…;

3) environment: the housing system is designed implementing energy efficiency criteria and it is built using low impact material, almost totally reusable and recyclable.

In this context originated the topic of the paper: define a temporary housing system framing it into a multi-disciplinary design vision, that is linking among them the architectural, structural and energy fields. The result is a prefabricated modular wood-house system, characterized from functional flexibility, construction quickness and energy efficiency.

The system has been called “Living Box”. This name wants highlight from the one hand the main system purpose, that is a living space, and from the other hand the reference system configuration, that is a “mounting box”.

The paper presents the results of a technical insight based on a master thesis dissertation, which has taken place in the University of Florence in 2014, into the master degree course in Building Engineering.

Living Box – Prefabricated modular wood-house system

English translation from a paper published in 'Bollettino degli Ingegneri n. 6/2016 pp. 3-18'

Abstract

The functional flexibility and the construction quickness of housing systems are becoming a necessity. The traditional living concepts are put in crisis from frequency and intensity of natural disasters, extreme weather events, migrations and urbanization. In this context, the paper's idea is to define a temporary housing system, based on a multi-disciplinary design approach. The complex aspects related to the architecture, the structure and the energy are interconnected among them. The result is a prefabricated modular wood-house system, characterized by construction quickness, functional flexibility and energy efficiency. Leitmotif of the project is the sustainability, applied in the various aspects that characterize it: energy efficiency, building components prefabrication (to make easy their reuse and recycle), wood as building material in its various technologies, indoor comfort and healthiness. Lacking specific targets towards which address the design path, or rather not knowing the end-users, nor the location of the building, it has been maintained a degree of freedom, both at architectural and at structural level. The overall aim has been to design a prefabricated modular wood-house system, structurally and functionally autonomous, and spatially combined in several living units to form composite configurations. The paper describes the main features of the Living Box and the results of its technical analysis.

The carried-out analysis shows that, from a macrosectorial and demand side point of view, during the 2000-2010 period the final energy demand configuration in the EU remained almost unchanged. Furthermore, from a supply side point of view, it shows that, during the same period, a fuel-switching from oil to coal and gas happened, and an end-uses electrification happened. Instead the RES penetration progressed at low growth rate.

The EU is committed to cut its GHG emissions in 2050 of 80-95% in comparison to 1990. The currently implemented measures, aimed to achieve the “20-20-20” targets, are ambitious but not enough to reach the EU energy sector decarbonization, because in 2050 they allow a 40% GHG emissions cut in comparison to 1990. As foresight in the “Impact Assessment” document, developed to explain the “Energy Roadmap 2050” strategy, it is necessary a deep modification of the EU energy sector configuration, pointing to: energy efficiency, RES, nuclear, CCS. This deep modification directly affects the final energy demand: the overall absolute value should decrease, and the electricity and the RES should become the main supply energy carriers. The final energy demand reduction is, together with the fuel-switching from fossil fuels to RES, one of the main cards available to the EU to influence the global energy market and to ensure the supply security in the medium and long term. In the households and services sectors a thermal final energy demand decrease and an electric final energy demand increase are foreseen. The progressive end-uses electrification is aligned with the growth trend of electric end-uses, that is appliances and air-conditioning, mostly in the Mediterranean Europe. Also, it is aligned with the aim of exceed beyond the 20% in 2020 the RES share in gross final energy consumption, until to reach a 50% share in 2050. This aim is function of an electrical-RES widespread, mostly due to photovoltaics and onshore/offshore wind capacity installations.

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[ ] Communication from the Commission to the European Parliament, the Council, the European Economic and Social Committee and the Committee of the Regions – Energy Roadmap 2050, COM(2011) 885 final, European Commission, 2011.

[ ] Commission Staff working paper – Impact Assessment Accompanying the document: “Communication from the Commission to the Council, the European Parliament, the European Economic and Social Committee and the Committee of the Regions – Energy Roadmap 2050”, SEC (2011) 1565 final, European Commission, 2011.

The RES play a primary role in Energy Roadmap 2050, representing one of the four decarbonization strategies. The RES penetration is relevant in all scenarios.

The overall final energy demand fuelled from RES is different among scenarios. In 2050 the RES reach a 75,2% share in the “High RES” scenario, and a 55% share in the others decarbonization scenarios.

Regarding the heating/cooling final energy demand, the RES fuelled share, both from distributed generation and from district heating/cooling, should increase from the 20% in 2020 to 25% in 2050 in the Reference Scenario, to 55% in 2050 in the “High RES” scenario and to 45% in 2050 in the others decarbonization scenarios.

The thermal final energy demand in the households and services sectors should decrease. The overall final energy demand increase is due to the industry sector.

During the 2005-2050 period the electric final energy demand should increase in all scenarios and in all sectors, except the services sector. This occurrence is more deep in the Reference Scenario, and less deep in the “Energy Efficiency” scenario.

The final energy demand increase in the buildings sector is due to the fuel-switching from fossil fuels to electricity in the heating plants, and from the widespread of the appliances end-use. In the households sector prevails the final energy demand increase, whilst in the services sector prevails the energy efficiency increase.

The EU is committed to cut its GHG emissions in 2050 of 80-95% in comparison to 1990. The overall strategy is presented in the European Commission Communication “Roadmap for moving to a competitive low-carbon economy in 2050”. The effects and the implications for the energy sector are analysed in the European Commission Communication “Energy Roadmap 2050”. The analysis is carried out under the condition of ensure the energy supply security and the competitiveness. The measures currently implemented in order to achieve the “20-20-20” targets are ambitious but not enough to decarbonize the EU economy, because they allow in 2050 a 40% GHG emissions cut in comparison to 1990. The investments in the energy sector need time for give results. The “Energy Roadmap 2050” document explores different decarbonization scenarios of the EU energy sector, as support to the measures that should be implemented and to the medium and long term investments.

The “Impact Assessment” document, published as a complement of the “Energy Roadmap 2050” document, describes seven different configuration scenarios of the EU energy sector, developed through PRIMES model. Five scenarios are developed starting from the same demographic and macroeconomic (sectorial) bases, that foresight a transition from the current phase of high operational costs to a future phase of high investment costs. They are diversified from each other for the different combination of the decarbonization strategies.

1) Reference Scenario: the scenario is based on the current trends and on the long-term economic growth foresights. It takes in account the EU energy-policy implemented until 2010, comprising the “20-20-20” strategy;

2) Current Policy Initiatives: the scenario is based on the Reference Scenario widening, in order to take in account the proposed or adopted strategies complementary to the “20-20-20” strategy and beyond the 2020;

3) Energy Efficiency Scenario: the scenario is based on a deep application of the energy efficiency strategies in all the energy sectors, and on a strong reduction of the primary energy consumption;

4) Diversified Supply Technologies: the scenario is based on the hypothesis that the competition among energy sources be driven through market rules, without support measures for the energy efficiency and for the RES;

5) High RES: the scenario is based on the hypothesis of a high RES penetration in all energy sectors. In the power sector, the installed capacity should reach 1.900 GW (eight time than currently);

6) Delayed CCS: the scenario is based on the hypothesis of limited CCS implementation, due to transport and storage problems, and of widespread nuclear use;

7) Low Nuclear: the scenario is based on the hypothesis of limited nuclear use, due to risk perception and waste management problems, and of widespread CCS implementation.

The final energy demand remains almost unchanged in the Reference Scenario and in the Current Policy Initiatives scenario, and strongly falls in the decarbonization scenarios.

The Energy Efficiency scenario foresights a 14% decrease in 2030 and a 40% decrease in 2050, in comparison to the Reference Scenario. In comparison to the same scenario, the decarbonization scenarios foresight at least a 8% decrease in 2030 and at least a 34% decrease in 2050. In these scenarios, the electricity becomes the main energy carrier that fuels the final energy demand. The achievement of the energy sector decarbonization is function of the power sector decarbonization. In the Energy Efficiency scenario the final energy demand reduction in the households and services sectors is respectively – 47% and – 44% (overall – 36%).

In comparison to the Reference Scenario, the Energy Efficiency scenario foresights an overall final energy demand reduction of 20% in 2030 and 43% in 2050 in the households sector, and of 25% in 2030 and 53% in 2050 in the services sector.

The “Impact Assessment” document indicates that the decarbonization achievement needs a strong drop of the EU economy energy intensity and carbon intensity. The first parameter represents the energy consumed to produce one unity of Gross Domestic Product (GDP), and the second parameter represents the GHG emitted to produce one unity of GDP. The drop should be reached through RES, nuclear and CCS. In comparison to 1990 the decarbonization scenarios foresight in 2050 an energy intensity drop ranging from 73% to 76%, and a carbon intensity drop ranging from 76% to 78%.

The supply side analysis shows that the scenarios are strongly differentiated among them for the fuel-switching deepness from oil and gas to electricity and RES. In Figure are illustrated the minimum and maximum levels foreseen in 2030 and in 2050 for each energy carrier.

In the Reference Scenario the oil drops 16-17% in 2050 in comparison to 2005, and the gas drops 31-33% in comparison to the same year. In this scenario the fossil fuels continue to play a primary role, fuelling over half of the overall final energy demand, whilst the electrification and the RES penetration growth at low rate. In 2050 the electricity growth is 44-46% in comparison to 2005, and the RES growth is 84-92% in comparison to the same year. In the decarbonization scenarios the oil drops 63-65% in 2050 in comparison to 2005, and the gas drops 48-51% in comparison to the same year. In these scenarios the fossil fuels go to play a secondary role, fuelling less than one third of the overall final energy demand, whilst the electrification and the RES penetration growth at high rate. In 2050 the electricity growth is 72-92% in comparison to 2005, and the RES growth is 386-512% in comparison to the same year.

In a worldwide perspective, the Figure, based on British Petroleum data, shows the “financial crisis 2008-2012” effect on the fossil fuels prices in the global market. This effect inverted the growth trend started at the beginning of the XXI century, after a stability decade. During the crisis, the oil (Brent index) has been less stable than the gas and the coal. Starting from 2010 the growth trend is again lining up to the one before the crisis.

The fossil fuels prices in the global market affect the energy costs, both in the primary energy carriers consumption and in the secondary energy carriers production. At EU level the effects of the global market during the crisis have been deeper for the gas in comparison to the electricity. The gas price higher sensitivity is mainly due to the EU energy dependence, which in 2009 was beyond 60% of the gross inland consumption. The electricity price lower sensitivity is mainly due to the power sector mix configuration: in 2010 the thermoelectrical share was about 50%, whilst the nuclear share 30% and the RES share 20%. Furthermore, the thermoelectrical production is fuelled for over half from coal, the more stable fossil source, and marginally from oil, the less stable fossil source.

The households sector analysis has been carried out taking in account both the demand side and the supply side. The combination of Eurostat data and Odyssee data shows that the heating is the main energy end-use. The complementary share is split among Domestic Hot Water (DHW) production, cooking, illumination and appliances. During the 2000-2012 period the overall final energy demand remained almost unchanged. In this period the heating need decreased while the illumination and appliances needs increased.

According to Odyssee data, during the 2000-2012 period the average EU annual growth of the households sector final energy demand has been equal to 1,8%. The energy savings in this sector, cumulated from 1990 to 2012, are equal to 110 MTOE. They are due to the energy efficiency increase and to the users behaviour awareness, as a consequence of the energy costs rise.

During the 2000-2012 period the overall energy consumption amount remained almost unchanged. The energy efficiency increase has been compensated from the final energy demand increase, due to some factors: urban expansions; rise of the flats average area (in East Europe countries); installation of air-conditioning devices (in Mediterranean Europe countries); widespread of appliances.

In 2012 the appliances are the main share of electric final energy demand in the households sector. The heating is the sequent share, mostly due to France and Scandinavian countries. The complementary share is split among lighting, DHW production and cooking.

The air conditioning is relevant only in Malta, Cyprus, Bulgaria, Italy, Spain, Slovenia, Greece and Portugal (about 10% of the overall electricity consumption).

During the 1998-2008 period the average EU annual growth rate of electric final energy demand due to lighting and appliances has been equal to 1,2%/year. The lighting represents about 15% and the appliances about 85%. In 2012 the market share of Class A or higher appliances has been beyond 90%. In 1998 the same market share was 10%. The energy savings consequent to Class A widespread are compensated from the increase of average devices number for each flat/dwelling. Similarly, the energy saving consequent to installations of “Compact Fluorescent Lamp” has been compensated from the increase of average lighting points for each flat/dwelling.

In the countries where it is used, the air conditioning presents high growth rates: beyond 30% in Slovenia, during the 2000-2008 period; beyond 45% in Bulgaria, during the same period. The “split” devices are about 95% of the air conditioning devices market, in the sector of cooling capacity less than 14 kW. The average energy efficiency of “split” devices is increased about 30% from 2002 to 2009.

The surveys presented from Odyssee are in agreement with those presented from Joint Research Centre (JRC), related to 2009. The surveys show that the electric final energy demand in the households sector (about 820 TWh) is almost equal to that one in the services sector (about 867 TWh). The split of the electric final energy demand by sectors and by end-uses indicates that the main share are the appliances, not the air conditioning.

From the combination among Eurostat, Odyssee and JRC data it results that in the current average EU final energy demand of the buildings sector the fossil fuels consumption for heating is prevalent, and the electricity consumption for appliances is relevant. During the 1990-2012 period this configuration remained almost unchanged on the demand side. In the same period the shares of fossil fuels have been changed on the supply side. The gas share increased, whilst the coal and oil shares decreased. In general, the heating trend shrinks and the appliances trend growths.

During the 2004-2013 period the RES growth rate has been equal to 7,5%/year, related to the overall final energy demand. During the 2000-2012 period in the buildings sector the electrification average growth rate has been equal to 2,6%/year, related to the overall final energy demand, higher in the services sector and lower in the households sector.

According to Eurostat data, the buildings sector final energy demand represents the 40,6% of the EU overall final energy demand. The complementary share is split between the industry sector and the transport sector, respectively 25,1% and 31,6%, and agriculture sector (marginal). During the 1990-2013 period the industry trend decreased, while the buildings and transport trends increased. During this period, the overall energy consumption remained almost unchanged.

According to the same data, the buildings sector electricity final energy demand represents the 61,6% of the EU overall electric final energy demand. The complementary share is split between the industry sector and the transport sector, respectively 36,0% and 2,3%. During the 2000-2013 period these shares remained almost unchanged. During the same period the overall energy consumption increased.

In the buildings sector, over half of the overall final energy demand increase is due to the electric final energy demand increase. The share fuelled from RES is marginal.

In compliance with the research project “Odyssee”, related to the EU energy efficiency indicators, the buildings sector analysis has been carried out splitting it in the households sector and the services sector. The Odyssee data show that in 2012 the households sector represents the 74% of the overall buildings stock, of which 66% are dwellings and 34% are flat blocks, and the services sector represents the 26%. The EU average value of energy need in the services sector, 286 kWh/m2year, is higher than the one in the households sector, 185 kWh/m2year.

The split among energy carriers of the overall final energy demand shows that in the households sector the gas is the main energy carrier, and the electricity is the sequent. Both are increased from 1990. During the 1990-2012 period the end-uses shares fuelled from district heating and biomass remained almost unchanged. In this period happened a fuel-switching from fossil fuels to electricity, and from coal and oil to gas.

The split among energy carriers of the overall final energy demand shows that in the services sector the electricity is the main energy carrier, and the gas is the sequent. Both are increased from 1990. During the 1990-2012 period the end-uses shares fuelled from district heating and biomass remained almost unchanged. In this period happened a fuel-switching from fossil fuels to electricity and from coal and oil to gas.

The main targets of the European Union (EU) strategy in the climate and energy fields are the Green House Gases (GHG) emissions cut and the energy dependence reduction, in order to ensure the supply surety on the medium and long term, and to fulfil the international commitments, both respect to the Kyoto Protocol and respect to the United Nation Framework Convention on Climate Change (UNFCCC).

The final energy demand reduction is, together with the fuel-switching from fossil fuels to Renewable Energy Sources (RES), one of the main cards available to the EU for influence the global energy market, and for ensure the supply surety on the medium and long term. Also, the final energy demand reduction is suitable to achieve the targets established from the EU in 2020 through the “20-20-20 Package”: 20% GHG emissions cut in comparison to 1990; 20% RES share in gross final energy consumption; 20% energy efficiency increase.

The report “Energy 2020 – A strategy for competitive, sustainable and secure energy” indicates that the energy efficiency is the fulcrum of the EU strategy in 2020, aimed to decoupling the energy consumption from the economic growth. The report “Action plan for energy efficiency: realising the potential”  underlines the high energy efficiency potential currently available. The energy targets achievement under the condition of parallel economic effectiveness is a very relevant topic across the EU policy in the climate and energy fields.

Aim of the paper is the EU final energy demand analysis, both in the current configuration and in the 2050 foreseen configuration, through a macrosectoral criteria based on statistical and surveys data and reports published from the European Commission. The analysis is carried out focusing on the buildings sector, and highlighting the RES role.

The main targets of the EU strategy in the climate and energy fields are the GHG emissions cut and the energy dependence reduction, in order to fulfil the international commitments and to ensure the supply security in the medium and long term. The EU is on track to the “20-20-20” targets achievement, although the speed is different among Member States. Anyway, these targets aren’t the point of arrival, but only an intermediate stage, because already were established farther away time horizons, that is the “2030 Framework” and the “2050 Roadmap”.

The GHG emissions cut target achievement is the closest, whilst the energy efficiency increase target achievement is the farthest. The currently implemented measures aren’t deep enough to completely develop the EU energy efficiency potential (the main driver of the EU energy sector modification). For this reason, has been necessary the publication of a specific Directive, which should give all the economic macro-sectors towards the targets achievement in a cost-effective manner. However, have been found some market and regulation drawbacks. Currently, their overcoming is a priority in the Energy-Policy EU agenda.

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The report COM 2010 639 final “Energy 2020 – A strategy for competitive, sustainable and secure energy” is the background of the 2012/27/EU Directive publication. The report underlines that: 1) the energy interconnection among Member States must be managed through an overall EU action; 2) despite the aims of the EU energy-policy measures, there are many implementation problems. The report delineates five actions in order to converge towards an energy efficient use, such as it allows the energy efficiency increase set in 2020:

1) implementation of EU energy efficiency measures;

2) realization of an EU integrated energy market;

3) improvement of the end users responsibility and awareness;

4) widening of the EU leadership in energy technologies and innovations;

5) strengthening of the EU energy market over the extra-EU countries.

The “Energy Efficiency” Directive implements these five actions.

According to Eurostat data (available in 2015), during the 2001-2013 period the EU energy dependence has increased of 6%. That is, the annual growth rate has been equal to + 1,03%, and its trend foresights a further increase. At the same time, during this period the gross inland energy consumption has decreased of 60.522 MTOE. That is, the annual de-growth rate has been equal to – 0,24% and its trend foresight a further decrease. From these trends it results that, until now, the energy dependence increasing prevailed on the gross inland energy consumption decreasing, and therefore that the implemented energy efficiency measures have not been deep enough.

According to Eurostat data, in 2012 the fossil fuels represented the 74% of EU gross inland energy consumption, as shown in Figure 8. It is foresighted that they continue to be dominant in the medium and long term. The main worldwide confirmed reserves of fossil fuels are placed in extra-EU Countries, sometime involved from geo-political problems. Consequently, the supply security is not guarantee. The EU gross inland energy consumption of fossil fuels is basically unchanged, slightly decreasing, whilst the EU energy dependence increases.

Until now, the “fuel-switching” has affected almost exclusively the oil and its derivatives. The demand side is stable, whilst the supply side is moving from domestic production to import. This circumstance weighs down the EU economy competitiveness.

The EU strategy aimed to the energy dependence reduction and to the supply security guarantee can be synthesized in two “main concepts”, projected respectively the first one toward the short term and the second one toward the long term: the energy efficiency, in the 2020 perspective; the “fuel-switching” from fossil fuels to RES, in the 2050 perspective.

The energy efficiency concept is useful in order to decouple the energy demand from the economic growth. From this point of view, the main assessment parameters are the “energy intensity of economy” and the “economic productivity of energy”. The first one is the yearly ratio between the gross inland energy consumption and the GDP (Gross Domestic Product), and it is measured in TOE/€. So, it represents the energy consumed producing 1 € of GDP. The second one is the yearly ratio between the GDP and the gross inland energy consumption, and it is measured in €/TOE. So, it represents the GDP produced consuming 1 TOE of energy. During the 2002-2013 period the energy intensity of EU economy has decreased of 15,9%. At the same time, during this period, the economic productivity of EU energy has increased of 20,3%. This occurrence underlines the progressive achievement of the decoupling target.

Form an energy-policy point of view, the 2012/27/EU Directive is aimed to take the energy efficiency potential intrinsic to all economic macro-sectors, as outlined in the Energy Efficiency Plan published in 2011 from the European Commission. The “20-20-20” target should bring to a EU energy-mix reconfiguration. However, there are still some factors, as market and regulation drawbacks, that could hinder the effective achievement of the potential, because the market of products, building and services energetically efficient is not developing fast enough.

Main market drawbacks:

- the energy products costs not are representative of the overall societal costs due to environmental pollution, GHG emissions, resources consumption and geo-political problems;

- sometime the investor in energy efficiency is not the beneficiary of the investment;

- the market agents not push the end user toward the energy efficiency, in order to not curtail their trade volume.

Main regulation drawbacks:

 an overall energy-policy framework, integrated among Member States, lacks;

 the continuous variation of the regulation makes hazardous the energy efficiency investments;

 often the energy efficiency topic is considered only from a technical point of view, and not also from an economic point of view.

Furthermore, from the analysis of the current energy products market, and also of the configuration changes both on the demand side and on the supply side, it results that the “rebound effect” is widespread. This means that the products energy efficiency increases, but at the same time the overall energy consumption due to their use also increases, since their use intensity growths. The “rebound effect” is due to the raise of the comfort and living standard of the end users, and to the modification of their behaviour. Consequently, the energy efficiency potential of some products and/or some sectors could be annihilated from this effect.

In the following are analysed the trends of the three “20-20-20 Package” main parameters: GHG emissions; RES share in gross final energy consumption; primary energy consumption. The graphics are drawn starting from Eurostat statistical data. The data availability period extends from 1990 to 2013 for the first and the third parameter, and from 2004 to 2013 for the second one. The trends are analysed both at EU level and at Italy level.

The overall GHG emissions in EU are decreased from 100% in 1990 (conventional reference year) to 82,13% in 2012. So, the 2020 target achievement is close. At the same time, the overall GHG emissions in Italy are decreased from 100% to 89,93%. The Italy situation is lagging behind the EU average, and the 2020 target achievement is far. It should be underline that the overall EU value derives from the Member States average. In some countries, as Portugal and Spain, the emissions are increased in comparison to 1990 (115-120% in 2012). In others countries, as France and Italy, they are slightly decreased (about 90% in 2012). In more others countries, as Germany and United Kingdom, they are heavily decreased (about 75% in 2012).

The 20% RES share in gross final energy consumption is an overall EU average target. The starting points are different among countries. For example, in 2005 the RES share was 40,5% in Sweden, 1,4% in United Kingdom and 5,8% in Italy. Similarly, the growth potentials are different among countries, due to geographic, climatic and economic conditions. The Annex I of the 2009/28/EC Directive allocates among Member States the overall EU average target. For example, in 2020 the RES share should be 49,0% in Sweden, 15% in United Kingdom and 17% in Italy.

The 17% RES share in gross final energy consumption is an overall Italy average target. The starting points are different among Regions. In the reference year (virtual year resulting from the combination of the values during the 2005-2009 years) the RES share was 51,6% in Valle d’Aosta, 2,0% in Emilia-Romagna and 6,2% in Toscana. Similarly, the growth potentials are different among Regions, due to geographic, climatic and economic conditions. The Decreto 15 marzo 2012 “Burden Sharing” allocates among Regions the overall Italy average target. For example, in 2020 the RES share should be 52,1% in Valle d’Aosta, 8,9% in Emilia Romagna and 16,5% in Toscana. The RES penetration in EU is progressively growing at 0,74% annual rate. The Italy is approximately in line with the EU.

The energy efficiency increase corresponds to an annual primary energy consumption reduction. For this reason, the Eurostat publishes only EU overall data, and not Member States split data. The EU primary energy consumption is progressively decreased from 2005 (reference year) at – 1,04% annual rate. However, the 2020 target achievement seems still far.

In summary, the statistical data analysis shows that the GHG cut target is the closest, whilst the energy efficiency increase target is the farthest. Since the “2020 Package” does not regulates directly the energy efficiency issue, it has been necessary a specific EU action, which has led to the 2012/27/EU “Energy Efficiency” Directive publication.

a) 2020 Package

The “2020 Package” is a set of binding commitments, aimed to assure that in 2020 the EU achieves the following targets:

- 20% GHG emissions cut in comparison to 1990;

- 20% RES share in gross final energy consumption;

- 20% energy efficiency increase.

Currently, in EU takes place an evolution towards a high energy efficiency and low carbon intensity economy. The “20-20-20 Package” represents an integrated policy vision in the climate and energy fields, aimed to mitigate the climate change, assure the EU supply security and strength its competitiveness at global level. Moreover, it is the fulcrum of the “Europa 2020” strategy, oriented towards an intelligent, sustainable and inclusive development.

The four main pillars that structure the “2020 Package” are:

1) reform of the EU ETS: the EU ETS is the key-driver to reduce the industry sector GHG emissions in a cost-effective manner. The “2020 Package” establishes an overall reform of this system, as well as the deepening of the 2009/29/EC Directive “Emission Trading”. The fundamental innovation is the introduction of a single EU cap in place of the current country caps. The free emissions allowance should be progressively replaced by an auction mechanism, starting from the power sector;

2) country targets for the GHG emissions from non-ETS sectors: through the 406/2009/EC Decision “Effort Sharing” the Member States have taken as commitment a set of country binding targets, aimed to reduce its GHG emissions from non-ETS sectors, as the buildings and the transport sectors. About 60% of the overall EU emissions is generated from non-ETS sectors. The country targets are differentiated among them;

3) country targets for the RES: through the 2009/28/EC Directive “Renewable Energy Sources” the Member States have taken as commitment a set of country binding targets, aimed to increase its share of energy consumption supplied from RES. These targets reflect the different starting points and the different RES production potentials among Member States. They should allow to the EU the achievement of an overall target of 20% in 2020;

4) Carbon Capture and Storage: the 2009/31/EC Directive “CCS” establishes a reference framework for an environmental safety CCS technologies implementation. The CCS happens through the industry sector emitted CO2 capture, and its storage in underground sites, thus avoiding the impact on the global warming.

b) 2030 Framework

The “2030 Framework” is aimed to make the EU economy and energy sector more competitive, safe and sustainable. It confirms the three targets established from the “2020 Package”, and raises their deepness:

- 40% GHG emissions cut in comparison to 1990;

- 27% RES share in gross final energy consumption;

- 27% energy efficiency increase.

The GHG emissions cut is considered as a priority, because the increment between 2020 and 2030 is equal to 20 percentage points in comparison to the same reference year (1990), that is from 20% to 40%. Instead, the others two targets slightly rise from 20% to 27%. The priority is due to the desirable convergence with the ambitious target set in 2050, described in the following point C). The GHG emissions cut is the only one among the three targets for which have been established thresholds beyond 2030. The 2030 targets take in account the necessary agreement between environmental needs and economic needs, that is, the targets achievement in the energy and climate fields should not hamper the EU economy development and competitivity.

c) 2050 Roadmap

Through the document “Roadmap for moving to a competitive low-carbon economy in 2050”, the European Commission has look beyond the short term period, and has put in place a cost-effective vision aimed to achieve in 2050 a 80% GHG emissions cut in comparison to 1990 (40% in 2030 and 60% in 2040). The emerging scenario indicates a complex but unavoidable evolution towards a “Low Carbon” society. According to the projections, this evolution should strengthen the EU economy, due to the growth in innovations and “green” technologies. In a perspective of agreement between environmental needs and economic needs, the GHG emissions cut should be allocated among the macroeconomic sectors in a cost-effective manner. That is, each sector should contribute as a function of its technological and economic potential.

The “20-20-20 Package” is the first deep widespread action carried out from the EU in the climate and energy fields. It originates from the complex and controversial topic of the climate change. Climate change means a series of meteorological, biological, geographical observations that, in combination among them, show a global drift of the natural ecosystems equilibrium. The majority of the international scientific community indicates the anthropic activities as the fundamental reason of the climate change. The EU is in agreement with this perspective.

The climate change, its effects and its consequences, are currently widespread debated topics. Is not aim of this paper contribute to this debate. So, in the following is considered only the point of view expressed from the EU.

The carbon dioxide (CO2) atmospheric concentration is one of the main parameters to assess the climate change. The CO2 is a greenhouse gas that hampers the reradiation to the cosmos of the sun energy reflected or absorbed and reradiated from the earth surface. The greenhouse effect generates an increase of the earth surface global average temperature. For this reason, the CO2 has been detected as greenhouse gas. During the 1960-2015 period has been observed a 30% increase of the CO2 atmospheric concentration, and its trend shows as probable a further increase. It is estimated that the CO2 generates about two-thirds of the global warming due to anthropic activities. One of the main sources of the CO2 emission in atmosphere is the fossil fuels burn, whilst the deforestation reduces the natural ecosystem ability to storage CO2 in the plants. The nexus between fossil fuels burn and CO2 atmospheric concentration increase is evident considering that during the 1950-2000 period the fossil fuels consumption is increased about 300%.

The global action for the GHG emissions cut has as fundamental commitment the Kyoto Protocol. It regulates the emissions of six chemical compounds: carbon dioxide, methane, nitrogen dioxide, hydrofluorocarbons, perfluorocarbons and sulphur hexafluoride.

The global average temperature of the earth surface is increased of 0,85 °C from the beginning of XIX century. The GHG emissions due to anthropic activities are the main reason of the global warming. The awareness of the risk due to the global warming induced the international community to set as limit a 2 °C increase respect to the global average temperature during the 1850-1990 period. However currently, if does not take place drastic measures for GHG emissions cut, the temperature increase could reach 5 °C by the end of XXI century.

Some evident consequences of the global warming are the glaciers melting, the sea level rising and the extreme meteorological occurrences. These occurrences produce direct dangers for the population health and safety, whilst the properties and infrastructures damages force high societal and economic costs. Under the natural ecosystems perspective, the climate change happens so fast that many animal and vegetable species have adaptation problems. It is estimates that a warming ranging 1,5 – 2,5 °C beyond the current temperature could expose in extinction danger about 20 – 30% of the animal and vegetable species.

The actions carried out from the European Commission are aimed to transform the EU in a high energy efficiency and low carbon intensity economy. The main topics of the EU strategy are:

- EU Emission Trading System (EU ETS);

- action in the RES sector;

- action in the building and industrial products energy efficiency sector;

- action in the vehicles CO2 emissions sector;

- Carbon Capture and Storage (CCS) of the CO2 emissions produced from power plants and industrial plants.

As financial support measure, almost 20% of 960 euro billions budgeted during the 2014-2020 period will expend in actions related to the climate change.

The EU action in the climate and energy fields is structured in three sequential phases, having different time horizons:

- 2020 Package;

- 2030 Framework;

- 2050 Roadmap.

In the following paragraphs, the most relevant aspects of these phases are described, in order to focus the “20-20-20” targets within a wide strategic and programmatic vision.

The main targets of the European Union (EU) strategy in the climate and energy fields are the Green House Gases GHG emissions cut and the energy dependence reduction. Aim of this strategy is ensure the supply security on the medium and long term and fulfil the international commitments, in compliance with both the Kyoto Protocol and the United Nations Framework Convention on Climate Change (UNFCCC). The final energy demand reduction is, together with the fuel-switching from fossil fuels to Renewable Energy Sources (RES), one of the main cards available to the EU to influence the global energy market, and to ensure the supply security on the medium and long term.

The final energy demand reduction is suitable for the targets established from the EU in 2020 through the “20-20-20 Package”: 20% GHG emissions cut in comparison to 1990; 20% RES share in gross final energy consumption; 20% energy efficiency increase (that is 20% reduction of the annual primary energy consumption respect to the 2007 baseline, equal to – 368,5 MTOE).

The report “Energy 2020 – A strategy for competitive, sustainable and secure energy” indicates the energy efficiency as the fulcrum of the EU strategy towards 2020. This strategy is aimed to decoupling the energy demand from the economic growth. The report “Action plan for energy efficiency: realising the potential” highlights the relevant energy efficiency potential suitable in a cost-effective manner. The energy efficiency target achievement, under the condition of economic suitability, is a relevant topic across the overall EU strategy in the climate and energy fields.

Aim of the paper is introduce the “2020 Package”, “2030 Framework” and “2050 Roadmap” concepts. Particularly, the main environmental/energy parameters are analysed from a technical-statistic point of view, in order to describe the current trend towards the “20-20-20” targets. A following paper will deep the impact of this targets both on the global and local energy systems, specifically analysing the energy sector modification both on the supply side and on the demand side.

La rivoluzione industriale nel XIX secolo e l’inurbamento della popolazione nel XX secolo hanno profondamente modificato l’assetto del territorio europeo. Le aree attorno agli storici centri urbani sono state intensamente infrastrutturate ed edificate, mentre quelle rurali e montane sono state progressivamente abbandonate. Si è venuto così a creare un marcato squilibrio che, da un punto di vista ambientale, ha indotto impatti negativi, e talvolta potenzialmente catastrofici, quali la frammentazione delle aree verdi, le isole di calore urbane, la riduzione della biodiversità, il dissesto idrogeologico, ecc…

Questi processi stanno adesso avvenendo a scala globale, in particolare nei Paesi in via di sviluppo, con un tasso decisamente più intenso di quello rilevato nel caso europeo. La trasformazione del territorio, che in Europa si è verificata nell’arco di secoli, si attua infatti nell’arco di decenni nelle cosiddette “economie emergenti”. Per quanto versatili, molti ecosistemi non riescono ad adattarsi a trasformazioni di tale rapidità ed intensità.

Se inserita nel più ampio quadro dello sviluppo sostenibile e dell’attenuazione dei cambiamenti climatici, la trasformazione del territorio costituisce un elemento di fondamentale rilevanza, alla pari del consumo di energia e materie prime o delle emissioni di gas climalteranti o ancora dell’uso di risorse idriche. L’analisi dell’esperienza europea, che storicamente ha avuto origine e corso in anticipo rispetto a quella globale, può essere utile nell’ottica di individuare i principali fattori di rischio intrinseci ai processi di antropizzazione, e le relative misure di mitigazione, che nel caso dei Paesi in via di sviluppo possono divenire misure di prevenzione.

Data la vastità della tematica considerata, la KEP ENERGY RESEARCH STAFF sta attualmente sviluppando un progetto di ricerca che si focalizza su uno dei tasselli del mosaico, ovvero le forme di uso del suolo attuali su scala europea e il relativo trend di variazione, attraverso l’analisi di una serie di parametri tecnico-statistici quali: frammentazione del suolo, Common Bird Index, produttività delle aree antropizzate, intensità di edificazione. Dall’analisi vengono estrapolate indicazioni di valenza più generale, orientate a connettere la sfera della gestione del territorio con la sfera dello sviluppo sostenibile. Il nesso così stabilito può essere interpretato sia in ottica di consapevolezza negli atti di pianificazione territoriale, sia in ottica di percezione dei macroimpatti indotti a scala globale dalla combinazione di un insieme di interventi sul territorio che, se osservati singolarmente e a scala locale, potrebbero apparire viceversa privi impatto.

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I cambiamenti climatici dovuti al riscaldamento globale stanno avendo un crescente impatto sull’ecosistema. Ciò implica un crescente costo per la società nel mitigare gli effetti degli eventi meteo estremi e delle altre conseguenze del riscaldamento globale, come lo scioglimento dei ghiacciai e l’aumento del livello del mare. Le misure di mitigazione gravano sullo sviluppo della società e ostacolano la crescita economica. Sotto una prospettiva ambientale, la capacità di adattamento degli ecosistemi non è sufficientemente versatile da garantire la sopravvivenza di tutte le specie naturali attualmente esistenti.

La comunità scientifica internazionale ha identificato l’effetto serra come la principale origine del riscaldamento globale, e una serie di composti chimici come le principali sorgenti dell’effetto serra: i Green House Gases (GHG). Il Protocollo di Kyoto regima sei GHG: anidride carbonica (CO2), metano (CH4), ossido di azoto (N2O), idrofluorocarburi (HFCs), perfluorocarburi (PFCs) e esafluoruro di zolfo (SF6). Nel 2010 le emissioni di CO2 hanno rappresentato il 75 % delle emissioni di GHG complessive. Nonostante la quasi totalità delle emissioni di GHG sia dovuta a fattori di origine naturale, l’incremento dato da fattori di origine antropica è tale da alterare l’equilibrio naturale tra emissione e assorbimento, con un conseguente aumento della concentrazione atmosferica di GHG. Secondo i dati rilevati presso l’osservatorio di Mauna Loa (USA), durante il periodo 1960 – 2015 la concentrazione atmosferica di CO2 è aumentata di circa il 27 %, e la tendenza è verso un ulteriore aumento.

La decarbonizzazione dell’economia e dell’energia è una modalità potenzialmente efficace di ridurre le emissioni di CO2 e di conseguenza ridurre l’impatto antropico sull’ambiente.

Secondo il Fifth Assessment Report elaborato in ambito Intergovernmental Panel of Climate Change (IPCC), sono necessarie azioni decise per evitare che il cambiamento climatico provochi impatti irreversibili per la popolazione e l’ecosistema. La limitazione dell’aumento della temperatura media globale entro 2 °C rispetto al livello pre-industriale richiede sostanziali riduzioni delle emissioni di GHG da parte di tutti i Paesi.

A partire dal 1994, i Paesi aderenti all’United Nations Framework Convention on Climate Change (UNFCCC) si sono impegnati a ridurre le proprie emissioni di GHG entro il 2020. Tuttavia l’impegno si sta rivelando insufficiente per centrare l’obiettivo “2 °C”. Di conseguenza, nel 2012, i Paesi aderenti all’UNFCCC hanno avviato negoziazioni al fine di raggiungere un accordo vincolante per le parti coinvolte, che consenta di centrare l’obiettivo “2 °C”. Le negoziazioni in corso sono basate su impegni a livello di singoli Paesi, formalmente denominati “Intended Nationally Determined Contributions”.

L’Unione Europea ha pubblicato in ottobre 2014 un documento programmatico, denominato “EU 2030 Framework”, in cui si impegna a ridurre le proprie emissioni del 40 % al 2030 rispetto al livello al 1990. Una volta stabilito il proprio livello di “ambizione climatica” al 2030 è stato possibile per la UE avviare negoziazioni a scala globale verso un accordo sul clima che sia operativo a partire dal 2020.

L’azione intrapresa dall’Unione Europea a livello internazionale è impostata secondo le seguenti linee:

- fissare ambiziose riduzioni delle emissioni di GHG;

- assicurare una dinamica evolutiva attraverso revisioni periodiche degli obiettivi;

- operare secondo criteri di trasparenza e verificabilità;

- andare verso la “resilienza climatica” tramite l’adattamento;

- promuovere l’implementazione delle misure e la cooperazione internazionale.

A livello interno europeo l’impegno in ambito clima-energia, sintetizzabile nel concetto di disaccoppiare la crescita economica dalle emissioni di GHG, sta portando risultati, come rilevabile dai dati Eurostat attualmente disponibili. Tra il 1990 e il 2012 le emissioni di GHG sono diminuite del 18 %, mentre tra il 2003 e il 2014 il Gross Domestic Product (GDP) è viceversa aumentato del 33 %.

L’Unione Europea rappresenta il 9 % delle emissioni globali di GHG e questa quota è in diminuzione. A novembre 2014 i due principali Paesi emettitori, Cina (che rappresenta il 25 % delle emissioni globali) e Stati Uniti (che rappresentano l’11 % delle emissioni globali), hanno annunciato i loro obiettivi indicativi per il periodo oltre il 2020. La Cina prevede al 2030 di raggiungere il picco delle proprie emissioni e di portare al 20 % la quota di fonti energetiche rinnovabili sul consumo interno lordo di energia. Questa previsione estende l’impegno al 2020 di ridurre le proprie emissioni di CO2 per unità di GDP del 40-45 % rispetto al livello al 2005 e di portare al 15 % la quota di fonti energetiche rinnovabili sul consumo interno lordo di energia. Si stima che le emissioni complessive di CO2 si riducano così di circa il 27 % rispetto al livello al 1990, anche a seguito di misure incisive quali il limite di consumo di carbone fissato a partire dal 2020. Gli Stati Uniti prevedono al 2025 di ridurre le proprie emissioni del 26-28 % rispetto al livello al 2005 (ovvero del 14-16 % rispetto al livello al 1990). Questa previsione estende l’impegno al 2020 di ridurre le proprie emissioni del 17 % rispetto al livello al 2005 (ovvero del 3 % rispetto al livello al 1990). Combinati tra loro, gli obiettivi di UE, Cina e USA coprirebbero così oltre la metà delle emissioni globali.

L’Unione Europea è impegnata a ridurre il livello di emissioni di gas a effetto serra al 2050 del 80-95% rispetto al livello al 1990.

La strategia complessiva è presentata nella Comunicazione della Commissione Europea “Roadmap for moving to a competitive low carbon economy in 2050”. Gli effetti e le implicazioni per il settore dell’energia, analizzati sotto la condizione di garantire la sicurezza delle forniture energetiche e la competitività, sono descritti nella Comunicazione della Commissione Europea “Energy Roadmap 2050”. Le misure attualmente in atto in relazione agli obiettivi “20-20-20” sono ambiziose ma non sufficienti per la decarbonizzazione dell’energia europea, in quanto consentono di raggiungere al 2050 una riduzione del livello di emissioni del 40% rispetto al livello al 1990. Gli investimenti nel settore dell’energia richiedono tempo per dare risultati.

Il documento “Energy Roadmap 2050” esplora le differenti modalità di decarbonizzazione dell’energia europea, come sostegno alle misure da attuare e agli investimenti di lungo termine.

La relazione “Impact Assessment” pubblicata a complemento del documento “Energy Roadmap 2050” descrive sette diversi scenari di crescita energetica in Unione Europea al 2050, elaborati su modello PRIMES. Cinque scenari sono elaborati assumendo gli stessi criteri demografici e macroeconomici (settoriali), che prevedono una transizione dall’attuale fase di elevati costi operativi verso una fase di elevati costi di investimento, e si differenziano per la diversa combinazione delle strategie di decarbonizzazione.

1) Scenario di Riferimento (Reference Scenario): è basato sulle tendenze attuali e sulle previsioni di crescita economica a lungo termine. Considera le politiche comunitarie implementate fino al 2010, compresa la strategia “20-20-20”;

2) Scenario di Corrente Azione Politica (Current Policy Initatives): è basato sull’estensione dello scenario di riferimento per includere le strategie adottate o proposte a complemento della strategia “20-20-20” e oltre il 2020;

3) Scenario di Efficienza Energetica (Energy Efficiency Scenario): è basato su una applicazione spinta delle strategie di efficienza energetica in tutti i settori correlati all’energia, e su una riduzione consistente del consumo di energia primaria;

4) Scenario di Tecnologie di Fornitura Diversificate (Diversified Supply Technologies): è basato sull’ipotesi che la competizione tra fonti energetiche avvenga tramite regole di mercato, senza misure di supporto all’efficienza energetica o alle fonti rinnovabili;

5) Scenario RES Elevate (High RES): è basato sull’ipotesi di una elevata penetrazione delle fonti rinnovabili in tutti i settori correlati all’energia. Nella produzione elettrica la potenza installata dovrebbe raggiungere 1.900 GW (otto volte superiore all’attuale);

6) Scenario di Ritardo nella CCS (Delayed CCS): è basato sull’ipotesi di applicazione limitata della CCS, dovuta a problemi di trasporto e stoccaggio, e di ricorso diffuso alla fonte nucleare;

7) Scenario di Nucleare Limitato (Low Nuclear): è basato sull’ipotesi di ricorso limitato alla fonte nucleare, dovuto a problemi di percezione del rischio e di gestione dei residui, e di applicazione diffusa della CCS.

La domanda di energia finale si mantiene stabile negli scenari di Riferimento e di Corrente Azione Politica, e si riduce significativamente negli scenari di decarbonizzazione.

Lo scenario “Energy efficiency” prevede rispetto allo scenario di Riferimento una riduzione del 14% al 2030 e del 40% al 2050. Rispetto allo stesso scenario, gli scenari alternativi prevedono una riduzione di almeno 8% al 2030 e almeno 34% al 2050. In questi scenari il vettore elettrico diviene il principale vettore di alimentazione degli usi finali dell’energia. Il raggiungimento di una elevata riduzione del tenore di carbonio nel settore dell’energia è legato alla decarbonizzazione della produzione elettrica. Secondo lo scenario “Energy efficiency” per i settori residenziale e dei servizi la riduzione di domanda di energia finale è rispettivamente -47% e -44%, a fronte di una riduzione complessiva di -36%. Lo scenario “Energy efficiency” prevede per il settore residenziale una riduzione degli usi finali di energia complessivi del 20% al 2030 e del 43% al 2050 rispetto allo scenario di Riferimento, e per il settore dei servizi una riduzione del 25% al 2030 e del 53% al 2050.

Secondo la relazione “Impact Assessment” il raggiungimento della decarbonizzazione richiede una decisa riduzione dell’intensità energetica dell’economia europea, misurata come energia per unità di Gross Domestic Product (GDP), da conseguire tramite efficienza energetica, e dell’intensità di carbonio, misurata come emissioni per unità di energia, da conseguire tramite fonti rinnovabili, fonte nucleare, e CCS.

Gli scenari di decarbonizzazione prevedono al 2050 una riduzione dell’intensità energetica del 73–76% e una riduzione dell’intensità di carbonio del 76–78% rispetto al 1990.

La scomposizione per vettore degli usi finali di energia complessivi mostra che gli scenari sono fortemente differenziati per il livello di fuel switching da petrolio e gas a vettore elettrico e fonti rinnovabili.

Nello scenario di Riferimento il petrolio presenta al 2050 una riduzione del 16–17% rispetto al 2005, e il gas del 31–33%. In questo scenario i combustibili fossili continuano a svolgere un ruolo di primo piano, alimentando più della metà degli usi finali di energia complessivi, mentre l’elettrificazione e la penetrazione delle fonti rinnovabili si sviluppano con tasso di crescita modesto. Il vettore elettrico presenta al 2050 un aumento del 44–46% rispetto al 2005, e le fonti rinnovabili del 84–92%. Negli scenari di decarbonizzazione il petrolio presenta al 2050 una riduzione del 63–65% rispetto al 2005, e il gas del 48–51%. In questi scenari i combustibili fossili passano a svolgere un ruolo di secondo piano, alimentando meno di un terzo di usi finali di energia complessivi, mentre l’elettrificazione e la penetrazione delle fonti rinnovabili si sviluppano con tasso di crescita elevato. Il vettore elettrico presenta al 2050 un aumento del 72–92% rispetto al 2005, e le fonti rinnovabili del 386–512%.

Tramite il EU Framework 2030 l’Unione Europea prosegue a svolgere un ruolo di primo piano nel contrastare il cambiamento climatico, ponendosi come protagonista sullo scenario internazionale e inducendo altri attori di forte impatto, quali Cina e Stati Uniti, a seguire il percorso tracciato. Il EU Framework conferma le tre linee di azione in ambito clima-energia, già definite come cardini della strategia “20-20-20”: riduzione delle emissioni di GHG; aumento della quota da fonti energetiche rinnovabili nel energy-mix; aumento dell’efficienza energetica. Ne amplia la portata fissando al 2030 soglie ambiziose ma necessarie in una prospettiva di obiettivi di lungo termine, ovvero di “competitive low-carbon economy” al 2050.

A luglio 2014 la Commissione Europea ha pubblicato un documento di “impact assessment” al fine di illustrare il potenziale contributo che l’efficienza energetica potrebbe apportare nel ridurre le emissioni di GHG e nel migliorare la sicurezza energetica della UE. Entrambi gli aspetti sono parte essenziale di un unico quadro di policy in ambito clima-energia.

Il concetto di low-carbon energy può essere espresso tramite l’intensità di emissione del consumo energetico, parametro dato dal rapporto tra emissioni originate da prodotti energetici e consumo interno lordo di energia. Il relativo trend lungo il periodo 1990-2012 mostra una riduzione del valore pari al 20 % durante il periodo considerato.

L’efficienza energetica riveste un ruolo fondamentale nella transizione verso un assetto energetico competitivo, sicuro e sostenibile, centrato sul mercato interno dell’energia. A tal fine l’Unione Europea ha intrapreso azioni finalizzate a disaccoppiare la crescita economica dal consumo di energia. Il disaccoppiamento economia-energia può essere espresso tramite l’intensità energetica dell’economia, parametro dato dal rapporto tra il consumo interno lordo di energia ed il GDP per un dato anno. Il relativo trend lungo il periodo 2002-2012 mostra una riduzione del valore pari al 15 % durante il periodo considerato.

Nel settore industriale la policy di efficienza energetica ha come obiettivo la riduzione del quantitativo di energia necessario a parità di prodotto lavorato, ovvero mantenere/aumentare i livelli produttivi diminuendo la relativa domanda di energia. L’industria manifatturiera europea ha fino ad oggi contribuito in maniera sostanziale a rendere l’Unione Europea una delle più efficienti aree produttive a livello globale. A conferma l’intensità energetica del settore industriale è diminuita durante il periodo 2001-2011 del 19 % in Unione Europea e del 9 % in Stati Uniti. In questo settore in particolare l’aumento dell’efficienza energetica è risultato non solo da azioni di energy-policy, ma anche da iniziative autonome, in risposta alle tendenze del mercato.

Nel settore delle costruzioni un edificio di nuova realizzazione consuma ad oggi circa la metà rispetto a un edificio tipico degli anni ’80. Tuttavia oltre il 60 % dei sistemi di riscaldamento è ancora inefficiente. Si rileva comunque che l’introduzione del meccanismo di etichettatura energetica per i dispositivi di riscaldamento ambiente e di produzione acqua calda dovrebbe avere un impatto rilevante in questo senso.

L’efficienza energetica degli edifici sta aumentando a un tasso medio annuo pari a 1,4 %. Tale valore è relativamente limitato, per via del modesto tasso di ristrutturazione degli edifici esistenti, che costituiscono la quota prevalente dello stock edilizio. Secondo la Commissione Europea, al fine di cogliere il potenziale di efficienza energetica insito nel settore delle costruzioni, il tasso di efficientamento dello stock edilizio dovrebbe essere spinto ad un valore medio annuo pari a 2,0 %.

Nel complesso il documento di “impact assessment” evidenzia che obiettivi ambiziosi portano effetti positivi, in particolare in termini di riduzione dell’importazione di combustibili fossili e riduzione delle emissioni di GHG, e che gli extra-costi rispetto a obiettivi cauti possono essere con margine compensati dalle ricadute di tali effetti.

Il “EU 2030 Climate and Energy Framework” è un documento programmatico nel settore clima-energia pubblicato dalla Commissione Europea in ottobre 2014, che copre tutti i settori economici e tutte le sorgenti di emissioni. Esso pone come elemento centrale della strategia l’obiettivo vincolante di ridurre di almeno il 40 % le emissioni interne di GHG entro il 2030 rispetto al livello al 1990. L’obiettivo dovrebbe essere raggiunto come complessivo da parte degli Stati Membri, secondo un criterio di efficienza economica, e ripartito tra settori coperti da ETS e settori non coperti da ETS. Tali settori dovrebbero raggiungere una riduzione delle emissioni entro il 2030 rispettivamente del 43 % e del 30 % rispetto al livello al 2005. In questa ottica l’EU Framework 2030 è da intendersi come intermedio verso la EU Roadmap 2050. Esso inoltre promuove la riduzione della dipendenza energetica ed un’energia più affidabile per le industrie e gli utenti finali attraverso un mercato interno coordinato.

Per i settori coperti da ETS, il principale strumento per raggiungere il target dovrebbe essere lo schema Emission Trading System (ETS), sottoposto a revisione al fine di stabilizzare il mercato della CO2. La quota di riduzione annuale del limite di emissioni consentite sarà portata dal 1,74 % al 2,2 % a partire dal 2021. Lo strumento di stabilizzazione sarà costituito da una riserva di emissioni da instituire a partire dal 2021, in modo da gestire il surplus di concessioni che è stato accumulato in questi anni e migliorare la resilienza del sistema agli shock di mercato. Ciò dovrebbe agevolare investimenti in tecnologie low-carbon. La concessione di emissioni libere proseguirà anche oltre il 2020, al fine di evitare il rischio di “carbon leakage” dovuto alla policy in ambito clima-energia. In considerazione del fatto che le altre economie non hanno intrapreso azioni comparabili a quella europea, è necessario garantire adeguati livelli di sicurezza ai settori a rischio di perdita di competitività sullo scenario internazionale. Al fine di mantenere la competitività, le principali installazioni in questi settori non dovrebbero fronteggiare irragionevoli costi di CO2, tali da comportare l’effetto di “carbon leakage”.

Viceversa, per i settori non coperti da ETS, il principale strumento per raggiungere il target dovrebbero essere soglie nazionali variabili tra lo 0 % e il 40 % di riduzione delle emissioni di GHG al 2030 rispetto al livello al 2005.

Parallelamente il Framework 2030 pone obiettivi in tema di fonti energetiche rinnovabili (RES) e efficienza energetica.

Le RES svolgono un ruolo fondamentale nella transizione verso un assetto energetico competitivo, sicuro e sostenibile. L’Unione Europea ha stabilito di coprire tramite RES almeno il 27 % del consumo interno lordo di energia al 2030. La misura è vincolante a livello comunitario. Analogamente ha stabilito di aumentare di almeno il 27 % l’efficienza energetica al 2030 rispetto alle proiezioni basate sul trend attuale. Gli obiettivi di efficienza energetica dovrebbero essere raggiunti sotto la condizione di efficienza economica, e senza creare interferenze con lo schema ETS.

Estratto da articolo pubblicato su LegnoArchitettura 27, Edicom Edizioni, pp. 3-11

In tema di sostenibilità una delle problematiche cui più spesso incorrono i vari attori del processo edilizio, siano essi progettisti, costruttori o committenti, è quella inerente il giudizio di veridicità delle affermazioni circa la vera o presunta sostenibilità di materiali, sistemi costruttivi, soluzioni di finitura, etc. . Il fenomeno del Green Washing è ormai evidente a tutti: è sempre più frequente imbattersi in annunci immobiliari, in campagne pubblicitarie di prodotti edili, in bandi di progettazione e di gare oppure in Regolamenti di governo del territorio, in cui i riferimenti alla “bioedilizia” oppure alla “sostenibilità” non sono corroborati da idonei supporti giustificativi. Per delimitare razionalmente i contorni di una buona pratica di sostenibilità ambientale sono necessari, quindi, in modo sempre più pressante, strumenti razionali e quantitativi di misurazione delle performances di sostenibilità ambientale.

D’altro canto  già esistono metodologie accreditate per la quantificazione e certificazione della sostenibilità di un prodotto, un componente edilizio o di un edificio nel suo complesso: queste sono, per esempio, le metodologie LCA (Life Cycle Assessment) oppure i protocolli di certificazione del costruito. Tuttavia questi ultimi non sono così facilmente applicabili e interpretabili, persino dagli addetti ai lavori. Il quadro normativo sta lentamente recependo alcune pratiche virtuose di valutazione, si pensi ai criteri CAM (Criteri Ambientali Minimi) recentemente introdotti nel sistema dei consumi della Pubblica Amministrazione, ma anche su questo fronte lo iato fra realtà e teoria è troppo ampio e le norme faticano a proporre vagli razionali ed operativi.

Va osservato, inoltre, che la stessa complessità, talvolta al limite della farraginosità, delle metodologie di valutazione/certificazione più accreditate, ne rende disagevole l’implementazione nella normale prassi progettuale, eccezion fatta per alcune opere di carattere singolare. Si pensi ad esempio all’applicazione delle procedure LCA nella corrente progettazione: necessitano di software e competenze che trascendono dalla normale economia del progetto.

L’articolo che in questa sede intendiamo presentare propone una metodologia di agevole implementazione che contempera la razionalità e la quantitatività delle metodologie valutative sopra descritte, pur semplificandone e specializzandone l’applicazione a precisi ambiti della progettazione.

Il metodo ideato muove dai presupposti metodologici delle analisi multicriterio (quelle, in sintesi, adottate nei protocolli LEED, ITACA, BREEAM, per esempio), inserendo fra i criteri un mix di aspetti LCA dei materiali edili, di aspetti energetici ma anche di parametri che soppesano la sostenibilità del cantiere, la sicurezza dei lavoratori nella costruzione, la rapididità di esecuzione, etc. . Il vantaggio di un simile metodo è quello di essere molto flessibile nelle mani del progettista (o del valutatore a posteriori) rendendolo adattabile alle varie fattispecie che in quel frangente si trova a dover valutare.

La procedura è concepita per valutare parti del sistema tecnologico dell’edificio (involucro o sue parti, sistema costruttivo o sue parti, partizioni o elementi di finitura), altrimenti  invalutabili con i comuni metodi di valutazione/certificazione del costruito (che si rivolgono alla totalità dell’edificio e spesso sono poco concentrati sugli aspetti costruttivi, dovendo contemperare anche aspetti posizionali, impiantistici, etc.). E’ uno strumento versatile, cioè che si può modificare per adattarsi alle varie caratteristiche del componente tecnologico oggetto di valutazione: per questo è uno strumento molto agevole per il progettista che può adattarne i criteri.

L’apparente semplicità del metodo (che si contrappone alla sistematicità e complessità di una procedura completamente ed esclusivamente LCA) non compromette però in modo penalizzante i fondamentali aspetti che sono dirimenti nelle analisi LCA dei componenti edili, quali i noti indici GWP, AP, PEI e la vita utile, che sono ricompresi nella procedura proposta. Per come è strutturato, il metodo permette di essere implementato su un normale spreadsheet, molto comodo anche da adattare direttamente dall’operatore alle esigenze del caso in analisi.

Nell’articolo viene proposto un esempio applicativo del metodo, utilizzato dagli autori per selezionare, da un punto di vista della sostenibilità, il sistema costruttivo e le stratificazioni dell’involucro opaco per un edificio destinato ad ospitare un asilo nido. Sono state stimate e messe a confronto diverse soluzioni costruttive, fra quelle tradizionali e quella del sistema XLam. La soluzione in XLam (che, tra l’altro, in molte valutazioni LCA proposte in letteratura risulta spesso penalizzata) risulta nel caso studio la più efficiente allorchè si ricomprendono nel criterio di valutazione anche aspetti come la sicurezza, i tempi di costruzione e la lunghezza della filiera di approvvigionamento.

GESTIRE UNA CASA IN MANIERA ECO-EFFICIENTE

1) L’EFFICIENZA ENERGETICA IN TRE PASSAGGI

Obiettivo: consumare meno / consumare meglio

2) COME GESTIRE LA CASA IN MANIERA INTELLIGENTE

10 accorgimenti per il risparmio energetico domestico

3) R-INNOVARE CON TECNOLOGIE EFFICIENTI…

L’edificio e gli impianti

4) … E UTILIZZARE FONTI RINNOVABILI

Ottenere vantaggio energetico / ambientale / economico

5)

Una analisi tecnica finalizzata al risparmio economico

L’EFFICIENZA ENERGETICA IN TRE PASSAGGI

Obiettivo consumare meno / consumare meglio

"Efficienza energetica di un edificio" è la capacità di garantire comfort agli abitanti limitando il consumo di risorse.

Limitando il consumo di risorse si limita anche l’impatto ambientale e il costo in bolletta.

Dunque un investimento in efficienza energetica consente un significativo risparmio sulle bollette di luce e gas.

COME GESTIRE LA CASA IN MANIERA INTELLIGENTE

10 accorgimenti per il risparmio energetico domestico

1) In stagione invernale spalancare le finestre per periodi brevi, invece che socchiuderle per periodi prolungati

2) Serrare gli avvolgibili e chiudere le antine delle finestre durante le notti di inverno

3) Non incassare i radiatori all’interno di mobili, nicchie nella parete, ecc…

4) Non applicare tendaggi pesanti se il radiatore è posizionato nel sottofinestra

5) Inserire un ‘materassino riflettente’ tra radiatore e parete

6) Per schermare il sole preferire tendaggi chiari, posizionati all’esterno della finestra

7) Installare lavatrici/lavastoviglie di tipo a doppia connessione (acqua fredda + acqua calda)

8) Posizionare il frigorifero discosto almeno 5 cm dalla parete e distante da fonti di calore (forno/radiatore/ecc…)

9) Sbrinare periodicamente il frigorifero e pulire periodicamente la serpentina posta sul retro

10) Preferire il forno a microonde al forno elettrico

R-INNOVARE CON TECNOLOGIE EFFICIENTI…

L’edificio e gli impianti

- PER LIMITARE I COSTI DI RISCALDAMENTO…

1) sostituire la caldaia a gas con una pompa di calore elettrica (in area urbana)

2) sostituire la caldaia a GPL con una caldaia a pellet (in area extraurbana)

3) installare valvole termostatiche sui radiatori

4) installare un termostato con sonda climatica di temperatura

5) sostituire gli infissi convenzionali con infissi a vetrocamera e taglio termico

6) applicare un isolamento a cappotto su facciate e tetto

- PER LIMITARE I COSTI DI ACQUA CALDA SANITARIA…

1) installare un impianto solare termico

2) sostituire il boiler convenzionale con un boiler a pompa di calore

- PER LIMITARE I COSTI DI ILLUMINAZIONE…

1) sostituire le lampade fluorescenti con lampade a led

2) installare un impianto solare fotovoltaico

… E UTILIZZARE FONTI RINNOVABILI

Ottenere vantaggio energetico / ambientale / economico

VANTAGGIO ENERGETICO Non si consumano le riserve fossili. Il sole e il vento sono sempre disponibili. Anche le risorse agroforestali da cui si producono legna/cippato/pellet sono sempre disponibili.

VANTAGGIO AMBIENTALE L'uso di energia solare e energia eolica non provoca emissione di gas a effetto serra. La combustione di legna/cippato/pellet rilascia in atmosfera un quantitativo di CO2 equivalente a quello assorbito dalle specie vegetali durante la crescita.

VANTAGGIO ECONOMICO Il sole e il vento sono disponibili a costo zero. Legna/cippato/pellet hanno costo conveniente rispetto alla maggior parte dei combustibili fossili.

Una analisi tecnica finalizzata al risparmio economico

L’analisi dell’edificio e degli impianti consente di individuare le soluzioni più convenienti in rapporto costi/benefici.

INVESTIRE IN EFFICIENZA ENERGETICA SIGNIFICA INVESTIRE IN BENESSERE ABITATIVO, SOSTENIBILITA’ AMBIENTALE E BENEFICIO ECONOMICO

Benessere abitativo - L'obiettivo è "consumare meno - consumare meglio" garantendo un elevato livello di comfort all'interno dell'edificio.

Sostenibilità ambientale - Tramite l'efficienza energetica si riduce il consumo di risorse naturali e le emissioni di gas a effetto serra.

Beneficio economico - Aumentando l'efficienza energetica si riduce la spesa per luce e gas.

Ci si potrebbe a questo punto chiedere se sia opportuno conferire visibilità e risorse alle pubblicazioni di architetti che teorizzano ad ogni passo la sostenibilità e si innalzano a vati dell'arte di costruire del futuro, ponendo come massimi sistemi l'etica ecologica e la responsabilità ambientale, senza tuttavia far seguire a questo realizzazioni congruenti con quei principi ispiratori di cui sono essi stessi i più accesi sostenitori. Infatti, a fronte di una complessa concettualizzazione teorica, si riscontra nella pratica progettuale, così come nella pratica costruttiva, un rilevante scostamento dai suddetti principi di inserimento e integrazione dei sistemi solari. Ad oggi non si rileva una strategia tecnico-commerciale su grande scala che sia in grado di indirizzare il mercato e le figure coinvolte nel processo edilizio, dal committente al progettista, dal produttore all'impresa, verso un impiego diffuso e sistematico di componenti che siano al tempo stesso captatore solare, isolante, impermeabilizzante, parete, tetto. Né vi sono per il solare termico strumenti normativi o fiscali analoghi a quelli previsti per il settore fotovoltaico, tali da poter innescare un meccanismo di riconoscimento e di merito per le soluzioni volte all'integrazione architettonica.

 

In generale nella letteratura tecnica di tipo applicativo e manualistico si dissolvono tante categorie ed impostazioni e l'attenzione è incentrata quasi esclusivamente sugli aspetti normativi, prestazionali, termotecnici ed economici. Un frequente risultato di questo tipo di approccio, che spesso è condotto sul solo sistema solare e non sul complesso edificio-impianto, è il sistematico confinamento dei sistemi di captazione dell'energia alle coperture o alle aree non costruite, rinunciando di fatto alle possibili applicazioni in facciata e più in generale su superfici verticali.

L’integrazione architettonica viene concepita esclusivamente come installazione complanare alla falda del tetto, ottenendo effettivamente un miglioramento rispetto a soluzioni di forte impatto visivo, ma rinunciando comunque a sviluppare ulteriori possibilità in termini di posizionamento dei sistemi di captazione.

Più correttamente c'è chi [1] tenta una sommaria valutazione in termini di rapporto costi benefici ipotizzando differenti soluzioni per l'installazione dei sistemi solari. Prendendo atto del fatto che un orientamento e un’inclinazione della superficie di captazione che si discostano dai valori ottimali possono penalizzare fortemente le prestazioni degli impianti solari, e considerando anche che tale riduzione di energia disponibile può essere variamente accentuata a seconda del meccanismo di assorbimento della piastra captante e quindi in generale del tipo di collettore impiegato, lo studio non fornisce risposte definitive ma invita a svolgere un’analisi dettagliata e circostanziale ogni volta che si presentino differenti possibilità di installazione. Vengono suggeriti a tal fine il metodo F-Chart, utile per una valutazione di larga massima data la semplicità del procedimento di calcolo, e l'impiego di programmi di simulazione da implementare al calcolatore, ad esempio il codice Trnsys, per elaborare soluzioni complesse e dettagliate. A tal fine risultano utili i metodi di definizione delle mappe di irradiazione [2] poiché da una parte la quantificazione dell’irradiazione solare annua o stagionale riveste un particolare interesse soprattutto nell’ambito di ambienti urbani densamente popolati, in cui i vantaggi delle tecnologie solari possono essere fortemente ridotti dalle ombre proiettate dalle ostruzioni circostanti, dall'altra la conoscenza accurata dell’effettiva irradiazione ricevuta dalle superfici degli involucri edilizi è un requisito essenziale non solo per la valutazione del comportamento dei sistemi solari, ma anche per la quantificazione dei guadagni termici o dell’efficacia dei sistemi di schermatura solare. Codice sperimentato e affidabile è Radiance, costituito da una serie di programmi sviluppati principalmente per la simulazione illuminotecnica, che basano tale simulazione sul calcolo di grandezze radiometriche, rendendo possibile la valutazione dell’irradianza puntuale. Si citano inoltre come metodi alternativi, più agevoli nell'applicazione:

 

• metodo delle “mappe normalizzate” (Mardaljevic, Rylatt);
  
• metodo del “cielo medio” (average sky model – Scartezzini, Montavon, Compagnon);
• metodo del “cielo cumulativo” (Anselmo, Lauritano).

 

Senza approfondire oltre gli aspetti legati al calcolo, sia le installazioni su superfici verticali sia quelle su superfici inclinate presentano rispettivamente vantaggi e svantaggi: nel caso di installazione su superfici aventi bassa inclinazione rispetto all’orizzontale possono verificarsi i fenomeni della stagnazione, durante il periodo estivo, e della riflessione totale, durante il periodo invernale; nel caso di installazione su superfici aventi alta inclinazione rispetto all’orizzontale aumenta il rischio di ombreggiamento del sistema di captazione ma migliora il rendimento durante la stagione invernale quando maggiore è il fabbisogno energetico, specie nel caso di integrazione al riscaldamento.

Giunti al termine della serie di post è possibile trarre la seguente morale della favola: su pubblicazioni, riviste e altri testi specializzati si trova un’ampia teorizzazione della necessità non solo di puntare sull’utilizzo dell’energia solare e quindi di incentivare l’installazione di sistemi termici, ma  anche di sviluppare la produzione e l’impiego di componenti che garantiscano un elevato livello di integrazione architettonica tra impianto ed edificio al fine di semplificare sia i procedimenti autorizzativi, specie in zone sottoposte a vincoli di tutela, sia i procedimenti costruttivi, specie nel caso di nuove realizzazioni. Di contro, come si vedrà nei capitoli successivi, i progetti sviluppati in questa direzione sono un settore minoritario del mercato attuale e spesso sono sostenuti da esigenze sperimentali di Enti e Istituti piuttosto che da iniziative di committenti o imprenditori. Infatti le soluzioni volte all’integrazione architettonica dei sistemi solari risultano attualmente  più onerose di quelle convenzionali a partire dalla fase di produzione, in quanto l’azienda deve investire capitali in ricerche e prove assumendosi poi il rischio di esporsi in una fascia di mercato di modeste dimensioni, proseguendo nella fase di progettazione, in quanto la maggior parte dei professionisti lavora inerzialmente nell’ottica della separazione per parti dell’edificio e dell’impianto, per finire alla fase di installazione, in quanto il committente si trova a dover fare i conti con costi elevati a causa della scarsa fluidità del precedente processo edilizio. La mancanza per i sistemi solari termici di una chiara strategia politico-economica a livello nazionale, quale è quella messa in campo per i sistemi solari fotovoltaici, contribuisce a mantenere elevato il divario tra principi di riferimento e realtà quotidiana né vi sono altri soggetti, pubblici o privati, di rilevanza tale da poter condurre un’azione incisiva ed efficace volta a diffondere sul territorio una cultura dell’integrazione architettonica, ovvero una visione unitaria del sistema edificio-impianto.

[1] Schibuola L., Gastaldello A., “Gli impianti solari negli edifici” in CDA n. 07/08, pagine 38-44.

[2] Anselmo F., Lauritano A., “Mappe di irradiazione” in CDA n. 11/06, pagine 20-26.

C’è chi [1] affronta la questione chiedendosi se "l'architettura solare" e dunque la "città solare" sia di per sé un modello sostenibile e rispondendo: "Più che di città solare, parlerei di città sostenibile, in cui lo sfruttamento intelligente dell'energia solare riveste un ruolo di primaria importanza. Esempi in questo senso sono piuttosto numerosi, basti pensare alla Siedlung Pichling presso Linz, che ha coinvolto alcuni tra i maggiori nomi dell'Architettura internazionale (Piano, Rogers, Foster, Herzog, tanto per citarne alcuni) o al progetto Borgo Solare, nei pressi di Ferrara, che vede la partecipazione del Politecnico di Milano. Le tendenze che stanno alla base della città sostenibile sono il risparmio energetico, l'inserimento coerente e rispettoso nel contesto socio-ambientale, lo sfruttamento delle risorse rinnovabili e la partecipazione degli abitanti alle strategie ecosostenibili. Tutto questo è possibile, ma bisogna avere il coraggio (e la capacità) di ripensare completamente le logiche insediative ed il rapporto architettura-urbanistica. In definitiva, bisogna abbandonare il tipico approccio per compartimenti stagni, che purtroppo caratterizza per la maggior parte il nostro ambiente costruito, per sviluppare il concetto di sistema integrato edificio-tessuto urbano-territorio".

Altrove [2] la questione è invece se ci si debba orientare verso un involucro edilizio passivo, attivo o ibrido; questo quesito è strumentale per l'ulteriore interrogativo se la complessità tecnologico-funzionale di certi sistemi integrati, ed il notevole costo di installazione e manutenzione, corrispondano a reali vantaggi energetico-ambientali ed abbiano un effettivo riscontro sotto il profilo economico. L’autore infatti individua nella fase di esercizio, piuttosto che in quella di installazione, la criticità da un lato per la mancanza di dati certi oltre il breve periodo, dall'altra per le difficoltà intrinseche connesse al corretto funzionamento degli apparecchi e per le conseguenti riduzioni in termini di rendimento e quindi di risparmio.

Altrove ancora [3] non viene presa posizione in merito ma, a partire dalla considerazione che le diverse impostazioni attuali per un verso affondano le radici nella comune matrice delle esperienze maturate dall'architettura contemporanea nel secolo scorso, per un altro generano approcci progettuali notevolmente discosti l'uno dall'altro, ci si limita a rilevare come nell'interrelazione tecnologia - morfologia architettonica si possano individuare i seguenti metodi, di seguito citati ma non dettagliati:

 

• neo-tradizionali;
  
• della leggerezza;
• dell’involucro;
• delle energie;
• degli spazi vuoti;
• miscellanea tecnologica.

 

Queste correnti confluiscono in definitiva nel pensiero di chi propone una decisa revisione dei consueti schemi progettuali [4] a partire dalla considerazione che "tre dei principi cardine nella progettazione di edifici a basso consumo energetico – spessore e qualità della coibentazione, eliminazione o riduzione dei ponti termici, tenuta ermetica dei serramenti – sono tutti riferiti all’involucro esterno" e più oltre prevede il possibile innesco di un meccanismo di ampia portata a livello urbano: "Agire sulle facciate può diventare, quindi, il manifesto di un intento progettuale definito, esibito e condiviso: utilizzare ed "esibire", in nuove costruzioni o nella ristrutturazione, un tipo di facciata che esprima la volontà di ridurre i consumi attraverso una maggiore efficienza energetica può fare da volano per altri interventi analoghi, innestando un processo virtuoso".

[1] Latorre C., “Architettura solare: un modello sostenibile?” in Casa&Clima n. 4, dicembre 2006, pagine 36-41.

[2] Filippi M., “L’involucro edilizio: passivo, attivo o ibrido?” in AICARR “Progettare l’involucro edilizio: correlazioni tra il sistema edificio e i sistemi impiantistici”, pagine 7-12.

[3] Legnante V., “Le problematiche della progettazione e la questione ambientale” in Centro Abita a cura di P.Gallo “Progettazione sostenibile”, Alinea Editrice, 2005, pagine 15-23.

[4] Parodi Dandini E., “Reinventare la pelle delle città” in Casa&Clima n. 3, ottobre 2006, pagine 50-55.

Il noto quesito posto da Fuller “Se il successo o il fallimento di questo pianeta, e della specie umana, dipendesse da quello che sono e da quello che faccio, come sarei? E che cosa farei?” viene ripreso e sviluppato [1] per introdurre non solo l’ideale di un’etica a servizio dell’ambiente ma anche la responsabilità quasi epocale che grava sui progettisti da una parte nel diffondere ed applicare un'arte del "costruire sostenibile", dall'altra nel ricercare i "modelli generativi" propri dell'edilizia bioclimatica. Su questa scia si inseriscono [2] numerose affermazioni di principio variamente indirizzate verso l’obiettivo della qualità ambientale, conseguibile attraverso una “architettura energeticamente consapevole”; la consapevolezza deriverebbe dall’impiego di avanzati strumenti informatici a supporto della progettazione. Viene quindi auspicato "Un nuovo modo di progettare, il cui insegnamento si sta diffondendo nelle facoltà di architettura più sensibili alla necessità di un approccio energeticamente sostenibile, nell’ambito della progettazione edilizia".

 

Entrano così in scena i concetti di sostenibilità e di bioclimaticità, variamente interpretati e variamente adattati all'architettura, all'edilizia e all'urbanistica, nei quali, appoggiandosi alle dottrine ecologiste, viene esaltato l’impiego delle fonti rinnovabili di energia come equilibrato compromesso tra progresso e benessere da una parte e natura ed ecosistema dall'altra. Di recente si sta affermando una metodologia denominata LCA (Life Cycle Assessment), ovvero Valutazione del Ciclo di Vita, normata dalla Serie ISO 14040 e ufficialmente definita come segue (SETAC, 1990):"Procedimento oggettivo di valutazione di carichi energetici ed ambientali relativi ad un processo o un'attività, effettuato attraverso l'identificazione dell'energia e dei materiali usati e dei rifiuti rilasciati nell'ambiente. La valutazione include l'intero ciclo di vita del processo o attività, comprendendo l'estrazione e il trattamento delle materie prime, la fabbricazione, il trasporto, la distribuzione, l'uso, il riuso, il riciclo e lo smaltimento finale".

 

Una procedura LCA si sviluppa secondo quattro fasi:

 

• Fase 1, definizione dell’obiettivo e del campo di applicazione (norma ISO 14041);
  
• Fase 2, analisi dell’inventario (norma ISO 14041);
• Fase 3, valutazione dell’impatto (norma ISO 14042);
• Fase 4, interpretazione (norma ISO 14043).

 

Fra le possibili applicazioni della LCA si evidenziano [3]:

 

• Confronto tra sistemi alternativi di prodotto e produzione che abbiano la medesima funzione (processi produttivi che impiegano fasi diverse con materie prime diverse);
• Analisi degli impatti ambientali di un prodotto con uno standard di riferimento;
  
• Identificazione degli stadi del ciclo di vita di un prodotto che presentano maggiore impatto ambientale;
• Riduzione dei costi tramite l'individuazione di aree dove realizzare economie o livelli maggiori di ottimizzazione;
• Comunicazione d'informazioni ambientali che possono essere usate per ottenere etichette di qualità ambientale e dichiarazioni ambientali di prodotto (Ecolabel, Environmental Product Declaration);
• Design e scelta delle tecnologie di prodotto: valutazione comparativa di prodotti della concorrenza ed opportunità di identificare possibili miglioramenti del prodotto in fasi diverse del suo ciclo di vita;
• Strategie tecnologiche ed impiantistiche: possibilità di scegliere opzioni tecnologiche caratterizzate da un minor consumo di energia e materiali;
• Supporto nei processi di concertazione territoriale per la valutazione e la promozione dell'innovazione tecnologica ambientale;
• Selezione degli indicatori rilevanti di performance ambientali;
• Educazione e divulgazione.

 

Allo stato attuale questa metodologia presenta delle limitazioni sia costitutive, come il fatto che si tratta di un’analisi di primo principio, sia legate alle procedure, come il fatto di essere maggiormente applicabile a indicatori di impatti su scala globale piuttosto che su scala locale.

 

E' opinione diffusa che tutto ciò che viene etichettato come "sostenibile" sia intrinsecamente giusto e viceversa; c'è da chiedersi però chi e secondo quali criteri è in grado di valutare quale sia il limite tra sostenibilità e non sostenibilità e rispetto a quale sistema di riferimento debba essere condotta tale valutazione. Quesito elementare ma a cui non si è trovata risposta. Si è però trovata una pubblicazione dal titolo “Impiantistica sostenibile” [4] nella quale l'autore afferma che in termini impiantistici la sostenibilità è da intendersi essenzialmente come "soddisfacimento delle esigenze di controllo ambientale in un quadro di contenimento dei consumi di energia, dei consumi di acqua e delle emissioni inquinanti, nonché di impiego delle fonti di energia rinnovabili". Per alcuni [5] tali esigenze si concretizzano nei seguenti elementi di qualificazione:

• la possibilità di integrazione dell’impianto di climatizzazione con sistemi solari (o con altre fonti rinnovabili come la geotermia e le biomasse);
  
• la capacità di tener conto dell’inerzia termica e dell’irraggiamento solare mantenendo prestazioni elevate (impianti di regolazione con sonde climatiche);
• la capacità di soddisfare le esigenze di caldo e freddo con un unico impianto preferibilmente centralizzato;
• la riduzione delle dimensioni degli apparecchi;
• la possibilità di cogenerare energia ed eventualmente cedere quella in eccesso;
• il ridotto effetto inquinante del combustibile usato.

 

In sintesi le correnti di pensiero che fanno tendenza tra gli architetti che scrivono su periodici e riviste convergono verso i seguenti temi: da un lato l'utilizzo delle fonti energetiche classificate come rinnovabili, da un altro il necessario compromesso tra estetica, architettura, efficienza e funzionalità dal quale può sorgere un nuovo linguaggio tecnico-formale, da un altro ancora la presa di coscienza che questi processi sono limitati e ridotti da vincoli di tipo economico, urbanistico e ambientale. Il suddetto compromesso condiziona direttamente la configurazione di quelle parti di edificio che, svolgendo il ruolo di separazione tra ambiente interno ed ambiente esterno, vengono ad assumere notevole rilevanza sotto il profilo termoigrometrico, dell'inerzia termica, dell'irraggiamento solare e più in generale sotto il profilo termodinamico; proprio in queste parti, ovvero prospetti, coperture, aggetti e rientranze, si pone il problema dell'inserimento e dell'eventuale integrazione della tecnologia solare.

[1] Parodi Dandini E., “Progettazione, etica e design. Connubio ancora possibile” in Casa&Clima n.11, gennaio-febbraio 2004, pagine 22-24.

[2] Schibuola L., Cecchinato L., Iaschi M., “Architettura energeticamente consapevole” in CDA n.10/07, pagine 20-28.

[3] Amadio F., “La metodologia LCA” relazione, Firenze, 10 maggio 2007.

[4] Filippi M., Corgnati S. P., Fabrizio E., “Impiantistica sostenibile” in CDA n. 02/07, pagine 42-46.

[5] Cellai G., Rivizzigno N., “Le nuove tendenze impiantistiche” in CDA n. 05/08, pagine 26-34.

Nel presente post e nei successivi si tratterà la questione dell'integrazione architettonica dei sistemi solari termici come concetto di progettazione, analizzando i risultati di un'approfondita ricerca bibliografica, e si svilupperà quindi una valutazione critica delle posizioni espresse in merito dai vari autori.

La trattazione assume come punto di partenza la constatazione che storicamente, ed ancora oggi, l'edificio e l'impianto sono stati interpretati come due ambiti di progettazione distinti per metodi, competenze e procedimenti costruttivi. L'estensione per inerzia di questa impostazione ai sistemi solari termici ha portato a risultati diametralmente opposti rispetto a quelli cui qui si vuole giungere, ovvero ha portato ad assumere i componenti solari come elementi da sovrapporre, e non da integrare, rispetto all'organismo edilizio. Altra chiave di lettura della progettazione attuale è la consuetudine da una parte di celare gli impianti nei fabbricati destinati ad usi residenziali e terziari, dall'altra di non celarli nei fabbricati di tipo industriale e simili. L'impianto solare termico è imbrigliato da questa logica, per quanto riguarda i componenti interni, ma allo stesso tempo la supera e si spinge oltre, per quanto riguarda i componenti esterni, ponendo al centro della discussione il complesso e controverso rapporto tra estetica, architettura, efficienza e funzionalità.

Alcuni autori [1] affermano a riguardo che tale logica è intrinsecamente errata in quanto erede di codici architettonici anacronistici e non più attuale rispetto alle applicazioni tecnologiche ed informatiche. Essi condividono e fanno propria l'ottica di origine futurista che al binomio architettura-massa sostituisce il binomio architettura-macchina e propongono di varare una nuova estetica espressa non più dagli elementi decorativi ma dagli elementi funzionali, attribuendo forte valore espressivo ai sistemi impiantistici. Questa assunzione di funzione comunicativa da parte di generatori, condotti e terminali è caratteristica di certe tendenze dell'architettura post moderna che hanno i più noti interpreti in Richard Rogers, Richard Herzog e Norman Foster; i fabbricati così progettati, inquadrabili nell'ambito high-tech, fanno della manifestazione della macchina-edificio uno strumento per evidenziare e porre in risalto la propria valenza energetico-ambientale. In precedenza anche il Movimento Moderno, inserendosi nella più generale dialettica evolutiva dei processi di sviluppo della produzione architettonica e dei linguaggi compositivi che ne descrivono l’immagine, aveva definito con Le Corbusier la casa come una macchina per abitare, preludendo l’attuale passaggio verso la casa come macchina per generare energia [2].

Una recente pubblicazione curata da Ises Italia [3] riporta le posizioni espresse da alcuni architetti contemporanei di fama internazionale; vi si legge in proposito: “Sir Richard Rogers considera come elemento basilare del progetto il catturare e l’utilizzare l’energia presente in natura. La sua critica investe gli architetti che hanno costruito grandi scatole di vetro uguali in ogni clima e in ogni latitudine delegando il benessere agli impianti di climatizzazione artificiale e contribuendo così, attraverso la crescita dei consumi energetici, all’inquinamento delle città. “Lo sviluppo di un approccio alla pianificazione ecologica e alla progettazione di edifici a basso consumo energetico è uno dei settori più vitali. Architetti, urbanisti e pianificatori hanno a che fare con un’area nuova enorme, parzialmente esplorata e molto dimenticata ... Ricerca e sperimentazione devono produrre conoscenze su cui basare nuova architettura e urbanistica per la nuova eco-comunità della prossima decade”.

Tutta l’architettura di Thomas Herzog, uno dei maggiori architetti tedeschi contemporanei, è improntata al problema energetico: “… le fonti rinnovabili di energia – egli afferma – possono e devono essere usate per determinare l’aspetto estetico (di un’architettura) … Gli edifici … sono essenzialmente influenzati da due cose: prima di tutto dalle condizioni climatiche, in secondo luogo dai materiali e dalle tecnologie disponibili. Queste sono le condizioni essenziali da cui viene fuori che la pelle di un edificio assume la funzione più importante e non la sua ossatura, confusamente conosciuta come ‘struttura primaria’. La pelle deve creare un equilibrio … tra interno ed esterno, in termini di: temperatura, ventilazione, purezza e umidità dell’aria insieme con il tipo di radiazione, il che dipende dalla stagione e dall’ora del giorno …”.

Norman Foster, discepolo e collaboratore del geniale Buckminster Fuller, si pone, con la sua architettura, come ponte tra passato e futuro: “L’architettura solare – egli scrive – unisce due delle più forti e ispirate fonti di architettura: tradizione e tecnologia. … Vi sono situazioni in cui accorgimenti passivi sono adeguati, altre in cui un’alta tecnologia è più appropriata e altre ancora dove un sistema sofisticato dimostra di essere il più semplice e il migliore … Il risparmio energetico non deve mai essere una scusa per un progetto mediocre. Al contrario dev’essere capace di ispirare (la creatività dell’architetto)”.”

[1] Filippi M., Moro A., “Impianti per l’architettura negli interventi di riqualificazione edilizia” in AICARR 1996 “Gli impianti nella ristrutturazione edilizia”, Bologna, 17 ottobre 1996, pagine 175-187.

[2] De Paoli O., Ricupero M., “Sistemi solari, fotovoltaici e termici. Strumenti per il progettista”, Celid, 2006, pagine 171-176.

[3] Aa. Vv., “La bellezza della ragione” in “Costruire con il sole. Uno sguardo al passato per progettare il futuro”, Ises Italia, 1995, pagine 74-94.

Analisi degli usi finali dell’energia in Unione Europea e trend di evoluzione al 2050

ing. PhD Lorenzo Leoncini

Estratto da articolo pubblicato su Bollettino degli Ingegneri n. 7/2015 pp. 3-11

La strategia dell’Unione Europea in ambito clima-energia [1] ha come obiettivi principali la riduzione della dipendenza energetica dall’importazione estera e la riduzione delle emissioni di gas a effetto serra, al fine di garantire la sicurezza di approvvigionamento sul medio e lungo termine e di adempiere gli impegni assunti a livello internazionale, sia in riferimento al Kyoto Protocol [2], sia in riferimento all’United Nations Framework Convention on Climate Change (UNFCCC) [3]. La riduzione della domanda finale di energia costituisce, assieme al fuel-switching da fonti fossili a fonti rinnovabili, uno dei principali strumenti a disposizione dell’Unione Europea per influire sul mercato globale dell’energia e per garantire la sicurezza di approvvigionamento sul medio e lungo termine.

La riduzione della domanda finale di energia è funzionale al raggiungimento degli obiettivi che l’Unione Europea si è posta al 2020 con la strategia “20-20-20” [4]: riduzione del 20% delle emissioni di gas a effetto serra rispetto al livello al 1990; copertura del 20% del consumo finale lordo di energia tramite fonti rinnovabili; aumento del 20% dell’efficienza energetica.

Secondo il report “Energy 2020 – A strategy for competitive, sustainable and secure energy” [5] l’efficienza energetica costituisce l’elemento centrale della strategia europea al 2020, finalizzata a disaccoppiare la domanda di energia dalla crescita economica. Il report “Action plan for energy efficiency: realising the potential” [6] evidenzia il rilevante margine di efficienza energetica economicamente conveniente potenzialmente disponibile. Il raggiungimento di obbiettivi di efficienza energetica sotto la condizione di parallela efficienza economica costituisce una delle tematiche di maggior rilevo, trasversale all’azione comunitaria in ambito clima-energia.

Scopo del presente lavoro è analizzare la configurazione degli usi finali di energia in Unione Europea nell’assetto attuale e secondo le linee di tendenza previste al 2050, applicando un criterio macrosettoriale basato su dati statistici e report pubblicati dalla Commissione Europea. L’analisi è svolta focalizzando l’attenzione sul settore degli edifici, e evidenziando in particolare il ruolo delle fonti rinnovabili.

[1] http://ec.europa.eu.htm visitato il 30 luglio 2015

[2] http://unfccc.int/kyoto_protocol/items/2830. php visitato il 30 luglio 2015

[3] http://unfccc.int/2860.php visitato il 30 luglio 2015

[4] http://ec.europa.eu/europe2020/index_en.htm visitato il 30 luglio 2015

[5] Communication from the Commission to the European parliament, the Council, the European Economic and Social Committee and the Committee of the Regions – Energy 2020 – A strategy for competitive, sustainable and secure energy, COM(2010) 639 final, European Commission, 2010.

[6] Communication from the Commission – Action Plan for Energy Efficiency: Realising the Potential, COM(2006) 545 final, European Commission, 2006.

Il testo completo dell'articolo è accessibile online per consultazione, presso il sito internet

www.bollettinoingegneri.it

al seguente link

https://s3-eu-west-1.amazonaws.com/bolling%2Fallegati-articoli%2Fn4NqK3CxCRYAdQhoQ-Leoncini%202_11.pdf

“Nearly Zero Energy Building” e “Cost-Optimality”: Norme Europee e loro recepimento

Prof. ing. Giuseppe Grazzini e ing. PhD Lorenzo Leoncini

Estratto da articolo pubblicato su Bollettino degli Ingegneri n. 3/2014 pp. 3-12

Un edificio è un sistema il cui uso induce impatti a livello energetico, economico e ambientale sia a scala locale che a scala globale. La limitazione di questi impatti si inserisce nel più ampio quadro dello sviluppo sostenibile [1], e può essere letta in ottica di Zero Energy Building [2]. In letteratura sono proposti studi relativi al concetto di Zero Energy Building focalizzati sugli aspetti di definizione [3], di design economicamente efficiente [4], di bilancio del sistema [5], e di Energy Payback [6]. Il concetto di Zero Energy Building è stato recentemente trasposto dal piano di sperimentazione al piano di regolamentazione a seguito dell’introduzione del requisito nZEB come obiettivo vincolante su scala europea per le nuove costruzioni al 2018/2020.

Il metodo “ottimalità dei costi” costituisce uno strumento di lettura energetico-economica del ciclo di vita economico di un edificio attraverso l’analisi costi-benefici dei costi globali legati all’energia. Un inquadramento concettuale del metodo e una discussione delle implicazioni è presentato nel report “Cost-optimal levels for energy performance requirements”[7]. Il report evidenzia la necessità di disporre di un quadro comparativo di riferimento su scala europea e di individuare misure di efficienza energetica in funzione di criteri di efficienza economica.

Si vuole qui inquadrare l’introduzione del requisito nZEB all’interno dell’azione strategica europea volta alla riduzione della dipendenza energetica e delle emissioni di gas a effetto serra, vista come misura di aumento dell’efficienza energetica nel settore degli edifici. Il requisito nZEB viene letto in prospettiva di efficienza economica, evidenziando le variabili da risolvere in fase di implementazione nei singoli contesti nazionali. L’analisi del metodo dell’ottimalità dei costi presenta gli elementi di rilievo e porta ad una lettura comparativa fra calcolo a livello finanziario e calcolo a livello macroeconomico. Questi due livelli vengono messi in relazione con il mercato europeo dell’energia e del carbonio, al fine di evidenziare l’ampia variabilità in fase applicativa derivante dalle problematiche di previsione delle quotazioni dei prodotti energetici e della CO2.

[1] A. Hoseini, N. Dahlan, U. Berardi, A. Hoseini, N. Makaremi, M. Hoseini, Sustainable Energy performances of green buildings: A review of current theories, implementations and challenges, Renewable and Sustainable Energy Reviews 25 (2013) 1–17.

[2] D. H. W. Li, L. Yang, J. C. Lam, Zero energy buildings and sustainable development implications – A review, Energy 54 (2013) 1-10.

[3] I. Sartori, A. Napolitano, K. Voss, Net zero Energy buildings: A consistent definition frame work, Energy and Buildings, in press.

[4] M. Kapsalaki, V. Leal, M. Santamouris, A methodology for economic efficient design of Net Zero Energy Buildings, Energy and Buildings 55 (2012) 765–778.

[5] H. Lund, A. Marszal, P. Heiselberg, Zero energy buildings and mismatch compensation factors, Energy and Buildings 43 (2011) 1646–1654.

[6] J. S. Bourrelle, I. Andresen, A. Gustavsen, Energy payback: An attributional and environmentally focused approach to energy balance in net zero energy buildings, Energy and Buildings 65 (2013) 84–92.

[7] S. Aggerholm, H. Erhorn, R. Hitchin, H. ErhornKluttig, B. Poel, K. Engelund Thomsen, K. B. Wittchen, Cost optimal levels for energy performance requirements, EPBD-CA, 2011.

Il testo completo dell'articolo è accessibile online per consultazione, presso il sito internet

www.bollettinoingegneri.it

al seguente link

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Le fonti energetiche rinnovabili come il Sole, il Vento e le Biomasse sono un modo sostenibile e a basso impatto per fornire energia all'edificio.

L'uso di fonti energetiche rinnovabili consente un triplice vantaggio: ENERGETICO, AMBIENTALE, ECONOMICO.

VANTAGGIO AMBIENTALE

L'uso di energia solare e energia eolica non provoca emissione di gas a effetto serra. La combustione di biomasse rilascia in atmosfera un quantitativo di CO2 equivalente a quello assorbito dalle specie vegetali durante la crescita, per cui l'uso di energia da biomassa può essere considerato a impatto zero.

VANTAGGIO ENERGETICO

Non si consumano le riserve fossili. Il sole e il vento sono sempre disponibili. Anche le risorse agroforestali da cui si producono le biomasse sono sempre disponibili. La biomassa può essere considerata fonte energetica rinnovabile solo se l'intensità di taglio delle specie vegetali è inferiore all'intensità di ricrescita.

VANTAGGIO ECONOMICO

Il sole e il vento sono disponibili a tariffa zero. I costi sono limitati all'installazione degli impianti solari e eolici e alla loro manutenzione. Le biomasse hanno invece tariffa variabile in funzione di numerosi fattori, ma comunque conveniente rispetto alla maggior parte dei combustibili fossili.

1) ENERGIA SOLARE TERMICA

Un pannello solare termico è un dispositivo che intercetta l'energia radiante del sole e la converte in energia termica sotto forma di acqua calda.

La temperatura dell'acqua calda prodotta è variabile in funzione delle caratteristiche tecniche del pannello e delle condizioni meteorologiche.

Principali usi dell'acqua calda solare:

- acqua calda per usi sanitari

- riscaldamento invernale edificio

- riscaldamento inv./est. piscina

Tipologie di pannello solare più diffuse:

- collettori a piastra piana, mediamente più economici e meno efficienti

- collettori a tubo sottovuoto, mediamente più costosi e più efficienti

La scelta della tipologia di collettore deve essere effettuata attraverso una analisi costi-benefici, considerando come parametri fondamentali l'uso dell'acqua calda solare (es. riscaldamento), le caratteristiche climatiche della località di installazione, il sistema di integrazione (es. caldaia a gas).

L'efficienza di un pannello solare termico è funzione della tipologia, delle caratteristiche tecnico-costruttive e delle condizioni climatiche.

Un impianto solare termico è costituito da più collettori, idraulicamente connessi in serie e/o parallelo tra loro, e da un serbatoio di accumulo. Le due tipologie di impianto di riferimento sono a circolazione naturale e a circolazione forzata.

Gli impianti a circolazione naturale sono più semplici ed economici, ma nel complesso meno efficienti. Il fluido è mosso dal gradiente termico. Per funzionare necessitano che il serbatoio di accumulo sia collocato sopra i collettori e possono essere realizzati solamente impianti di piccola taglia.

Gli impianti a circolazione forzata sono più complessi e costosi, ma nel complesso più efficienti. Il fluido è mosso da una pompa elettrica di circolazione. Non ci sono vincoli di posizionamento del serbatoio di accumulo e non ci sono limiti di taglia.

Problematiche della tecnologia solare termica:

- il sole è una fonte energetica discontinua

- i profili di produzione da impianto solare e di consumo da utenze domestiche sono disaccoppiati

Un impianto solare termico necessita di un accumulo per l'energia termica prodotta.

L'accumulo è in genere un serbatoio di acqua. Esso viene caricato (la temperatura media dell'acqua al suo interno aumenta) durante le ore in cui c'è produzione dall'impianto solare e viene scaricato (la temperatura media dell'acqua al suo interno diminuisce) nelle ore in cui c'è consumo dalle utenze domestiche.

L'accumulo viene convenzionalmente dimensionato nella misura di 75 litri di acqua per ogni metro quadrato di superficie di pannello solare.

2) ENERGIA SOLARE FOTOVOLTAICA

La tecnologia solare fotovoltaica è basata sull'effetto fotoelettrico.

Quando un flusso di fotoni (energia solare) colpisce un materiale semiconduttore (es. il silicio) energizza i suoi elettroni generando una corrente elettrica continua.

L'effetto fotoelettrico avviene all'interno di una cella solare. L'unione di più celle forma un pannello solare.

Un impianto fotovoltaico è costituito da una serie di pannelli e da un inverter.

L'inverter è un dispositivo che trasforma la corrente continua a 12 V in uscita dal pannello in corrente alternata a 220 V in ingresso all'impianto elettrico domestico.

L'efficienza di un pannello fotovoltaico è data dal rapporto tra l'energia solare in ingresso e l'energia elettrica in uscita.

- I pannelli commerciali hanno efficienza fino a 20 %;

- i pannelli sperimentali hanno efficienza fino a 44 %.

Principali tipologie di pannello solare fotovoltaico:

1) silicio monocristallino, più costoso, consente una efficienza media di circa il 15 %;

2) silicio policristallino, di costo intermedio, consente una efficienza media di circa il 12/13 %;

3) silicio amorfo, meno costoso, consente una efficienza media di circa il 10 %.

Le prime due tipologie si presentano sotto forma di pannelli rigidi, di spessore elevato. La terza tipologia si presenta sotto forma di pannelli flessibili, di spessore modesto, e per questo viene detta "thin film".

Problematiche della tecnologia solare fotovoltaica:

- il sole è una fonte energetica discontinua;

- i profili di produzione da impianto solare e di consumo da utenze domestiche sono disaccoppiati.

Un impianto solare fotovoltaico necessita di un accumulo per l'energia elettrica prodotta.

L'accumulo viene caricato durante le ore in cui la produzione è superiore al consumo e viene scaricato nelle ore in cui il consumo è superiore alla produzione.

Un edificio può essere elettricamente connesso in rete (on-grid) o a isola (stand-alone).

Nel primo caso è la rete elettrica che svolge la funzione di accumulo: configurazione più semplice e con minori costi di installazione.

Nel secondo caso servono dispositivi di accumulo come batterie: configurazione più complessa e con maggiori costi di installazione.

POTENZA

La taglia di un impianto fotovoltaico viene misurata in kilowatt di picco (kWp). Un kWp rappresenta la potenza elettrica prodotta dall'impianto nelle condizioni di 1.000 W/m2 di irraggiamento solare e di 25 °C di temperatura ambiente.

ENERGIA

Il sole è una fonte energetica rinnovabile discontinua. L'energia elettrica prodotta da un impianto fotovoltaico dipende, oltre che dall'efficienza del pannello, anche dal suo posizionamento e dalle condizioni meteo. Le ore di funzionamento annuo in Italia sono variabili da 1.100 ore/anno a 1.500 ore/anno a seconda della latitudine.

3) LE CALDAIE A BIOMASSE

Le biomasse sono disponibili come combustibile per caldaie per edifici residenziali sotto forma di ciocchi, cippato e pellet. Esse costituiscono un'alternativa sostenibile ai combustibili fossili.

I ciocchi sono la forma tradizionale con cui vengono alimentati camini e stufe. E' richiesto il caricamento manuale, e questo impedisce l'automazione dei dispositivi. Il cippato viene prodotto triturando il legno fino ad ottenere cip della dimensione di qualche centimetro. Il pellet viene prodotto essiccando la segatura di legno e successivamente compattandola in cilindretti aventi diametro di qualche millimetro. La cippatura o la pellettizzazione del legno ne consentono lo stoccaggio in silos e il caricamento automatico in caldaia.

Uno dei principali problemi dell'impiego di caldaie a biomasse, specie in aree urbane, è la necessità di disporre di ampi spazi di stoccaggio, al fine di garantire una sufficiente autonomia all'impianto di riscaldamento. Inoltre è necessario periodicamente smaltire le ceneri generate dalla combustione.

"Efficienza energetica di un edificio" è la capacità di un edificio di soddisfare le esigenze degli abitanti limitando il consumo di risorse energetiche.

Un edificio consuma (e talvolta produce) energia, al fine di garantire al suo interno condizioni termiche idonee per le attività che vi vengono svolte, e quindi comfort per gli utenti, e al tempo stesso fornire servizi essenziali quali l'acqua calda sanitaria.

Limitare l'impiego di risorse energetiche significa limitare anche gli impatti ambientali (emissione di gas a effetto serra e consumo delle risorse naturali) e gli impatti economici.

GLI EDIFICI RAPPRESENTANO CIRCA IL 40% DEL CONSUMO GLOBALE DI ENERGIA IN UNIONE EUROPEA

1) Strategia "20-20-20"

La strategia dell'Unione Europea in ambito di clima e energia ha come obiettivi principali la riduzione della dipendenza energetica dall'importazione estera e la riduzione delle emissioni di gas a effetto serra, al fine di garantire la sicurezza di approvvigionamento sul medio e lungo termine e di adempiere gli impegni assunti a livello internazionale.

L'Unione Europea ha stabilito per il 2020 un ambizioso obiettivo, sintetizzato nella sigla 20-20-20:

- riduzione del 20% delle emissioni di gas a effetto serra rispetto ai livelli al 1990;

- copertura tramite fonti rinnovabili del 20% del consumo finale lordo di energia;

- aumento del 20% dell'efficienza energetica.

2) Convenienza dell'efficienza energetica

PENSARE GLOBALE

AGIRE LOCALE

Sotto una prospettiva globale un edificio energeticamente efficiente contribuisce al raggiungimento degli obiettivi stabiliti dall'Unione Europea al 2020.

Sotto una prospettiva locale un edificio energeticamente efficiente costituisce un beneficio in termini di comfort e di risparmio per gli abitanti.

Le quotazioni internazionali dei combustibili fossili mostrano una tendenza all'aumento.

Ciò significa che le tariffe di gas, elettricità, ecc... sono destinate ad aumentare nel tempo.

Investire in efficienza energetica consente di contrastare questa tendenza limitando i progressivi aumenti in bolletta.

Un investimento in efficienza energetica deve essere visto come un investimento finanziario.

La rendita è costituita dal risparmio in bolletta.

L’efficienza energetica costituisce uno degli elementi centrali dell’azione strategica e programmatica dell’Unione Europea in ambito clima-energia. Il settore degli edifici rappresenta il 40 % della domanda finale di energia. Per far convergere il settore degli edifici verso gli obiettivi comunitari in tema di efficienza energetica sono stati introdotti i concetti “Zero Energy Building – ZEB” e “smart building”.

Gli obiettivi di efficienza energetica degli edifici posti a scala europea e globale, e sintetizzati dalla sigla nZEB, oltre alla più ampia visione del concetto di Low Carbon Cities, implicano l’utilizzo di strumenti di analisi energetica complessi. Strumenti che dall’ambito di ricerca si stanno diffondendo nell’ambito della progettazione, in particolare in relazione all’attività di diagnosi energetica. E’ evidente infatti che, quanto più deve essere spinta l’efficienza di un sistema energetico, tanto più è necessario controllare con equazioni e algoritmi di precisione la sequenza di calcolo durante l’intero percorso dall’input all’output.

L’analisi energetica del sistema edificio sta di conseguenza progressivamente traslando da metodologie di calcolo in regime stazionario a metodologie di calcolo in regime dinamico. Questo per consentire una maggiore rappresentatività del modello rispetto alle interazioni edificio-clima-utenza. In particolare per edifici collocati in area mediterranea la simulazione dinamica consente di cogliere gli aspetti di inerzia termica dell’involucro edilizio, convenzionalmente ricondotti ai parametri di sfasamento e attenuazione dell’onda termica, fondamentali per una corretta interpretazione della climatizzazione in periodo estivo.

L’evoluzione tecnologica sta immettendo sul mercato dispositivi sofisticati quali involucri attivi (BIPV) e adattivi, building automation e sistemi di controllo (BACS). A livello operativo si stanno diffondendo sistemi a pompa di calore e da fonti rinnovabili, la cui efficienza è fortemente influenzata dal contesto climatico. Si rileva inoltre la marcata incidenza del comportamento degli utenti sulla effettiva domanda di energia di un edificio.

A partire da queste considerazioni risulta opportuno disporre di modelli di calcolo in grado di caratterizzare con un elevato livello di precisione l’interazione del sistema edificio con i dispositivi tecnologici, il contesto climatico e gli utenti. Ovvero effettuare una analisi energetica in regime dinamico, a passo orario o suborario, che vada oltre le metodologie di calcolo convenzionali attualmente diffuse nell’attività di progettazione.

La diagnosi energetica di un edificio è un percorso tecnico-economico finalizzato a formulare proposte di efficientamento energetico convenienti dal punto di vista della analisi costi-benefici.

Fasi sequenziali di diagnosi energetica:

1) rilievo dello stato attuale dell'edificio, del grado di manutenzione degli elementi di involucro e del livello di efficienza degli elementi di impianto;

2) analisi delle bollette relative ai consumi di elettricità, gas, ecc... durante gli anni recenti;

3) individuazione delle strategie di efficientamento energetico e relativa analisi costi-benefici;

4) redazione di un piano di intervento, corredato da valutazione energetica e pianificazione economica.

INVESTIRE IN EFFICIENZA ENERGETICA SIGNIFICA INVESTIRE IN BENESSERE ABITATIVO, SOSTENIBILITA' AMBIENTALE E BENEFICIO ECONOMICO

Benessere abitativo

L'obiettivo è "consumare meno - consumare meglio" garantendo un elevato livello di qualità e di comfort all'interno dell'edificio.

Sosteniblità ambientale

Tramite l'efficienza energetica si riduce il consumo di risorse naturali e le emissioni di gas a effetto serra.

Beneficio economico

Aumentando l'efficienza energetica si riduce la spesa per elettricità, gas, ecc...

- Contesto I) ‘Impianti di climatizzazione’

I sistemi di umidificazione dell’aria sono potenziali sorgenti di contaminazione. E’ importante evidenziare il fatto che il batterio non può essere veicolato da vapore acqueo, anche se proveniente da liquido contaminato; può invece trovarsi in goccioline d’acqua di piccole dimensioni miscelate ad una corrente d’aria (aerosol). In questa ottica sono preferibili sistemi di umidificazione a vapore, con l’accorgimento di evitare distribuzioni interne che ne causino la parziale condensa. Ulteriore precauzione è l’installazione di filtri a monte e a valle delle unità di trattamento dell’aria, sia sui canali di mandata che su quelli di ripresa. L’onere economico di una filtrazione efficace sulla macchina è significativamente inferiore rispetto a quello dovuto per la pulizia dei sistemi di distribuzione. Nel caso di adozione di batterie di umidificazione a liquido è necessario un corretto dimensionamento del separatore di gocce che, associato a basse velocità dell’aria in transito nella batteria evita la formazione di aerosol. In ogni caso è auspicabile una pulizia periodica dei componenti ed un controllo dell’acqua in ingresso.

L’acqua generata dai sistemi di refrigerazione durante il processo di deumidificazione non può essere portatrice di carica patogena in quanto derivante dalla condensazione di vapore acqueo. Se anche la macchina fosse posta all’interno di un ambiente con presenza di Legionella, le basse temperature del fluido condensato ne impedirebbero la proliferazione.

- Contesto II) ‘Impianti idrici’

Gli impianti idrici sono gli ambienti ideali per la proliferazione del batterio. Ci si riferisce in particolare agli impianti di produzione, accumulo e distribuzione di acqua calda sanitaria, alle piscine, alle vasche idromassaggio ed ai bacini termali. In questi casi assume un ruolo determinante l’intervallo di temperatura alla quale viene mantenuta l’acqua, corrispondente ai valori per i quali il batterio ha una forte capacità di colonizzazione di terreni fertili, ovvero di superfici interessate dalla formazione di biofilm.

Numerosi studi indicano che, in riferimento ai materiali di corrente utilizzo negli impianti idrosanitari, la velocità media di sviluppo del biofilm e la concentrazione di Legionella in esso annidata sono ridotte per superfici in rame, il quale esercita una funzione batteriostatica o battericida, mentre sono accentuate per polietilene, gomma, e in generale per i composti polimerici. Il vetro si colloca in posizione intermedia. Particolarmente suscettibili sono i componenti in acciaio, in quanto gli ioni ferrosi rilasciati per corrosione forniscono nutrimento ai microorganismi. L’evenienza di superfici porose o microfratturate accentua la probabilità di colonizzazione batterica.

Fra le tecniche chimiche e fisiche di bonifica oggi disponibili le più applicate a livello impiantistico sono lo shock termico, il mantenimento in temperatura ed il trattamento termico continuo. Il primo consiste nell’innalzare la temperatura di produzione ed accumulo dell’acqua calda sanitaria a 70/80 °C per tre giorni con erogazione non interrotta ai terminali per trenta minuti, verificando che ai punti distali si raggiunga una temperatura di erogazione minima di 60 °C. Il secondo prevede il mantenimento permanente di una temperatura di 55/60 °C all’interno della rete di distribuzione. Il terzo invece una temperatura costante di 60 °C per la produzione e l’accumulo e di 48 °C per la distribuzione. Le alte temperature, oltre a costituire un potenziale di ustione per gli utenti dell’impianto, richiedono un elevato dispendio energetico a fronte del rischio di danneggiamento dei componenti, specie nei circuiti di vecchia data. La presenza di depositi calcarei, caratterizzati da un basso coefficiente di scambio termico, può rendere parzialmente inefficace questo tipo di interventi.

- Contesto III) ‘Torri di raffreddamento’

All’interno delle torri di raffreddamento può instaurarsi un meccanismo progressivo tale da favorire l’insorgenza di legionellosi; l’acqua può stagnare nelle vasca inferiore di raccolta a temperature critiche ed in seguito essere trascinata come aerosol nel pennacchio per incompleta evaporazione o per inefficienza dei separatori di gocce a causa di incrostazioni o corrosione degli stessi. E’ buona norma fare attenzione al corretto posizionamento delle torri evaporative rispetto alla direzione prevalente del vento, al fine di regimare la dispersione dei flussi d’aria potenzialmente patogeni.

La questione delle tecniche di disinfezione si presenta particolarmente complessa nel caso di Legionella in quanto, nonostante il batterio sia scarsamente resistente ai trattamenti, esso possiede una elevatissima capacità di adattamento. Le esperienze sul campo hanno evidenziato che anche a seguito di interventi di bonifica si verifica un’alternanza di periodi di remissione e di riacutizzazione della circolazione microbica, senza mai ottenere una decontaminazione completa e duratura nel tempo.

In generale l’attività dei disinfettanti è condizionata dai seguenti fattori: qualità e quantità della carica microbica, concentrazione e tempo di azione del disinfettante, presenza di sostanze inattivanti, natura del substrato da trattare, temperatura. Se il batterio si trova annidato in biofilm (fase bentonica) occorrono concentrazioni o tempi di azione di oltre quattro volte superiori rispetto al caso in cui si trovi libero in acqua (fase planctonica).

I metodi chimici di disinfezione sono riconducibili a due categorie: gli agenti ossidanti quali il cloro, il bromo, le clorammine, l’ozono; gli ioni metallici quali il rame e l’argento.

- I) Cloro

Alle basse temperature si effettua iperclorazione continua ed iperclorazione shock, entrambe poco onerose. La prima prevede l’immissione in circolo di basse concentrazioni di ipoclorito di calcio o di sodio, mentre la seconda l’immissione ad alta concentrazione. In soluzione acquosa si formano due composti, funzione del grado di pH, l’acido ipocloroso e lo ione ipoclorito. L’acido è più efficace dello ione nell’inattivazione del batterio Legionella ma la sua azione decade a temperature superiori a 40 °C. I composti chimici a base di cloro hanno azione corrosiva più o meno accentuata a seconda del grado di acidità; un loro uso continuativo espone le superfici di applicazione ad un precoce invecchiamento.

Alle alte temperature si impiega invece biossido di cloro, un gas abbastanza stabile prodotto dalla reazione di clorito di sodio ed acido cloridrico. Data l’intrinseca pericolosità della sua conservazione, deve essere prodotto direttamente al momento dell’utilizzo, richiedendo dispositivi non economici. La capacità di degradare le proteine batteriche ne fa un potente disinfettante che, a differenza degli altri composti del cloro, è efficace anche su biofilm.

- II) Bromo

Meno efficace del cloro, viene impiegato in soluzione acquosa sotto forma di acido ipobromoso per il trattamento disinfettante di piscine e torri di raffreddamento. Essendo molto reattivo è richiesta l’immissione in circolo di quantità elevate. Non trova applicazione in impianti di potabilizzazione dell’acqua.

- III) Clorammine

Le clorammine inorganiche sono composti chimici dati dalla reazione tra cloro (Cl2) ed ammoniaca (NH3), impiegati nei sistemi di trattamento dell’acqua potabile. L’azione di tali composti, più stabile ma più lenta rispetto a quella del cloro, si esplica con il blocco del metabolismo batterico. Sono tuttora in fase di studio gli effetti dei sottoprodotti della disinfezione con clorammine sulla salute umana.

- IV) Ozono

L’ozono (O3) è un gas ad azione disinfettante molto rapida ed efficace ma essa decade rapidamente per la trasformazione in ossigeno molecolare (O2). I limiti nell’impiego dell’ozono sono dovuti al costo di produzione del gas ed alla ridotta portata spaziale e temporale del suo raggio di azione.

- V) Ionizzazione Cu/Ag

Gli ioni rame e argento, disciolti in acqua per elettrolisi o per soluzione di sali metallici, hanno un elevato potere disinfettante in quanto interferiscono con i complessi enzimatici legati alla respirazione batterica. L’effetto è persistente anche a distanza di alcune settimane dal trattamento, tuttavia lo ione argento è soggetto ad inattivazione da parte di alcuni metalli di uso corrente come lo zinco. Per applicazioni su biofilm si sfrutta spesso l’azione sinergica degli ioni metallici con il perossido di idrogeno, la cui forte capacità ossidativa facilita la penetrazione di Cu/Ag all’interno della matrice extracellulare organica e inorganica che avvolge i batteri.

In alternativa ai metodi chimici si può ricorrere a dispositivi ad azione fisica quali i raggi ultravioletti o le membrane filtranti, oltre ai trattamenti termici descritti in precedenza.

- I) Raggi UV

Le radiazioni ultraviolette a bassa lunghezza d’onda hanno proprietà biocida in quanto danneggiano i meccanismi di replicazione del DNA (formano dimeri di timidina a livello della doppia elica). La loro azione è insufficiente nel controllo ambientale della Legionella ed è necessario associarli a trattamenti periodici di altra natura. La scarsa capacità di penetrazione ne consente l’utilizzo solo su flussi d’acqua di spessore limitato, e non anche su masse di stoccaggio. Hanno comunque il vantaggio di una rapida operatività e di una totale assenza di effetti residui. Le radiazioni vengono generate da lampade a vapori di mercurio disposte in prossimità dei terminali di erogazione. Esse hanno durata non superiore alle 8000 ore di esercizio in quanto la precipitazione ed il deposito delle sostanze contenute dà luogo al fenomeno dello “scattering” ovvero della deviazione dei raggi.

- II) Membrane filtranti

La tecnologia è di largo impiego, non richiede prodotti chimici ed ha un basso consumo energetico. Le membrane filtranti sono semipermeabili; tramite un processo di separazione vengono attraversate dall’acqua ma trattengono le particelle solide in sospensione. Ciò implica la necessità di una frequente pulizia o sostituzione per la rapida perdita di efficiacia, con conseguenti costi elevati. Il flusso viene mantenuto tramite l’applicazione di un’alta pressione, di un gradiente osmotico o di un potenziale elettrico.

Come riferimento si segnala la pubblicazione: “Libro bianco sulla Legionella” edita da AICARR.

Il batterio Legionella è stato identificato per la prima volta nel 1977 negli Stati Uniti, effettuando studi sul tessuto polmonare di numerose persone decedute l’anno precedente a seguito di una pneumopatia acuta febbrile riconducibile ad un ben determinato evento: nel luglio 1976, a Filadelfia, durante un raduno annuale di reduci militari (American Legion) presso l’Hotel Bellevue, avevano contratto la malattia circa 200 persone delle 4000 presenti, con un tasso di mortalità del 15%. Da questa circostanza, nel 1978, venne assegnato al batterio il nome di “Legionella” per il genere e di “Legionella Pneumophila” per la specie. Effettuando analisi a ritroso su casi clinici non risolti fu possibile spiegarli come legionellosi, individuando precedenti manifestazioni della malattia negli Stati Uniti fra gli anni ’40 e gli anni ’50. Il primo caso clinico individuato in Italia risale al 1978.

L’habitat caratteristico del batterio è l’ambiente naturale acquatico, in condizioni chimico-fisiche assai diversificate. Ne è stata riscontrata la presenza in un intervallo di temperatura 5,7 °C – 63 °C (ottimale per la crescita 32 °C – 42 °C) ed in un intervallo di acidità 5,5 pH – 8,1 pH (ottimale per la crescita 6,8 pH – 6,95 pH). L’interazione dell’uomo con tale habitat, in cui il batterio si trova a basse concentrazioni, non implica effetti diretti di contaminazione.

Qual'è dunque il meccanismo di trasmissione tra ambiente acquatico ed ambiente antropico? Prima di rispondere occorre considerare che il batterio in acqua è solo in grado di sopravvivere; per riprodursi necessita di entrare in simbiosi con microorganismi elementari ovvero è un parassita facoltativo intracellulare di diverse specie di protozoi. In questa associazione diviene determinante la temperatura dell’acqua (secondo il diagramma di Hogdson-Casey):

• T < 20 °C i batteri sono assimilati dai protozoi;
• 20 °C < T < 50/60 °C i batteri proliferano all’interno dei protozoi;
• T > 50/60 °C morte dei batteri in funzione del tempo di esposizione a tale temperatura.

Il biofilm costituito dalla simbiosi, pur essendo difficilmente riproducibile e coltivabile in laboratorio, ha una probabilità di accadimento molto elevata nell’ambiente antropico, aderendo a superfici solide di varia natura. In particolare sono a rischio impianti di adduzione e scarico, serbatoi e accumuli, sistemi di ricircolo, sistemi di compostaggio, sistemi di umidificazione su impianti ad aria, torri di raffreddamento. Il biofilm rilascia batteri in maniera intermittente al passaggio di acqua sotto forma di aerosol. L’infezione dell’uomo avviene sempre tramite inalazione di aerosol proveniente da biofilm contaminato; non è nota la concentrazione minima necessaria. Il batterio attraversa le vie respiratorie e raggiunge i polmoni, nei quali si riproduce secondo un meccanismo simile a quello della simbiosi tra batterio e protozoi. Non è mai stata accertata una contaminazione diretta tra soggetto sano e soggetto malato. La patogenicità del batterio assume la massima espressione in un campo variabile tra 30 °C e 37 °C, temperatura alla quale esso sviluppa un elevato numero di flagelli. La presenza di flagelli ne accentua significativamente la capacità infettiva.

I fattori di rischio legati all’uomo sono riconducibili all’età, al sesso (i casi di infezione maschile sono circa il doppio rispetto a quelli femminili), ad alcolismo o tabagismo, a malattie croniche o immunodepressive.

La malattia è stata classificata secondo quattro forme cliniche:

• Quadro asintomatico;
  
• Febbre di Pontiac: sintomatologia influenzale che si risolve nell’arco di pochi giorni. Alta diffusione ed assenza di mortalità;
  
• Malattia del Legionario: si manifesta con febbre elevata e difficoltà respiratoria. Bassa diffusione e media mortalità (5% - 50%);
  
• Forme extrapolmonari.
  

I fattori di rischio legati all’ambiente sono rappresentati da contesti di tipo specifico quali ospedali, strutture turistico-ricettive, stabilimenti termali, residenze collettive, caserme, nei quali possono verificarsi circostanze favorevoli per l’annidamento, crescita e diffusione del batterio. In particolare impianti idrici estesi e di vecchia data, con rami morti o raramente utilizzati, tubazioni incrostate o corrose su cui aderisce il biofilm dalle quali trae alimentazione, depositi calcarei porosi. I materiali meno favorevoli per lo sviluppo del biofilm sono il rame ed altri metalli quali l’argento. Al contrario il vetro, la plastica ed in particolare la gomma costituiscono superfici facilmente colonizzabili.

La definizione di nZEB data dalla Direttiva EPBD recast è di natura qualitativa e necessita di una serie di azioni interpretative in fase di implementazione.

Secondo la definizione data nearly Zero Energy Building è un edificio che verifica tre caratteristiche:

- prestazione energetica molto elevata, determinata in conformità a Annex 1 della Direttiva EPBD recast;

- domanda di energia molto modesta;

- copertura della domanda di energia prevalentemente tramite fonti rinnovabili. La specificazione di tenere conto a tal fine di fonti rinnovabili locali non esclude l’eventualità di tenere conto anche di fonti rinnovabili delocalizzate o acquistate.

L’Annex 1 stabilisce che la prestazione energetica deve essere determinata considerando: le caratteristiche termiche costruttive dell’edificio; i dispositivi di riscaldamento, di produzione di acqua calda sanitaria, di condizionamento dell’aria, di ventilazione naturale e meccanica, di illuminazione artificiale; la forma, la posizione e l’orientamento dell’edificio in relazione al clima esterno; l’interazione passiva con la fonte solare; il clima interno; le sorgenti termiche interne. Considerando inoltre gli eventuali effetti positivi derivanti da: l’interazione attiva con la fonte solare e i sistemi energetici da fonti rinnovabili; i dispositivi di cogenerazione; i dispositivi di teleriscaldamento; l’illuminazione naturale. Secondo l’Annex 1 la considerazione di questi aspetti a livello di metodologia di calcolo della prestazione energetica è essenziale, ma non limitativa. L’Annex 1 stabilisce inoltre che la prestazione energetica deve essere determinata riconducendo ciascun edificio ad una delle seguenti destinazioni d’uso: edifici residenziali isolati; blocchi di appartamenti; uffici; scuole; ospedali; strutture turistico-ricettive; installazioni sportive; edifici commerciali; altri edifici.

Un edificio nZEB si differenzia da un edificio ZEB o NZEB in quanto le rispettive domanda e domanda netta di energia non sono zero ma prossime a zero.

Per stabilire l’ampiezza della prossimità a zero si applica all’edificio la parametrizzazione “ottimalità dei costi”, in modo che la prestazione energetica sia spinta tanto quanto risulta conveniente secondo una analisi costi-benefici estesa al ciclo di vita economico dell’edificio.

In questa prospettiva il requisito nZEB è in divenire, ovvero la soglia minima rappresentata dal requisito nZEB evolve nel tempo in relazione al mercato dell’energia.

In ottica di analisi costi-benefici il rapporto fra tecnologie passive e attive viene regolato secondo criteri di efficienza economica.

In un contesto può risultare economicamente conveniente il modello di edificio passivo, mentre in un altro il modello di edificio attivo. Analogamente per la configurazione a isola e quella in rete. Il requisito di modesta domanda di energia non dovrebbe essere motivo di compromissione del livello di qualità ambientale dell’edificio, e il requisito di elevata copertura della domanda tramite fonti rinnovabili non dovrebbe essere motivo di non-efficienza del sistema.

I principali usi dell’acqua calda solare in ambito residenziale sono:

- produzione di Acqua Calda Sanitaria (ACS), durante l’intero arco dell’anno;

- riscaldamento di edifici, durante il periodo invernale;

- riscaldamento di piscine, durante il periodo estivo.

Per quanto riguarda il riscaldamento di edifici e piscine non esistono criteri di predimensionamento generici, ma occorre effettuare un calcolo specifico caso per caso. Viceversa possono essere date indicazioni di massima per quanto riguarda la produzione di ACS.

Convenzionalmente il consumo giornaliero di acqua calda alla temperatura di 40 – 45 °C in ambito residenziale è pari a 50 l per persona. Al fine di non sovradimensionare l’impianto solare termico (antieconomico e potenzialmente dannoso per l’impianto stesso in caso di sovraproduzione/surriscaldamento), una progettazione corretta mira a coprire tramite fonte solare circa il 50/60% del fabbisogno energetico complessivo, ricorrendo ad altra fonte “integrativa” per coprire il fabbisogno residuo.

L’utenza media residenziale è rappresentata da un nucleo familiare composto da quattro persone, che abitano continuativamente l’edificio cui l’impianto è asservito. Il fabbisogno convenzionale complessivo di ACS è quindi pari a 200 l giorno. Per latitudini comprese tra 42° e 44° nord, sono idonei 4 m2 di superficie di pannello solare (orientato verso sud e a media inclinazione) per coprire su base annua il 50-60% di tale fabbisogno, con massimi del 100% durante i mesi estivi e minimi del 10% durante i mesi invernali. Si deduce quindi che il parametro standard è 1 m2 di superficie di pannello solare per 1 persona, con dimensionamento tendenzialmente più ampio spostandosi verso latitudini settentrionali e viceversa meno ampio verso latitudini meridionali.

Come già accennato, è indispensabile utilizzare un dispositivo di stoccaggio (serbatoio di acqua) al fine di accoppiare vantaggiosamente la produzione energetica con il consumo energetico. A riguardo il parametro standard è 75 l di volume di accumulo per 1 m2 di superficie di pannello solare.

Gli elementi principali di un sistema solare termico sono il pannello solare, il serbatoio di accumulo, una caldaia (o altro generatore termico) di integrazione, una pompa elettrica di circolazione (in caso di circolazione forzata) e una utenza. Tali elementi sono raccordati tra loro da condutture idrauliche, all’interno delle quali scorre acqua o frequentemente acqua additivata con glicole, sostanza avente funzione antigelo.

Lo scorrimento del fluido nelle condutture può avvenire per circolazione naturale o per circolazione forzata.

- circolazione naturale: in questa configurazione lo scorrimento è dato dalla differente temperatura e quindi densità tra fluido nel pannello solare e fluido nel serbatoio di accumulo. E’ la configurazione più economica ma meno efficiente, applicabile solamente a circuiti di piccola estensione. In questo caso il serbatoio deve essere posizionato a quota più elevata del pannello;

- circolazione forzata: in questa configurazione lo scorrimento è dato dall’azione di una pompa elettrica ausiliaria. E’ la configurazione meno economica ma più efficiente, applicabile a circuiti di qualunque estensione. In questo caso non ci sono vincoli di posizionamento dell’accumulo rispetto al pannello.

Come descritto al precedente paragrafo, l’utenza può essere costituita dal riscaldamento di edifici o piscine o dalla produzione di ACS. Lo schema riferito alla produzione di ACS è composto da tre distinti circuiti idraulici.

- circuito 1 “solare”, in cui l’energia termica è trasferita dal pannello solare al serbatoio di accumulo;

- circuito 2 “integrativo”, in cui l’energia termica è trasferita dalla caldaia di integrazione al serbatoio di accumulo;

- circuito 3 “sanitario”, in cui l’acqua fredda proveniente dall’acquedotto fluisce attraverso il serbatoio di accumulo riscaldandosi prima di essere erogata all’utenza.

Ipotizzata pari a 10 °C la temperatura dell’acqua fredda proveniente dall’acquedotto e pari a 45 °C la temperatura dell’acqua calda erogata alle utenze, in condizioni di funzionamento medie l’energia proveniente dal circuito solare serve ad effettuare il primo salto termico, da 10 °C a circa 30-35 °C, mentre l’energia proveniente dal circuito integrativo serve ad effettuare il secondo salto termico, da circa 30-35 °C a 45 °C.

L’energia solare è una fonte energetica rinnovabile e accessibile tramite tecnologie oggi ampiamente diffuse, quali i sistemi solari termici e i sistemi solari fotovoltaici. I primi rendono disponibile l’energia solare sotto forma di acqua (o talvolta aria) calda, mentre i secondi sotto forma di elettricità. Nel presente articolo verranno illustrati gli elementi essenziali della tecnologia solare termica, con particolare riferimento alle applicazioni nel settore residenziale.

L’energia solare non è solo una fonte energetica rinnovabile ma è anche la sorgente da cui derivano, direttamente o indirettamente, la maggior parte di fonti energetiche rinnovabili di cui disponiamo:

- l’energia idroelettrica deriva dal sole tramite il “ciclo dell’acqua”;

- le biomasse derivano dal sole tramite il fenomeno della “fotosintesi clorofilliana”;

- il vento deriva dal sole tramite il meccanismo del “gradiente termico tra poli e equatore”.

Non sono invece di origine solare la geotermia, originata dal calore endogeno della Terra, e le maree, originate dall’interazione gravitazionale Terra-Luna.

Come ogni risorsa, l’energia solare presenta vantaggi e svantaggi, che ne rendono non sempre conveniente l’utilizzo. Tra i vantaggi il principale è la disponibilità sulla superficie terrestre, con intensità variabile in funzione della latitudine. Tra gli svantaggi il principale è la discontinuità su base giornaliera (alternanza giorno/notte) e la variabilità su base annuale (ciclo delle stagioni), oltre all’effetto penalizzante dovuto ai fenomeni meteorologici.

Da queste considerazioni si deduce che in generale la convenienza ad utilizzare l’energia solare è più elevata dove è maggiore la disponibilità della risorsa. Si deduce inoltre che per accoppiare vantaggiosamente una produzione energetica “discontinua” con un consumo energetico “variabile” è indispensabile utilizzare un dispositivo di stoccaggio in cui accumulare energia quando la produzione è più elevata del consumo e viceversa da cui prelevare energia quando il consumo è più elevato della produzione. I dispositivi di stoccaggio maggiormente diffusi sono i serbatoi di acqua, per i sistemi solari termici, e le batterie elettriche, per i sistemi solari fotovoltaici. Se un sistema fotovoltaico è connesso alla rete elettrica, è la rete stessa a funzionare come dispositivo di stoccaggio.

I pannelli solari termici possono essere ricondotti a due categorie di riferimento: i pannelli a piastra piana e i pannelli a tubi sottovuoto. In linea di principio i pannelli a piastra piana sono più economici ma meno efficienti, mentre quelli a tubi sottovuoto sono più costosi ma più efficienti. Per applicazioni nel settore residenziale l’analisi costi-benefici porta generalmente a preferire la tipologia a piastra piana.

La posizione di un qualunque pannello solare termico può essere descritta geometricamente tramite due angoli: l’angolo di azimuth, ovvero lo scostamento dell’asse mediano del pannello rispetto alla direzione nord-sud, e l’angolo di tilt, ovvero l’inclinazione del piano del pannello rispetto al piano orizzontale.

Convenzionalmente l’angolo di azimuth ha valore 0° se il pannello è rivolto verso sud e ha valore 180° se il pannello è rivolto verso nord. Similmente l’angolo di tilt ha valore 0° se il pannello è in posizione verticale e ha valore 90° se il pannello è in posizione orizzontale.

Con riferimento all’emisfero settentrionale, il posizionamento orizzontale ottimale di un pannello è con angolo di azimuth 0°, ovvero verso sud. Ciò è logico, se si considera il moto apparente del Sole rispetto alla Terra. Sempre con riferimento all’emisfero settentrionale, il posizionamento verticale ottimale di un pannello è con angolo di tilt funzione del periodo prevalente di utilizzo:

- inclinazione circa 30° per utilizzo prevalente durante il periodo estivo, quando il sole durante le ore centrali della giornata è “alto sull’orizzonte”;

- inclinazione circa 60° per utilizzo prevalente durante il periodo invernale, quando il sole durante le ore centrali della giornata è “basso sull’orizzonte”;

- inclinazione circa 45° (o altrimenti pari alla latitudine della località) per utilizzo durante l’intero arco dell’anno.

Anche ciò è logico, se si considera il moto apparente del Sole rispetto alla Terra.

I criteri descritti sono validi per contesti privi di ostruzioni, quali edifici o alberi circostanti. E’ comunque sempre opportuno verificare, specie in contesti urbani ad alta densità, che la superficie di installazione dei sistemi solari termici non risenta eccessivamente delle eventuali ombre portate da questo genere di ostruzioni.

La policy dell’Unione Europea in ambito clima-energia è articolata in step successivi, aventi differenti orizzonti temporali:

- 2020 Package;

- 2030 Framework;

- 2050 Roadmap.

Se ne descrivono di seguito gli aspetti di maggior rilievo, al fine di inquadrare l’obiettivo “20-20-20” all’interno di una azione strategica e programmatica di più ampia portata.

A) 2020 Package

Il “Package 2020” è un insieme di atti vincolanti il cui scopo è assicurare che l’Unione Europea raggiunga entro il 2020 i seguenti target:

- riduzione del 20% delle emissioni di gas a effetto serra rispetto al livello al 1990;

- copertura del 20% del consumo finale lordo di energia tramite fonti energetiche rinnovabili;

- aumento del 20% dell’efficienza energetica.

In Europa è in atto una trasformazione verso una economia ad alta efficienza energetica e a bassa intensità di carbonio. L’obiettivo “20-20-20” rappresenta un approccio integrato alla policy in ambito clima-energia, finalizzato a mitigare il cambiamento climatico, aumentare la sicurezza energetica e rafforzare la competitività. Esso è inoltre l’elemento centrale della strategia “Europa 2020”, volta ad uno sviluppo intelligente, sostenibile e inclusivo.

Le quattro principali linee operative che costituiscono il Package 2020 sono:

1) riforma del EU Emissions Trading System (EU ETS):

il sistema EU ETS costituisce lo strumento chiave per ridurre le emissioni industriali di gas serra in maniera cost-effective. Il Package 2020 prevede una revisione complessiva del sistema e un rafforzamento della Direttiva 2009/29/EC “Emission Trading”. Il principale cambiamento è l’introduzione di un unico limite di emissioni a scala europea al posto dell’attuale serie di limiti a scala nazionale. L’assegnazione libera di concessioni verrà progressivamente sostituita da un meccanismo d’asta, a partire dal settore della generazione elettrica di potenza;

2) obiettivi nazionali per le emissioni di gas serra relative ai settori non-ETS:

tramite la Decisione 406/2009/EC “Effort Sharing” gli Stati Membri si sono impegnati su obiettivi nazionali vincolanti per ridurre le proprie emissioni di gas serra relative ai settori non-ETS, quali gli edifici e i trasporti. Circa il 60% delle emissioni complessive europee è dovuto a settori non-ETS. Gli obiettivi nazionali sono differenziati;

3) obiettivi nazionali per le fonti energetiche rinnovabili:

tramite la Direttiva 2009/28/EC “Renewable Energy Sources” gli Stati Membri si sono impegnati su obiettivi nazionali vincolanti per aumentare la propria quota di consumo energetico coperta tramite fonti energetiche rinnovabili. Questi obiettivi riflettono i differenti punti di partenza e il differente potenziale di incremento di produzione da fonti energetiche rinnovabili degli Stati Membri. Gli obiettivi nazionali dovrebbero consentire all’Unione Europea di raggiungere al 2020 il target complessivo del 20%;

4) Carbon Capture and Storage:

la Direttiva 2009/31/EC “CCS” stabilisce un quadro di riferimento per una applicazione ambientalmente sicura delle tecnologie CCS. La CCS prevede il sequestro della CO2 emessa da installazioni industriali e il suo stoccaggio in depositi sotterranei, evitandone così l’impatto sul riscaldamento globale.

B) 2030 Framework

Il “Framework 2030” è finalizzato a rendere l’economia e l’assetto energetico dell’Unione Europea più competitivi, sicuri e sostenibili. Esso conferma i tre target stabiliti dal “2020 Package”, aumentandone la portata:

- riduzione del 40% delle emissioni di gas a effetto serra rispetto al livello al 1990;

- copertura del 27% del consumo finale lordo di energia tramite fonti energetiche rinnovabili;

- aumento del 27% dell’efficienza energetica.

La riduzione delle emissioni di gas serra è considerata prioritaria, in quanto l’incremento tra orizzonte 2020 e orizzonte 2030 è pari a 20 punti percentuali rispetto allo stesso anno di riferimento (1990), cioè da 20% a 40%. Gli altri due target presentano invece incrementi da 20% a 27%. La priorità è dovuta al necessario allineamento con l’ambizioso obiettivo fissato al 2050, di cui al seguente punto C). La riduzione delle emissioni di gas serra è l’unico dei tre target per il quale siano stati fissati limiti oltre il 2030. I limiti fissati al 2030 tengono conto della necessità di convergenza tra sfera ambientale e sfera economica, ovvero il conseguimento degli obiettivi in ambito clima-energia non dovrebbe compromettere lo sviluppo e la competitività dell’economia europea.

C) 2050 Roadmap

Tramite l’azione “Roadmap for moving to a competitive low-carbon economy in 2050” la Commissione Europea ha guardato oltre gli obiettivi a breve termine e ha impostato una modalità cost-effective per raggiungere entro il 2050 una riduzione delle emissioni di gas serra del 80% rispetto al livello al 1990 (40% al 2030 e 60% al 2040). Lo scenario che ne emerge è quello di una complessa ma inevitabile transizione verso una società “Low Carbon”. Secondo le previsioni, la transizione verso una società Low Carbon dovrebbe potenziare l’economia europea grazie all’aumento di innovazione e agli investimenti in tecnologie “verdi”. In una prospettiva di convergenza tra sfera ambientale e sfera economica, la riduzione delle emissioni di gas serra dovrebbe essere ripartita secondo modalità cost-effective tra i vari settori economici. Ovvero ciascun settore dovrebbe contribuire in funzione del proprio potenziale tecnologico e economico.

La questione del cambiamento climatico, dei suoi motivi e dei suoi effetti, è attualmente oggetto di dibattito. Dati gli scopi del presente focus, non è nostra intenzione entrare in tale dibattito. Nel seguito verrà quindi fatto riferimento alla posizione espressa dall’Unione Europea.

Uno dei principali indicatori del cambiamento climatico è il grado atmosferico di anidride carbonica (CO2). La CO2 è un gas a effetto serra, in quanto ostacola l’irradiazione verso lo spazio dell’energia solare riflessa o assorbita e reirraggiata dalla superficie terrestre. L’effetto serra induce un aumento della temperatura media globale della superficie terrestre. Per questo la CO2 viene identificata come gas climalterante. Sul periodo 1960-2015 è stato rilevato un aumento di circa il 30% del grado atmosferico di CO2, e il relativo trend indica come probabile un ulteriore aumento. Si stima che la CO2 sia responsabile dei due terzi del riscaldamento globale dovuto all’azione antropica. Una delle principali fonti di rilascio di CO2 in atmosfera è la combustione di combustibili fossili, mentre la deforestazione riduce la capacità dell’ecosistema naturale di stoccare CO2 nelle specie vegetali. L’implicazione tra combustione di combustibili fossili e aumento del grado atmosferico di CO2 risulta evidente se si considera che sul periodo 1950-2000 la combustione di composti fossili a base carbonio è aumentata di oltre il 300%.

L’azione su scala mondiale per controllare e limitare le emissioni di gas serra ha come principale riferimento il Protocollo di Kyoto. Tale accordo regima l’emissione di sei composti: anidride carbonica, metano, diossido di azoto, idrofluorocarburi, perfluorocarburi e esafloruro di zolfo.

La temperatura media globale della superficie terrestre è aumentata di 0,85 °C dall’inizio del XIX secolo. Le emissioni di gas serra dovute all’azione antropica sono il principale motivo del riscaldamento globale. La consapevolezza dei rischi derivanti dal riscaldamento globale ha portato la comunità internazionale a stabilire come limite un aumento di 2 °C rispetto alla temperatura media durante il periodo 1850-1990. Tuttavia allo stato attuale, nel caso in cui non vengano prese misure drastiche per ridurre le emissioni di gas serra, l’aumento di temperatura potrebbe raggiungere i 5 °C entro la fine del XXI secolo.

La posizione dell’Unione Europea riguardo la questione del cambiamento climatico è così sintetizzata: “Gli effetti del cambiamento climatico si manifestano in tutti i continenti e il loro impatto è previsto intensificarsi durante i prossimi decenni. Un cambiamento climatico non mitigato espone a rischi elevati per la salute umana, per la sicurezza alimentare globale, per lo sviluppo economico e per l’ecosistema da cui dipende il nostro benessere. La società deve quindi prendere misure per adattarsi a questi inevitabili impatti e al tempo stesso impegnarsi a ridurre l’emissione di gas serra, che è tra i motivi del cambiamento climatico”.

Alcuni effetti evidenti del riscaldamento globale sono lo scioglimento dei ghiacciai, l’innalzamento del livello del mare e gli eventi meteorologici estremi. Tali eventi espongono a rischi diretti per la salute e la sicurezza della popolazione, mentre i danni ai beni e alle infrastrutture impongono costi gravosi per la società e per l’economia. In una prospettiva di ecosistema naturale il cambiamento climatico sta avvenendo così rapidamente che molte specie animali e vegetali hanno problemi di adattamento. Si stima che un riscaldamento da 1,5 °C a 2,5 °C oltre il livello attuale esporrebbe il 20-30% delle specie animali e vegetali a rischio estinzione.

“Prevenire pericolosi cambiamenti climatici è una priorità strategica per l’Unione Europea. L’Europa sta agendo per ridurre in misura significativa le proprie emissioni di gas serra e al tempo stesso sta sostenendo altri Paesi a fare allo stesso modo”. L’azione intrapresa dall’Unione Europea è finalizzata a trasformare l’Europa in una economia ad alta efficienza energetica e a bassa intensità di carbonio. Principali elementi della strategia europea sono: