Decarbonizzazione di un complesso edilizio tramite pompa di calore aria-acqua e fotovoltaico: analisi energetica, LCA e CBA

This thesis develops an integrated energy, environmental, and economic analysis for the energy retrofitting of a building complex located in Padua, aimed at the transition towards zero-emission systems. By utilizing the dynamic simulation software EnergyPlus, the performance of the building-plant system was evaluated by replacing the existing natural gas boiler with an air-to-water heat pump system. Given the presence of an unreplaceable radiator emission system, three different supply temperature scenarios (45°C, 55°C e 65°C) were analyzed. Furthermore, the integration of a photovoltaic system was also assessed. The energy analysis highlighted that the low supply temperature scenario (45°C) requires an installation increase of 53% in radiator elements compared to the baseline condition to bridge the thermal deficits. From an environmental perspective, the application of the Cradle-to-Grave Life Cycle Assessment (LCA) methodology demonstrated that, despite the high embodied carbon value (Stages A1–A5) due to the photovoltaic carport structures, the contribution of renewable sources guarantees a drastic reduction in operational emissions (Stages B1–B7). Specifically, the standalone heat pump scenario operating at 45°C emerges as the global optimum from an environmental standpoint, achieving a reduction in greenhouse gas emissions of approximately 78% compared to the baseline state. The Cost-Benefit Analysis (CBA), extended up to the year 2050 and conducted by introducing predictive Carbon Tax scenarios on natural gas, validates the financial sustainability of the interventions, also enhanced by the incentives of the Conto Termico 3.0. Under the most penalizing tariff hypothesis for the fossil vector, the configuration based on the integrated system (heat pump at 45°C combined with a photovoltaic plant) represents an optimal overall solution with a Payback Time (PBT) of 4 years. Conversely, if the strategic priority is the minimization of short-term economic risk, the standalone heat pump variant at 45°C qualifies as the preferable asset; indeed, the absence of the high upfront investments required for the photovoltaic carport structures ensures a reduced capital exposure at year zero, contracting the PBT to just 2 years.

Il presente lavoro di tesi sviluppa un'analisi energetica, ambientale ed economica per la riqualificazione di un complesso edilizio situato a Padova, finalizzata alla transizione verso sistemi a zero emissioni. Attraverso l'uso del software di simulazione dinamica EnergyPlus, è stato valutato il comportamento del sistema edificio-impianto sostituendo l'attuale caldaia a gas naturale con un sistema a pompa di calore aria-acqua. Vista la presenza di un sistema di emissione con radiatori non sostituibili, sono stati analizzati tre differenti scenari di temperature di mandata (45 °C, 55 °C e 65 °C). Inoltre, è stata valutata anche l'integrazione di un impianto fotovoltaico. L’analisi energetica ha evidenziato che lo scenario a bassa temperatura di mandata (45°C) richiede l'installazione pari a un incremento del 53% di elementi radianti rispetto allo stato di fatto per colmare i deficit. Sotto il profilo ambientale, l'applicazione della metodologia Life Cycle Assessment (LCA) Cradle-to-Grave ha dimostrato che, a fronte dell'elevato valore di carbonio incorporato (Stage A1-A5) dovuto alle strutture dei carport fotovoltaici, l’apporto delle fonti rinnovabili garantisce una drastica riduzione delle emissioni operative (Stage B1-B7). Nello specifico, lo scenario a sola pompa di calore operante a 45 °C si attesta come l'ottimo globale dal punto di vista ambientale, registrando una contrazione delle emissioni di gas a effetto serra pari a circa il 78% rispetto allo stato di fatto. L'Analisi Costi-Benefici (CBA), estesa fino all'anno 2050 e condotta introducendo scenari predittivi di Carbon Tax sul gas naturale, convalida la sostenibilità finanziaria degli interventi, grazie anche alle agevolazioni del Conto Termico 3.0. Nell'ipotesi tariffaria più penalizzante per il vettore fossile, la configurazione basata sul sistema integrato (pompa di calore a 45 °C con impianto fotovoltaico) rappresenta un’ottima soluzione, con un tempo di ritorno dell’investimento (PBT) di 4 anni. Al contrario, qualora la priorità strategica sia la minimizzazione del rischio economico a breve termine, la variante a sola pompa di calore a 45°C si qualifica come lo scenario preferibile; l’assenza degli elevati investimenti iniziali legati alle strutture dei carport fotovoltaici garantisce infatti un’esposizione di capitale all’anno zero ridotta, contraendo il PBT a soli 2 anni.