Approccio modellistico ad una valutazione energetica, economica e ambientale di un impianto di climatizzazione integrato da fonti rinnovabili per un'utenza residenziale

The issues of energy and environment and those of climate change have become more important in the current economic crisis. The depression of economic activities has meant that many questioned the appropriate action to be taken to mitigate the effects of economic crisis. In this regard, the technologies of today play an important role, but must seek a way to meet the challenge of a growing demand for energy, trying to rationalize their use. The end-use energy efficiency in the residential, transport, industry and good energy mix are the most effective response to this need for continuous innovation. The new energy technologies using renewable resources and the rational use of energy could work as a starting point to ensure an economic recovery. As well as guarantying a consistency with the energy and environmental constraints. Energy is a key to economic and social development and therefore requires a rebalancing of the availability of energy resources. In fact, the systematic use of renewable energy, energy saving and bio-architecture can become a vehicle for development and independence. The aim of this work lies in the willingness to deepen a theme relating to increased energy efficiency of the plant system of a building. This leads to the design of a building with reduced energy demand, then addresses the relationship between single-building facility. The characteristics of the building taken in architectural design choices are reflected directly on the plant project. From the thermal point of view, the two are complementary, as both contribute to the achievement of an objective. Namely to obtain the conditions of environmental comfort, and performance of one of them can be balanced on the other. It is therefore necessary to treat the whole system, according to an integrated design. The aim of this thesis, is not the analysis of the building, namely of manufacturing technologies for a efficient design. The aim is the analysis of efficient engineering solutions, from the point of view of energy, economic and environmental medium. “The integrated approach allows to optimize the system design, acting simultaneously on minimizing the consumption of individual users, on the local and economic energy production, on the integration of renewable sources, and on the system management “ The first chapter deals with the national and international situation about the use of energy. It also deals with the impact of the economic crisis over the technologies of energy investment. The second chapter talks about the concept of energy efficiency in the residential sector, especially in constructive technologies. The third chapter, on the other hand, describes the plant solutions with a low consumption of energy. The fourth chapter describes the laws about the energy efficiency. Following the Kyoto Protocol, the European Union adopted Directive 2002/91/EC which requires EU countries to adopt policies for energy saving and renewable energy development. In this regard, the adoption of the "New Energy Bill," Decree 19 February 2007, sets the criteria and procedures for promoting the production of electricity through photovoltaic conversion of solar energy, and provides that the GSE (Electrical Services Manager) it is the actuator The fifth chapter describes a model for to value economics and environmental efficiency of a residential building. The site of the study is a block of 21 flats located in the municipality of Nerviano, near Milan. The analysis was made of thermal loads for heating and cooling needs and for hot water, with the data of the software Cened. Two technologies were analyzed: photovoltaic solar and geothermal. These two technologies were quantified. After this an economic saving for to use these two technologies (€/kWh ) was established. The Business Plan is an important element to check financial and economic feasibility and allow to estimate the economic benefit that derived from the installation of photovoltaic and Pay-back time. An estimation was made of the environmental benefits that generate no emissions of air pollutants such as CO2 and nitrogen oxides. The same thing was done for the geothermal system. The geothermal system is also characterized by the absence of further emissions of local pollutants.. The Sixth Chapter deals with the relationship between the constructor and the customer, as well as their relations to make decisions. A simple model was defined to create the balance point between customer and constructor, if they have cost-effectiveness, to invest in an energy efficient plants. I have also established a profit margin for the constructor. The Seventh Chapter the LCA methodology is applied. The LCA is applied to the photovoltaic solar panels; I have demonstrated that is a efficient solution to the local level, but during his life cycle (construction, disposal of stock) is characterized to the pollutants emission; however the emission doesn’t have a strong impact over the environment. The innovative nature of this project is the integration of renewable solar photovoltaic and geothermal power. Both are technologies that today are expanding rapidly commercial. Building homes in high-energy class includes high economic returns because it offers incentives allocated by Government for housing in Classes A and B. It 's clear, however, that the purpose of government is not quantitative but qualitative: to launch the new housing market and ecological construction companies to convert into the new business. Also having the ability to make smart investments will bring more growth and a long-term sustainable development.

Le questioni di energia e ambiente e quelle di cambiamento climatico hanno acquisito ulteriore importanza nel quadro dell’attuale crisi economica. La depressione delle attività economiche ha fatto si che ci si interrogasse sulle azioni più opportune da prendere per mitigare gli effetti della crisi economica. A tale riguardo, le tecnologie dell’energia oggigiorno rivestono un ruolo importante, bisogna cercare però un modo per rispondere alla sfida di una domanda sempre crescente di energia, cercandone di razionalizzarne l’utilizzo. L’efficienza negli usi finali di energia,nel settore residenziale,nei trasporti,nell’industria e un buon mix energetico sono la risposte più efficaci a questa esigenza di innovazione continua. Le nuove tecnologie energetiche sfruttando risorse rinnovabili e l’uso razionale dell’energia potrebbero funzionare come punto di partenza per garantire una ripresa economica, garantendo anche coerenza con i vincoli energetici e ambientali. L’energia costituisce una chiave dello sviluppo economico e sociale e impone quindi un riequilibrio della disponibilità delle risorse energetiche, infatti l'utilizzo sistematico delle fonti rinnovabili d'energia, il risparmio energetico e la bioarchitettura possono divenire veicolo di sviluppo e indipendenza. Tra i temi di attualità, quello del risparmio energetico è tra i più dibattuti negli ultimi anni. Questo argomento è strettamente collegato al problema del riscaldamento globale, infatti mentre sul prossimo esaurimento delle risorse energetiche tradizionali non esistono certezze assolute, per quanto riguarda l’azione nociva dei gas serra, la comunità scientifica è concorde su una netta presa di posizione contro l’emissione di tali sostanze, provocata in larga parte dall’utilizzo di combustibili fossili. In questo contesto l’Unione Europea sta promuovendo la diffusione di tecnologie che non prevedono l’utilizzo di gas, petrolio o carbone, soprattutto per il settore dell’edilizia in cui una corretta progettazione e l’impiego di tecnologie non convenzionali possono portare alla riduzione anche del 80% dei consumi dell’energia. L’ obiettivo di questo lavoro, risiede nella volontà di approfondire un tema relativo all'incremento dell'efficienza energetica del sistema impiantistico di un edificio, per giungere alla progettazione di un edificio a ridotta domanda di energia. Le caratteristiche dell'involucro edilizio adottate nel progetto architettonico si riflettono direttamente sulle scelte del progetto impiantistico. Dal punto di vista termico i due elementi sono complementari, in quanto entrambi concorrono al raggiungimento del medesimo obiettivo, ovvero l'ottenimento delle condizioni di confort ambientali, e la prestazione di uno di essi può essere bilanciata dall'altro. Risulta dunque necessario trattare complessivamente il sistema, secondo una progettazione integrata. La tesi riguarda lo studio di un progetto ad alto contenuto innovativo per il risparmio energetico e per l'utilizzo di fonti alternative, che consiste nell'integrazione di un sistema di raffrescamento e riscaldamento degli edifici attraverso pompe di calore ad alta efficienza con una sorgente elettrica solare fotovoltaica ad inquinamento nullo per la totale copertura del consumo dell’impianto. Ciò che manca all’approccio della sostituzione è il vantaggio che potrebbe essere offerto da una visione più sistemica che permetta di valutare un insieme coordinato di nuove tecnologie di consumo e generazione locale di energia ed armonizzato con le opportunità territoriali e le esigenze locali. Quello che mi propongo di fare è ottimizzare l’interazione tra consumo e generazione locale dell’energia, riducendo i consumi e ricorrendo quanto più possibile ed economicamente compatibile alle fonti rinnovabili. La visione integrata permette di ottimizzare la progettazione dell’intero sistema agendo contestualmente sulla minimizzazione dei consumi delle singole utenze, sulla produzione locale ed economica dell’energia, sulla integrazione delle fonti rinnovabili, sulla gestione ottimale del sistema. Il Capitolo 1 serve per definire la situazione generale ; descrive lo scenario energetico attuale, a livello mondiale, europeo e nazionale e fa un piccolo accenno alle ripercussioni della crisi economica sugli investimenti in tecnologie efficienti Il Capitolo 2 approfondisce il concetto di efficienza energetica nel settore residenziale soprattutto per quanto riguarda l’utilizzo di tecnologie costruttive efficienti, mentre nel Capitolo 3 ,verranno approfondite le soluzioni impiantistiche a basso impatto energetico. Il Capitolo 4 si propone di descrivere la normativa in termini di efficienza energetica. L’adesione dello Stato italiano al Protocollo di Kyoto, insieme ad altri 160 paesi, ha determinato l'obbligo di impegnarsi nella riduzione delle emissioni di elementi inquinanti (biossido di carbonio ed altri cinque gas serra) in una misura non inferiore al 5,2% rispetto alle emissioni registrate nel 1990, considerato come anno base, nel periodo 2008-2012. Per questo motivo il fotovoltaico è sostenuto ed incentivato dalle istituzioni e dalle amministrazioni, visto il grande beneficio ambientale che è in grado di produrre. In seguito al Protocollo di Kyoto, l’Unione Europea ha emanato la Direttiva 2002/91/CE che impone ai Paesi dell’Unione di adottare politiche di risparmio energetico e di sviluppo delle energie rinnovabili. A tal proposito, l’emanazione del “Nuovo Conto Energia”, decreto 19 febbraio 2007, ha fissato i criteri e modalità per incentivare la produzione di energia elettrica mediante conversione fotovoltaica dell’energia solare, e prevede che il GSE (Gestore dei Servizi Elettrici) ne sia il soggetto attuatore. Il Capitolo 5 descrive l’approccio modellistico utilizzato, per la valutazione energetica economica e ambientale di soluzioni impiantistiche applicate ad un’ utenza residenziale Il sito del caso studio è un’utenza condominiale di 21 appartamenti situata nel comune di Nerviano, in provincia di Milano. Dal punto di vista energetico è stata effettuata l’analisi dei carichi termici di riscaldamento, condizionamento e fabbisogno di acqua calda sanitaria, grazie ai valori che sono stati ricavati dal software CENED +. Ho costruito le curve di potenza con andamento orario per un giorno tipo di ciascun mese, arrivando così a stabilire l’andamento della curva e quindi il relativo picco massimo/medio/minimo di fabbisogno termico, che mi servirà in seguito per il dimensionamento delle varie soluzioni impiantistiche. Sono state analizzate le due tecnologie a disposizione solare fotovoltaico e geotermico, è stato fatto un dimensionamento per poi riuscire a stabilire il risparmio economico derivante dall’adozione di queste due tecnologie. Nell’analisi ho stimato il potenziale di energia elettrica producibile e ho ottenuto il risparmio in €/kWh che si ha beneficiando del Nuovo Conto Energia e come mancato costo di acquisto di energia dalla rete elettrica. La stesura del Business Plan è stato un elemento importante per verificare la fattibilità economica e finanziaria dell’ investimento, mi ha permesso di stimare il beneficio economico ottenibile dall’installazione del fotovoltaico e il tempo di Pay-back. Ho stimato anche i benefici ambientali che ne derivano : mancata emissione di inquinanti nell’atmosfera, quali CO2 e ossidi di azoto Lo stesso è stato fatto per il sistema geotermico, ho dimensionato una caldaia a condensazione ricalcolando i carichi termici e confrontato le due soluzioni. Sono riuscita a stabilire il risparmio conseguibile per il riscaldamento dell’utenza condominiale con il sistema geotermico €/kWh , che nonostante l’elevato costo dell’investimento, è ripagato però dall’ altro lato dall’elevato costo del combustibile per alimentare la caldaia a condensazione Il sistema geotermico è inoltre caratterizzato inoltre dall’assenza di emissioni di inquinanti a livello locale Il Capitolo 6 si propone di evidenziare alcuni aspetti legati al mercato immobiliare, l’analisi del settore, il rapporto esistente tra costruttore e cliente, le logiche con cui questi due soggetti prendono decisioni. Mi sono proposta di definire un semplice modello per trovare il punto d’equilibrio tra cliente e costruttore, ossia se hanno convenienza economica il costruttore nell’investire, e il cliente a comprare appartamenti che utilizzano impianti a fonti rinnovabili. In caso di investimento ho stabilito il margine di guadagno per il costruttore, che il cliente è disposto ad accettare fissato un determinato tempo di Pay Back. L’analisi integrata delle tecnologie mi ha permesso di concludere che sia il cliente che il costruttore saranno motivati dall’effettuare la scelta di “investire” in tecnologie rinnovabili. Il carattere innovativo di questo progetto è l’integrazione tra le fonti rinnovabili solare fotovoltaica e geotermica; entrambe sono tecnologie maturate e commercializzate da almeno una decina di anni che stanno subendo ai giorni nostri una rapida espansione commerciale Ciò comporta numerosi vantaggi,tra cui principalmente: -Costo dei componenti relativamente moderato ,in quanto sono entrati in un sistema di produzione su larga scala. -Convenienza all'innovazione per i produttori (che sono i soggetti coinvolti con maggior risorse economiche),un miglioramento delle prestazioni dei componenti significa una migliore commercializzazione del prodotto. -Esperienza acquisita dagli installatori negli anni passati. -Vantaggio economico per il costruttore,che progettando un edificio a elevata efficienza energetica ossia posizionato in una classe energetica elevata, sarà caratterizzato da una maggiore vendibilità. Costruire abitazioni a classe energetica elevata comporta ritorni economici elevati perché si dispone di incentivi stanziati dal Governo per le abitazioni che rientrano nelle classi A e B. La classe A che ha l'incentivo più ricco prevede un consumo inferiore a 30 chilowatt orari per metro quadrato l'anno; la classe B un consumo superiore a 30 e inferiore a 50 kwh per metro quadrato l'anno. E' evidente, però, che l'obiettivo del governo non e' quantitativo, ma qualitativo: lanciare il nuovo mercato delle abitazioni ecologiche e convertire le imprese edili al nuovo business; avendo la possibilità di effettuare investimenti intelligenti verrà garantita una maggiore crescita e uno sviluppo sostenibile a lungo termine. Nel Capitolo 7 svilupperò l’analisi LCA dei pannelli solari fotovoltaici, in quanto rispetto alle altre soluzioni analizzate sono quelli che per il materiale di cui sono fatti hanno il maggior dispendio energetico durante il loro ciclo di vita, che va dalla produzione alla dismissione Le fonti energetiche rinnovabili sono spesso etichettate come ‘pulite’, trascurando gli impatti ambientali relativi alla produzione e distribuzione di energia La produzione degli impianti ‘rinnovabili’, così come ogni processo produttivo, comporta un consumo di energia e di materie prime nonché il rilascio di sostanze inquinanti. Come si può intuire, la LCA degli impianti per la produzione dell’energia da fonti rinnovabili, può facilmente dimostrare che l’impiego di risorse energetiche finali e le emissioni di gas serra sono largamente più basse di quelle dei sistemi convenzionali. Ciò è principalmente dovuto al fatto che gli impianti rinnovabili non comportano né emissioni né consumi energetici di rilievo nella fase operativa, ma soltanto durante la loro produzione, manutenzione, installazione e dismissione. Tuttavia, nonostante la tecnica LCA sia in grado di dimostrare la superiorità ecologica ed energetica delle fonti rinnovabili, non è l’unico strumento di scelta impiantistica. Infatti, la scelta finale, per qualsiasi attività produttiva, dovrebbe essere quella che scaturisce da una situazione di ottimo economico-ambientale. Purtroppo ancora oggi l’aspetto ambientale non è ritenuto al pari degli altri, le scelte ricadono sempre sulle soluzioni che comportano il guadagno più facile.