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Analisi del fabbisogno di energia termica degli edifici con software geografico libero. Il caso studio di Torino

Questo lavoro nasce nell'ambito del progetto di ricerca europeo Cities on Power per promuovere il risparmio energetico nelle aree urbane. Viene presentato un metodo per la valutazione del consumo energetico sulla città di Torino attraverso l'utilizzo di un software geografico libero (o gis open source). Tale strumento potrà consentire di effettuare delle valutazioni sulla fattibilità di alcuni interventi di riqualificazione energetica.

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La Termotecnica luglio - agosto 2013

Pubblicato
da Valeria Tranchina
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Estratto del testo
Metodi per la valutazione del fabbisogno energe-
tico per la cliMatizzazione invernale e la produ-
zione di acqua calda sanitaria su scala urbana
I modelli che vengono utilizzati per la valutazione del fabbisogno
energetico del parco edilizio esistente vengono suddivisi in tre
categorie [1, 2]: -i modelli top-down: partono da dati di consumo su scala urbana e confrontandoli con i dati climatici e con i risultati dei censimenti e
rilevazioni statistiche consentono di determinare un consumo medio
degli edifici. Questi modelli possono confrontare diverse variabili
economiche, ma non permettono di distinguere variazioni di consumi
nello spazio urbano e quindi, ad esempio, non differenziano la
distribuzione delle emissioni; -i modelli bottom-up: partono dalle simulazioni di consumo dei singoli edifici che ne valutano ogni caratteristica; i risultati poi vengono
accorpati per valutare il consumo energetico di un quartiere o di una
città oppure per fare delle valutazioni sul risparmio energetico a seguito
di interventi di riqualificazione. Per ottenere buoni risultati a scala
urbana necessitano di un gran numero di dati; -i modelli ibridi: utilizzano i fabbisogni energetici di alcuni edifici tipo e li adattano per valutare il consumo di una città. Attraverso una
rappresentazione spaziale dettagliata del parco edilizio, caratterizzata
anche dai dati socio-economici, è possibile associare a ogni edificio
il suo consumo in modo da avere il fabbisogno energetico a scala di
edificio, quartiere o città. L''obiettivo di questo lavoro è la definizione del fabbisogno di energia
termica degli edifici di Torino attraverso un modello ibrido, finalizzata alla
creazione di una mappa in ambiente GIS nella quale a ciascun edificio
(corrispondente a un poligono sulla CTC, Carta Tecnica Comunale)
corrisponde una valore di fabbisogno energetico. Per calcolare
questo valore è necessario individuare delle variabili tipologiche e
geometriche dell''edificio che ne influenzano il fabbisogno termico per
la climatizzazione invernale. La destinazione d''uso di un edificio influisce in modo sostanziale sul
fabbisogno energetico, in relazione sia al e modalità di utilizzo (ad
esempio la ventilazione o i carichi interni), sia alle caratteristiche costruttive
(si pensi a titolo esemplificativo alla differenza d''estensione delle superfici
vetrate in un edificio con destinazione terziaria o residenziale). La
definizione della destinazione d''uso è quindi fondamentale per attribuire
dei valori di riferimento nel calcolo del fabbisogno di energia termica ed
elettrica. Poiché il software mira a fornire, attraverso un''interrogazione
della mappa, informazioni utili ai singoli cittadini, il presente lavoro si
concentrerà principalmente sulla destinazione residenziale. Sugli edifici
residenziali, inoltre, si ha una buona base di dati, fondamentale per fare
delle valutazioni sul fabbisogno energetico a scala urbana.
Per la valutazione del fabbisogno termico per la climatizzazione
invernale degli edifici residenziali, la letteratura [3, 4, 5, 6 e 7] suggerisce
di considerare alcuni indicatori utili come l''epoca di costruzione e l''indice
di compattezza (o fattore di forma) degli edifici. Gli studi analizzati
confrontano i consumi reali degli edifici che si hanno a livello comunale,
provinciale o regionale con delle analisi numeriche su un campione
caratteristico di edifici che rappresentano il parco edilizio esistente.
L''epoca di costruzione dovrà tener conto delle caratteristiche costruttive
e del livello di isolamento adottato dagli edifici in relazione alla politiche
energetiche presenti. In particolare si fa riferimento ad alcuni periodi
storici significativi che caratterizzano le tecnologie costruttive: prima del
1910 con edifici a struttura portante; 1910-1972 coesistenza di murature
portanti e strutture in cemento armato con murature di tamponamento;
1973-1990 strutture in cemento armato con pareti di tamponamento
isolate dopo la Legge 373/76; 1991-2004 pareti di tamponamento più
isolate volte al contenimento dei consumi energetici (con la Legge 10/91);
infine, dopo il 2005 con il recepimento della Direttiva Europea
2002/91/CE si introducono valori di resistenza termica delle
strutture di involucro ancora più elevati e impianti più efficienti
(recepita in Italia dal DLGS 192/2005 e s.m.i.).
La compattezza degli edifici, la superficie disperdente e il volume tecnica Energia & Edifici la terMotecnica luglio - agosto 2013 di G. Mutani, G. Vicentini guglielmina Mutani, Ricercatore, Dipartimento Energia, Politecnico di Torino
giovanni vicentini, Consulente esterno, Ufficio Promozione Risparmio Energetico e Fonti Rinnovabili, Provincia di Torino Analisi del fabbisogno di energia termica degli edifici
con software geografico libero.
Il caso studio di Torino Questo lavoro nasce nell''ambito del progetto di ricerca europeo Cities on Power per promuovere il risparmio energetico nelle aree urbane. Viene
presentato un metodo per la valutazione del consumo energetico sulla città di Torino attraverso l''utilizzo di un software geografico libero (o gis open
source). Tale strumento potrà consentire di effettuare delle valutazioni sulla fattibilità di alcuni interventi di riqualificazione energetica. 63 an open source geospatial Model to deterMine residential buildings'' energY
consuMption profiles. case studY in turin
This work has been developed to promote energy efficiency in urban areas and to encourage citizens participation in energy issues, through the
creation of a web-based interactive tool. The paper describes a methodology based on a GIS tool open source to estimate the energy consumption
of residential buildings. tecnica Energia & Edifici 64 la terMotecnica luglio - agosto 2013 riscaldato sono le caratteristiche geometriche di un edificio che
influenzano le dispersioni termiche per trasmissione e ventilazione
nonché gli apporti solari di ogni edificio; questi parametri si
possono ottenere dalla proiezione a terra e dall''altezza di gronda
degli edifici, quindi dal loro rapporto è possibile calcolare il fattore
di forma di ogni edificio che viene successivamente utilizzato nel
modello per calcolare in modo automatico il fabbisogno termico.
Il fabbisogno termico per la climatizzazione invernale è quindi
determinato a partire dall''epoca di costruzione e dal fattore di
forma degli edifici residenziali e questi parametri dovranno essere
calcolati come ''attributi' per ogni edificio. In realtà, nel database
a nostra disposizione, una parte di questi dati è già disponibile,
invece un''altra dovrà essere calcolata; le modalità di raccolta e
determinazione di questi dati verrà descritta nel quarto paragrafo.
Per quanto riguarda la produzione di acqua calda sanitaria,
il fabbisogno energetico è molto inferiore a quello per la
climatizzazione invernale anche grazie alla vetustà del parco
edilizio esistente. Il fabbisogno di energia primaria per la
produzione acqua calda sanitaria è stato desunto dalla norma
UNI/TS 11300-2 e da un confronto dello stato dell''arte [3, 4 e 7]
sempre in funzione dell''epoca di costruzione degli edifici.
Dopo aver completato la fase di raccolta dati e il calcolo del fattore
di forma degli edifici, si potrà attribuire un valore di riferimento in
kWh/m2a dei consumi di energia termica per la climatizzazione
invernale e per la produzione di acqua calda sanitaria a ogni
edificio. il parco edilizio residenziale
della città di torino
Torino è una città con più di 900.000 abitanti e più di 40.000
edifici (riferendosi alla CTC:2006) che si estende su una superficie
di circa 130 km2. Si trova nella zona climatica E, tipica della Pianura
Padana con 2.617 gradi-giorno.
Il parco edilizio di Torino è quello tipico delle città italiane con una
zona storica molto compatta e vetusta e zone che si sono aggiunte
successivamente a ridosso del centro soprattutto nel dopo-guerra
e tra gli anni ''60 e ''70, anche grazie alla Legge 167/1962 per
il rilancio dell''edilizia pubblica. In questi ultimi anni ha subito
diverse trasformazioni grazie alla dismissione di grandi spazi
industriali all''interno della città e all''opportunità che ha colto nel
2006 ospitando i giochi olimpici.
Gli edifici sono in gran parte storici e comunque sono stati costruiti
principalmente prima delle leggi sul contenimento dei consumi
energetici. Inoltre, quasi tutti i quartieri sono caratterizzati da
edifici in linea.
Gli edifici tipo che caratterizzano il parco edilizio di Torino sono
simili a quelli presenti in letteratura [3, 4, 5 e 7] con le seguenti
tipologie edilizie: - Edificio singolo con 1 - 4 unità abitative: S/V medio = 0,82 m -1 ; - Palazzina piccola o villette a schiera con 5 - 15 unità abitative: S/V medio = 0,64 m -1 ; - Palazzina grande con 16 - 30 unità abitative o edificio in linea: S/V medio = 0,51 m -1 ; -Grande condominio con più di 31 unità abitative: S/V medio = 0,36 m -1 . I valori medi dei fattori di forma sono stati individuati dalla
letteratura, ma presentano un range piuttosto piccolo per le
palazzine medie e grandi e lasciando un range più elevato per gli
edifici singoli e quelli compatti.
Dalle simulazioni emerge che Torino presenta un parco edilizio
caratterizzato principalmente da edifici compatti (per il 42%) e tale
percentuale aumenta ancora considerando non il numero di edifici,
ma il volume riscaldato. Inoltre, da un confronto con le epoche di
costruzione, risulta che Torino ha un parco edilizio molto vecchio
costituito principalmente da edifici non isolati: l''86% di edifici
risulta costruito prima degli anni ''70, il 64% prima degli anni ''60
e solo lo 0,7% è stato costruito dopo il 2000 (si fa riferimento al
parco edilizio del 2006). l''elaborazione della Mappa del fabbisogno
terMico di energia priMaria per gli edifici
Il fabbisogno di energia termica degli edifici, per semplicità di
trattazione, viene distinto in fabbisogno per la climatizzazione
invernale e per la produzione di acqua calda sanitaria. I modelli
di fabbisogno devono essere confrontati con i consumi reali e il
riferimento per quanto riguarda i consumi della Città di Torino è
stato il ''Piano d''azione per l''energia sostenibile' [8].
Per la costruzione del modello di fabbisogno sono stati analizzati
alcuni studi [3, 4, 5 e 7] che hanno consentito di poter valutare il
consumo energetico degli edifici considerando tipologie edilizie
ricorrenti del settore residenziale in Piemonte e Lombardia.
Questi quattro lavori sono confrontabili perché i modelli
di fabbisogno energetico che ne derivano, tengono conto
essenzialmente di due variabili: epoca di costruzione e fattore di
forma degli edifici. Inoltre, [4, 5 e 6] confrontano anche i consumi
reali con quelli calcolati.
In [3], Fracastoro e Raimondo confrontano il fabbisogno di energia
netta di diverse tipologie edilizie, distinte per epoca di costruzione
e per zona climatica nella Regione Piemonte; il territorio della
Regione Piemonte viene, infatti, suddiviso in sette zone climatiche:
tre nella zona climatica E e quattro nella F. In questo lavoro viene
anche calcolato il risparmio energetico del parco edilizio esistente
in Piemonte a seguito di alcuni interventi di riqualificazione.
In [4], l''Istituto Regionale di Ricerca della Lombardia (IReR),
partendo dai consumi reali degli edifici e da un''analisi numerica
su 28 edifici scelti in funzione dell''anno di costruzione e della
tipologia costruttiva, ha ricavato un modello di fabbisogno
specifico di energia primaria per la climatizzazione invernale.
L''obiettivo era quello di determinare il risparmio energetico ed
economico a seguito del miglioramento della classe energetica. I
risultati di questo lavoro sono stati ripresi da Magrini et al. [5] e
confrontati con i consumi reali degli edifici.
Infine in [7], Corrado et al. calcolano il fabbisogno di energia
primaria per 32 tipologie edilizie suddivise in otto epoche di
costruzione e quattro tipologie edilizie per la zona climatica E.
Quindi viene determinato il risparmio energetico a seguito di una
riqualificazione standard o avanzata.
In questo lavoro è stato confrontato il fabbisogno per la
climatizzazione invernale di energia netta [3 e 7] e di energia primaria [4, 5 e 7] considerando tipologie edilizie differenti per
le diverse epoche di costruzione. Naturalmente il fabbisogno
energetico di Milano [4 e 5] è stato ricondotto a quello di Torino
attraverso un coefficiente correttivo dato dal rapporto tra i gradi-
giorno dei due capoluoghi. Infine, nota la volumetria degli edifici
residenziali a Torino, è stata scelta la correlazione del fabbisogno
energetico che più si avvicina al fabbisogno medio indicato dal
''Piano d''azione per l''energia sostenibile' per le diverse epoche di
costruzione (escludendo gli usi cucina) [8]. Si è tenuto conto che i
consumi energetici considerati nel ''Piano d''azione per l''energia
sostenibile' fanno riferimento all''anno 2005 e quindi il modello
tiene conto dei gradi-giorno di quell''anno calcolati sulla base dei
dati climatici registrati presso la centralina del Politecnico (Living
Lab - smartgreenbuilding@polito.it). In Figura 1 viene rappresentata
la procedura di calcolo utilizzata. Nel ''Piano d''azione per l''energia sostenibile' i consumi termici
degli edifici a uso abitativo della città di Torino sono stati classificati
in base a quattro classi di epoca di costruzione [8]. Ciò ha consentito
di confrontare i dati di consumo sia a livello di definizione di un
modello di fabbisogno specifico, sia nella validazione del modello
con i dati globali di consumo urbano. Tale valutazione è stata
fatta considerando sia i dati climatici di Torino della norma UNI
10349:1994 (19970-90), sia quelli medi degli ultimi ventidue anni
(1990-2012).
Il fabbisogno energetico nel modello semplificato dipende solo
dall''epoca di costruzione e dal fattore di forma. Questa semplifica-
zione non tiene conto di importanti fattori quali: la penetrazione so-
lare, considerando le ombre portate dagli altri edifici e l''orografia
del territorio; il valore variabile della temperatura dell''aria interna,
che in impianti a intermittenza è spesso diversa dai 20 °C, ma so-
prattutto non si considerano le opere di riqualificazione energetica che possono avere modificato nel corso degli anni il consumo degli
edifici. Come risulta anche da altre ricerche [5, 9, 10, 11], per tener
conto di questi fattori e adeguare i modelli al consumo effettivo, i
risultati delle simulazioni del fabbisogno energetico specifico degli
edifici per la climatizzazione invernale (secondo le norme UNI/TS
11300) vengono moltiplicati per un fattore correttivo che in questo
caso corrisponde a +3,6%, considerando i dati climatici degli anni
1970 - 1990 e +4,4% con quelli degli ultimi ventidue anni.
Da questo confronto il valor medio di fabbisogno specifico che
si ottiene è di 190,0 kWh/(m2a) che paragonato al 188,3 kWh/
(m2a) [8] denota un errore dell''1%; tale dato fa riferimento ai dati
climatici medi della norma UNI 10349:1994.
Facendo riferimento, invece, ai dati climatici medi degli ultimi
ventidue anni a Torino, si ottiene un fabbisogno specifico di energia
primaria pari a 174,3 kWh/(m2a) con un errore dell''1% rispetto ai
172,9 kWh/(m2a) di riferimento [8].
Per quanto riguarda la produzione acqua calda sanitaria, il
fabbisogno di energia netta è stato considerato pari a 17,05
kWh/(m2a) considerando il dato medio proposto dalla norma
UNI/TS 11300-2:2008; per la valutazione dell''energia primaria 1 si è scelto di considerare un rendimento medio variabile degli
impianti per la produzione di acqua calda sanitaria in funzione
dell''epoca di costruzione. Tali dati emergono da un confronto dello
stato dell''arte [3, 4 e 7].
Il modello che deriva da questo lavoro per il fabbisogno di energia
primaria per la climatizzazione invernale e la produzione di acqua
calda sanitaria è descritto dal a Figura 2, tenendo conto del e
temperature di Torino degli anni 1970 - 1990 (UNI 10349:194).
Utilizzando, invece, i dati climatici medi di Torino degli ultimi
22 anni, si riscontra una diminuzione del fabbisogno energetico
legata a un aumento medio della temperatura dell''aria esterna di
1,71 °C durante la stagione di riscaldamento probabilmente per il tecnica Energia & Edifici 37 la terMotecnica luglio - agosto 2013 65 1Utilizzando i fattori di conversione indicati nella norma UNI/TS 11300-2 paragrafo 6.1 figura 1 - procedura di calcolo del modello di fabbisogno
energetico degli edifici e della città di torino.
figura 2 - indicatore di prestazione energetica globale per la
città di torino considerando i dati climatici medi della norma
uni 10349:1994
fenomeno dell''isola di calore; a gennaio, che è il mese più freddo,
tale aumento di temperatura raggiunge i 2,8 °C. i dati a disposizione per l''applicazione qgis
Una parte dei dati necessari alla valutazione del fabbisogno termico
degli edifici con sistemi geografici liberi (QGis) era già a nostra
disposizione, proveniente in particolar modo dal geoportale del
Comune di Torino. Tali dati sono stati selezionati per la definizione
dei parametri necessari per calcolare il fabbisogno termico: la
destinazione d''uso, il fattore di forma e il periodo di costruzione
degli edifici.
Per il calcolo del fattore di forma sono necessarie le proiezioni
a terra e l''altezza di gronda degli edifici. Questi dati sono stati
ottenuti dallo shapefile areale della carta tecnica comunale (CTC)
della Città di Torino, suddivisi per circoscrizione comunale e
dallo shapefile puntuale costituente la rete geodetica comunale,
entrambi disponibili sul geoportale del Comune di Torino. Il layer
della CTC campisce interamente la superficie comunale e il campo
''tipo' definisce la tipologia di ciascun elemento; sono quindi stati
selezionati solo gli edifici residenziali. Il layer della ''rete geodetica'
contiene un ricco seminato di punti quotati; sottraendo le quote
del terreno alle quote di gronda è possibile attribuire a ciascun
edificio un''altezza.
Il fattore di forma è stato ottenuto dapprima calcolando la superficie
disperdente come se l''edificio fosse isolato rispetto al tessuto urbano
e successivamente sottraendo le superfici comuni a edifici adiacenti.
Inoltre, il modello, che è stato elaborato in questo lavoro, consente
anche di considerare la percentuale dei vani non riscaldati e la
superficie effettiva disperdente per ogni tipologia di edificio in
modo da calcolare un fattore di forma il più possibile esatto anche
con una procedura automatica su tutta la città.
Per una definizione più precisa della destinazione d''uso degli edifici
è stato utilizzato anche il PRG del Comune di Torino e i dati ISTAT
(sebbene aggiornati al 2001). Il PRG zonizza il territorio in ambiti
omogenei, differenziando le destinazioni d''uso. La banca dati
ISTAT, relativa al censimento della popolazione e delle abitazioni
del 2001, identifica le sezioni di censimento all''interno delle quali
non è presente alcun edificio a uso abitativo. I dati del censimento
ISTAT del 2001 sono stati particolarmente utili per definire anche
la percentuale occupata degli edifici, nonché altre caratteristiche
socio-economiche che saranno utilizzate in una seconda fase di
questa ricerca. Il problema di questi dati è che non sono riferiti al
singolo edificio, ma alla sezione di censimento che per Torino può
essere identificata con l''isolato.
Per la definizione dell''epoca di costruzione degli edifici è
stato utilizzato, infine, lo shapefile areale ''VV_edifici_epoca',
disponibile sul geoportale del Comune di Torino, che contiene il
tessuto edificato a cui è associato l''attributo relativo al periodo di
costruzione. Le classi individuate nello shapefile sono le seguenti:
fino al 1918, 1919 - 1945, 1946 - 1960, 1961 - 1970, 1971 -
1980, 1981 - 1990, 1991 - 2000, 2001 - 2005 e dal 2006.
La base di dati cui si fa riferimento per una valutazione georiferita
dipende molto dalla bontà e precisione dei dati. Per questo motivo,
si è deciso di partire dal calcolo del fabbisogno energetico della città di Torino. Tale lavoro sarà poi esteso alla Provincia di Torino. risultati
I risultati del modello proposto in questo lavoro sono compatibili
con i risultati di consumo in quanto il fabbisogno specifico medio
degli edifici risulta pari a 212 kWh/(m2a), ma tenendo conto
dell''effettivo volume riscaldato si ottiene un fabbisogno specifico
medio pesato di 177 kWh/(m2a). In Figura 3 e 4 sono rappresentati
i risultati del modello applicati alla città di Torino con il software
QGis. Ogni edificio ha degli attributi che rappresentano tutte le
caratteristiche che influenzano il suo fabbisogno energetico. In
Figura 4, per rappresentare il fabbisogno energetico, sono state
scelte le classi energetiche della Regione Piemonte (secondo la DGR
n. 43-11965 del 4 agosto 2009). Si ricorda, però, che il fabbisogno
di energia primaria rappresentato in questo lavoro corrisponde al
consumo effettivo che tiene conto, ad esempio, anche del tasso di
occupazione degli edifici.
La classe energetica più comune è la D (143 ' EPgl < 201 kWh/
m²) con il 46,3% di edifici. Naturalmente questo modello farà si tecnica Energia & Edifici 66 la terMotecnica luglio - agosto 2013 figura 3 - rappresentazione dell''epoca di costruzione degli
edifici nella zona del valentino a torino
figura 4 - rappresentazione della classe energetica (per la
regione piemonte) degli edifici nella zona del valentino a torino
che gli edifici più compatti e più recenti appartengano alle classi
energetiche migliori, invece quelli con fattore di forma maggiore
(più disperdenti) e più vecchi appartengano a classi energetiche
peggiori (vedi Tabella 1). conclusioni
Le indicazioni delle nuove Direttive Europee, tra cui l''Energy
Efficiency Directive 2012/27/UE, indicano che dovrà esserci
un maggior impegno degli Stati membri volto all''ottimizzazione
dell''utilizzo delle fonti energetiche. Ciò potrà essere ottenuto con
la riduzione delle emissioni climalteranti, il risparmio energetico e
l''utilizzo delle fonti rinnovabili e sicuramente il settore civile dovrà
essere coinvolto.
Questo lavoro parte dalla constatazione che l''utilizzo delle fonti
energetiche rinnovabili e il risparmio energetico nel settore civile
dipende dalle caratteristiche del parco edilizio esistente e dalla
disponibilità delle fonti energetiche sul territorio; quindi l''utilizzo
dei sistemi informativi geografici (GIS) può dare un grande aiuto
a livello di pianificazione delle azioni.
Nello specifico, il presente studio si propone di caratterizzare gli
edifici residenziali attraverso gli attributi geometrici, tipologici e
di fabbisogno energetico; questi ultimi si trovano già in letteratura,
ma in questo lavoro sono stati adattati al parco edilizio esistente
della città di Torino. Tale metodologia, associata all''utilizzo di
un software GIS, consente di mappare sul territorio le criticità
dei consumi energetici e localizzare puntualmente gli interventi
di contenimento del consumo nonché l''opportunità di pianificare
l''adozione di fonti energetiche rinnovabili disponibili. Il software
di georeferenziazione open source non è utilizzato solo per
rappresentare dei dati ma anche per elaborare nuove informazioni,
su cui poter condurre anche analisi statistiche (come è già stato
fatto per Ferrara [12]).
L''obiettivo di questo lavoro è quello di realizzare una procedura
che potrà essere estesa su un territorio più vasto, con un livello di
approssimazione che dipenderà dalla disponibilità e qualità dei
dati di partenza.
Ciò consentirà anche di poter valutare l''impatto delle diverse
politiche energetiche sul territorio e integrare tale procedura
successivamente se si avessero dati migliori rispetto a quelli ora
disponibili. bibliografia
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