Innovative integrated solutions for the reduction of the energy demand and for the development of the renewable resources in residential buildings

Uno dei principali obiettivi del programma energetico europeo "Europe 2020" é la riduzione dei consumi finali di energia per mezzo di interventi mirati ad incrementale l'efficienza energetica. Nell'Unione Europea (EU) il settore edilizio é responsabile di circa il 40% dei consumi finali di energia e del 36% delle emissioni di CO2. Nel corso dell'ultimo decennio la Commissione Europea ha emanato il primo strumento legislativo mirato ad incrementale l'efficienza energetica del settore edilizio: la "Direttiva sull'Efficienza Energetica negli Edifici" (EPDB) é stata introdotta nel 2002 e successivamente aggiornata nel 2010. La prima edizione del documento focalizzava l'attenzione sugli edifici di nuova costruzione, con l'obiettivo di promuovere la diffusione di edifici energeticamente efficienti; la revisione introduce l'importante tema del parco edilizio esistente, mettendo in luce le possibilità connesse all'incremento dell'efficienza energetica degli edifici esistenti, per mezzo di strategie di retrofit mirate. Il rinnovamento del parco edilizio esistente e l'incremento delle prestazioni energetiche ricopriranno un ruolo determinante a livello europeo verso l'incremento complessivo dell'efficienza energetica. La presente tesi si propone di investigare quali possibilità di risparmio energetico risiedono nel settore residenziale. Sono presentati alcuni casi studio in cui i sistemi di climatizzazione HVAC sono stati analizzati per verificarne le capacità di soddisfare i fabbisogni energetici attraverso l'impiego di differenti sistemi di generazione (sistemi multi energia) combinati per operare ciascuno nelle condizioni di lavoro più favorevoli (sistemi integrati). La tipologia di impianti descritta viene definita IMES dall'acronimo inglese di sistemi integrati multi - energia. . Le prestazioni dei sistemi IMES sono state analizzate in relazione all'installazione presso edifici di nuova costruzione ed edifici ristrutturati, in modo da valutare le prestazioni di diverse configurazioni impiantistiche e di determinare il campo di applicabilità di tali sistemi Il primo capitolo fornisce una panoramica dello stato e della composizione del parco edilizio Europeo, al fine di comprendere l'entità del tema trattato. Sono presentati, inoltre, i dati riguardanti i consumi energetici relativi al settore edilizio che sono stati analizzati e discussi in relazione alle disposizioni introdotte dalla CE tramite l'EPBD e al suo aggiornamento. Il secondo capitolo presenta un'analisi condotta per verificare l'efficacia in termini di risparmio di energia primaria di un sistema IMES abbinato a un'abitazione monofamiliare. L'analisi si é servita di simulazioni dinamiche operate con il software commerciale TRNSYS, per mezzo delle quali sono stati creati un modello dell'involucro edilizio e un modello dell'impianto che sono stati quindi integrati per valutare le prestazioni energetiche complessive. Sono state valutate le condizioni pre e post rinnovamento dell'edificio e sono state, inoltre, considerate diverse configurazioni impiantistiche in modo da determinare quella capace di generare il massimo risparmio in termini di energia primaria. Il terzo capitolo riguarda l'analisi delle prestazioni dei sistemi IMES applicati ad un complesso residenziale di trenta unità abitative. Lo scopo principale é quello di valutare le prestazioni del sistema e di massimizzare il contributo di energia delle fonti rinnovabili, ovvero del sistema solare termico integrato e della quota di energia rinnovabile associabile al funzionamento dei sistemi dotati di pompa di calore. Si e' voluto inoltre migliorare la compatibilità' tra i sistema reale e la simulazione dinamica mediante una serie di test di laboratorio e di successive calibrazioni del modello matematico degli accumuli termici. Infine l'analisi e' stata estesa ad applicazioni del sistema IMES in edifici non ristrutturati, caratterizzati da involucri dalle basse performance energetiche e equipaggiati con sistemi di emissione del calore ad alta temperatura, quali i tradizionali radiatori. Il quarto capitolo estende l'analisi dei sistemi integrati in una valutazione ad ampio spettro compiuta sulla possibilità di risparmio energetico connesse al rinnovamento del parco residenziale Europeo. L'analisi ha valutato la composizione e la distribuzione delle tipologie edilizie sul territorio europeo, individuando quattro casi studio, edifici tipo, sui quali compiere le successive valutazioni. Le prestazioni energetiche dei casi studio sono state valutate in relazione al loro stato precedente e successivo ad una completa ristrutturazione dell'involucro edilizio e degli impianti tecnici. L'analisi é stata nuovamente operata per mezzo di una serie di simulazioni dinamiche in ambiente TRNSYS, mirate a valutare il possibile risparmio energetico legato alla riqualificazione dei casi studio in edifici a basso consumo energetico (LEB, Low Energy building). Allo scopo di garantire allo studio una prospettiva di carattere europeo,l'analisi é stata ripetuta e rimodulata per diversi climi: sono stati individuati quattro siti, caratterizzati da condizioni climatiche molto diverse tra loro, rispettivamente Budapest, Venezia, Atene e Helsinki