Valutazione ed ottimizzazione delle prestazioni ... · The Institute for Renewable Energy – Eurac...

Valutazione ed ottimizzazione delle prestazioni energetiche dell’edificio storico Ansitz Kofler Evaluation and optimization of the energy per-formance of the historic building Ansitz Kofler MARGHERITA RAMETTA – HANNES MAHLKNECHT – STEFANO AVESANI – ROBERTO LOLLINI Eurac Research, Institute for Renewable Energy

RIASSUNTO

Nel 2007 è stato condotto un intervento di riqualificazione energetica su Ansitz Kofler, un edificio del 1700, d’interesse storico, situato nel centro di Bolzano e sotto la tutela dell’Ufficio Beni Culturali della Provincia. Il progetto ha conciliato l’efficienza energetica e l’attenzione agli elementi architettonici di interesse artistico, proponendo soluzioni sia per l’involucro sia per l’impianto ed ha ridotto il fabbisogno energetico di riscaldamento dal valore iniziale, relativo alla struttura originaria stimato attraverso il software di certificazione, di 450 kWh/m²a al valore monitorato di 56,3 kWh/m²a (valore medio degli inverni monitorati).

L’Istituto per le Energie Rinnovabili dell’EURAC di Bolzano, proseguendo l’analisi dei dati di monitoraggio dell’inverno 2009 (Mahlknecht, 2009), ha indagato le prestazioni energetiche dell’edificio focalizzandosi anche sul comportamento in prima-vera ed estate. A fianco all’analisi dei dati di monitoraggio, attraverso uno strumento di simulazione dinamica, è stato possibile:

- individuare e valutare i fattori che determinano la differenza tra valore potenziale te-orico (certificato < 30kWh/m²a) e reale (monitorato 56,3 kWh/m²a) del fabbisogno energetico per il riscaldamento;

- individuare nel non ottimale funzionamento delle schermature delle grandi superfici vetrate esposte a sud ovest e dello scambiatore geotermico del sistema di ventilazione le cause degli elevati consumi invernali e del discomfort in primavera ed estate;

- individuare e verificare le strategie per l’ottimizzazione delle prestazioni energetiche dell’edificio e degli impianti;

- fornire utili suggerimenti per un approccio alla progettazione che consideri opportu-namente i sistemi di controllo degli impianti.

SUMMARY

Ansitz Kofler, an historic building dated 1700 located in Bolzano and under pro-tection of the Bolzano Province Cultural Heritage Office, has been refurbished during

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Il recupero energetico degli edifici esistenti: quali soluzioni per un sistema integrato, l’involucro, gli impianti e la regolazioneEnergy refurbishment of existing buildings:which solutions for an integrated system, envelope, plant, control

Baveno, 22-23 settembre 2011Torino, 3 dicembre 2010Napoli, 14 gennaio 2011

the year 2007. The renovation project aimed at the achievement of high energy effi-ciency standard and of the respect of the artistic and architectonic building features. Thanks to action on the envelope the building energy demand has been reduced from an estimated value of 450 kWh/m²a to a monitored value of 56,3 kWh/m²a (average value of the monitored winters).

The Institute for Renewable Energy – Eurac Research has carried on the data analyses started in 2009 (Mahlknecht, 2009), focusing also on the building behavior in spring and summer. Thanks to the monitored data analyses and to a dynamic simulation software the following studies have been performed: - Assessment of the discrepancy between the monitored and the optimal estimated

values of the heating demand (certified 30 kWh/m²a and monitored 56,3 kWh/m²a) - Identifying the main causes of the winter energy demand and of the spring and

summer internal discomfort: in particular the operation of movable shadings and the geothermal heat exchanger is not favorable.

- Identifying possible optimization strategies throughout thermal dynamic simulations in order to assure better comfort and lower energy consumption.

- Investigate the actual building-plant operation in order to give useful feedback to the designers.

1. INTRODUZIONE

“Ansitz Kofler” é un edificio settecentesco di Bolzano. Il complesso, che in passa-to fungeva da “limonaia”, é oggi sotto tutela ed è stato riqualificato architettonicamente ed energeticamente nel 2007 dallo studio Arch. M. Benedikter. Il consumo calcolato per il riscaldamento è stato ridotto da 450 kWh/m²a (prima degli interventi di risanamento) a 28 kWh/m²a (valore certificato), raggiungendo la certificazione in classe CasaClima A+. Contestualmente è stato installato dall’Istituto per le Energie Rinnovabili dell’EURAC di Bolzano un sistema di diversi sensori per il monitoraggio energetico dell’edificio stes-so. Oggetto di misura sono i consumi energetici specifici, il comfort degli ambienti in-terni ed il comportamento termo-igrometrico dei pacchetti murari.

I risultati più indicativi riguardano il consumo monitorato (pari a 56,3 kWh/m²a) per il riscaldamento del periodo invernale ed il buon livello di comfort degli ambienti interni.

L’intervento di riqualificazione ha migliorato la trasmittanza dell’involucro, me-diante l’utilizzo di isolante (Figura 1) sul lato interno, per le pareti che la Soprintendenza ha vincolato come non modificabili esteriormente, ed esterno per le rimanenti aree dell’involucro (riduzione da valori medi di 2,3 W/m²K, per le parti opache, e 3,0 W/m²K, per le vetrature trasparenti, a rispettivamente 0,17 W/m²K e 1,0 W/m²K). Il si-stema di riscaldamento, ormai obsoleto e deteriorato, é stato sostituito con un sistema a pavimento radiante, collegato ad una caldaia a pellet. Inoltre é stato aggiunto un sistema di ventilazione meccanica con scambiatore geotermico e recuperatore di calore.

2. OBIETTIVI

L’analisi effettuata attraverso i dati di monitoraggio, in congiunzione a simulazioni in regime dinamico, si è posta come obiettivi:

- la valutazione delle prestazioni energetiche teoriche-potenziali ed effettive -

Valutazione ed ottimizzazione delle prestazioni energetiche dell’edificio storico Ansitz Kofler574

monitorate offerte dal sistema edificio-impianto; - la ricerca dei fattori causanti lo scostamento tra il valore monitorato e Certifica-

to (Casaclima A+) del fabbisogno energetico per il riscaldamento; - la ricerca e la verifica di strategie per l’ottimizzazione sia del fabbisogno per il

riscaldamento, che del funzionamento del sistema di ventilazione.

Figura 1 - Le soluzioni d’involucro messe in atto dalla riqualificazione 3. METODOLOGIA

Per procedere con la valutazione del sistema edificio-impianto e per ottimizzarne il funzionamento, è stato scelto il motore di simulazione dinamica Energy Plus e l’interfaccia grafica di Design Builder.

Affinché si ottenesse una valutazione attendibile e significativa del fabbisogno teo-rico per il riscaldamento attraverso una simulazione dinamica, è stato necessario, in pri-mo luogo, predisporre un modello dell’edificio quanto più corretto e fedele alla realtà. Questo è stato effettuato sia in termini di modellazione geometrica, ovvero configura-zione dei volumi, degli elementi costruttivi e dei materiali che caratterizzano le stratigra-fie dell’involucro, sia in termini di modellazione delle soluzioni impiantistiche presenti nell’edificio e del loro reale funzionamento.

Per poter confrontare tra loro dati di monitoraggio e risultati delle simulazioni è stato inoltre fondamentale utilizzare nei due casi le stesse condizioni climatiche.

3.1. Dati climatici

Poiché i file climatici a disposizione sono frutto di elaborazioni statistiche delle se-rie storiche climatologiche si è resa necessaria la creazione di un nuovo file climatico basato sui dei dati di monitoraggio del 2009 della centralina meteorologia installata in loco.

3.2. Modellazione geometrica e degli elementi costruttivi

Come è possibile vedere in Figura 2, la modellazione ha riprodotto i volumi dell’edificio Ansitz Kofler, degli edifici circostanti, delle alberature e di qualunque altro elemento che potesse influenzare il comportamento termico dell’edificio.

Valutazione ed ottimizzazione delle prestazioni energetiche dell’edificio storico Ansitz Kofler 575

Nel modello virtuale sono state individuate un numero di zone termiche corrispon-denti alla suddivisione interna dell’abitazione. Lo scopo è duplice. Da un lato, è solo grazie a questo sistema che è possibile assegnare alle partizioni interne la loro reale ma-tericità e stratigrafia. Dall’altro lato, la suddivisione ha consentito l’impostazione di temperature di termostato diversificate per zona, così come avviene nella realtà.

Figura 2 - Il modello virtuale creato per il software di simulazione dinamica Si sono poi assegnate le stratigrafie che compongono i pacchetti costruttivi, con i

relativi spessori e materiali. Sono stati appositamente modellati i materiali, grazie alle proprietà termo fisiche ricavate dalle relative schede tecniche utilizzate per il progetto.

Sono stati modellati anche i sistemi schermanti presenti e ne è stato assegnato il funzionamento tramite una schedulazione che ripropone l’uso reale. Per questioni legate alla privacy visiva, le schermature vengono mantenute abbassate per l’intera durata della giornata durante tutto l’anno, come indicato nella Tabella I. Nella modellazione si è quindi tenuto conto di questa informazione, avendo questa una ricaduta determinante sul bilancio energetico dell’edificio in termini di apporti solari. Per la validazione del mo-dello, le schermature sono state così ipotizzate costantemente abbassate.

Tabella I – Funzionamento orario delle schermature alle finestre

PERIODO FUNZIONAMENTO INTERVALLO ORARIO anno 2009 abbassate 00:00- 24:00

3.3. Modellazione delle dotazioni impiantistiche e del loro funzionamento

La modellazione degli impianti presenti in Ansitz Kofler e del loro reale funzio-namento ha dovuto confrontarsi con una limitazione del software scelto per la simula-zione dinamica.

Il modello comprendeva infatti il recuperatore di calore, ma non lo scambiatore geotermico utilizzato al fine di pre-trattare l’aria di ventilazione. La strategia adottata per superare tale limitazione consiste nel modellare l’intero sistema di ventilazione meccani-ca con un sistema impiantistico di tipo CAV (constant air volume), equivalente al siste-ma reale in termini di effetto finale prodotto.

Il reale funzionamento dello scambiatore geotermico accoppiato al recuperatore di calore è stato, infatti, modellato per la stagione invernale, nel sistema di ventilazione e-


quivalente, con una batteria di riscaldamento di tipo elettrico, posta all’interno di un’unità trattamento aria. Alla batteria di riscaldamento è stata poi associata una tempe-ratura di setpoint, corrispondente alla temperatura reale dell’aria in immissione (Ai-rIn_T) monitorata.

Si è quindi così ottenuto un sistema di ventilazione meccanica che introduce in ambiente interno aria alla stessa temperatura e con le stesse portate che nel caso reale (dati monitorati). Dovendo rinunciare a modellare l’andamento orario della temperatura in ingresso negli ambienti (AirIn_T), alla temperatura di spegnimento è stato assegnato il valore medio mensile della stessa grandezza monitorato. Nei periodi in cui il sistema di ventilazione è risultato in stand-by, l’AHU simulato viene spento (si faccia riferimento alle Figure 3, 4, 5).

Figura 3 - Gennaio 2009: confronto tra le temperature monitorate e simulate dell’aria immessa e determina-

zione della temperatura media mensile

Figura 4 - Schematizzazione del sistema di ventilazione e del pavimento radiante reali

Grazie alla suddivisione in Zone termiche dell’edificio, e ai dati di monitoraggio, è stato possibile impostare, con le dovute semplificazioni, l’andamento reale nel tempo delle temperature interne, così come impostate dall’utente, nei vari ambienti. In Figura 6, si riporta, a titolo d’esempio, il confronto tra le temperature monitorate e simulate dell’aria interna del soggiorno nel mese di Gennaio 2009.


Figura 5 - Modellazione del sistema di ventilazione in Energy Plus – Design Builder

Figura 6 - Gennaio 2009: confronto tra le temperature monitorate e simulate dell’aria interna del soggiorno (A0_T)

L’ausilio dei dati di monitoraggio è stato inoltre fondamentale al fine di ricavare informazioni per la modellazione dell’andamento temporale dei ricambi d’aria, che per Marzo 2009, presenta diversi mutamenti, dovuti sia allo spegnimento dell'impianto dall'1 al 13 Marzo, che alla scelta dell'utente di alternare fra i due livelli delle portate di venti-lazione, come è possibile vedere in Figura 7.

Figura 7 - Marzo 2009: andamento monitorato dei ricambi d'aria per la ventilazione meccanica


4. RISULTATI

Grazie alla dettagliata rappresentazione del sistema energetico in questione e alla disponibilità dei dati di monitoraggio, è stato possibile calibrare/validare il modello teo-rico, confrontando i risultati con i dati reali. Successivamente le simulazioni energetiche sul modello calibrato dell’edificio hanno consentito di ottimizzarne le prestazioni con riferimento in particolare al funzionamento dei sistemi schermanti, della macchina di ventilazione e dello scambiatore geotermico. Il valore di ottimo è quello che, garantendo il comfort interno, determina i minori consumi energetici del periodo in esame.

4.1. Validazione del modello

I dati di output delle simulazioni dinamiche, relativi al fabbisogno mensile per il ri-scaldamento, sono stati confrontati con il fabbisogno mensile effettivo, ricavato dai dati di monitoraggio. Ne è emerso, com’è possibile vedere nella Figura 8 e nella Tabella II che, nell’anno 2009 l’entità dei fabbisogni mensili teorici (simulati) risulta coerente e paragonabile a quella dei fabbisogni mensili effettivi.

Figura 8 - Marzo 2009: confronto tra fabbisogno giornaliero effettivo e simulato (teorico)

Tabella II - Anno 2009: confronto tra fabbisogno energetico mensile effettivo e si-mulato.

FABBISOGNO TEORICO FABBISOGNO EFFETTIVO

(kWh) (kWh)

gennaio 1999,0 1994,0

febbraio 1131,0 1135,0

marzo 1221,2 1220,0

aprile 267,8 269

ottobre 467,3 467

novembre 1223,9 1220,0

dicembre 1732,0 1731,0

anno

2009valutazione del FABBISOGNO ENERGETICO PER IL RISCALDAMENTO


4.2. Ottimizzazione del Fabbisogno Energetico per il Riscaldamento

Strategie di ottimizzazione Poiché, come detto, le schermature vengono mantenute abbassate per l’intera dura-

ta della giornata e durante tutto l’anno, si è anzitutto voluto indagare la ricaduta, in ter-mini di fabbisogno energetico e apporti solari, di una scelta simile.

Inoltre, per via delle impostazioni operate dall’utente sui termostati (in base alle e-sigenze e ai periodi di assenza), dai dati di monitoraggio è anche emerso che le tempera-ture dell’aria interna sono inferiori a 20 °C in alcuni lunghi periodi o superiori a 20 °C in altri. Poiché nelle valutazioni del software di certificazione la temperatura interna è di 20 °C per l’intero periodo di riscaldamento, è stato interessante valutare anche la ricaduta sul fabbisogno energetico delle scelte dell’utente. Strategie con Temperature di Termostato scelte dall’utente (Setpoint effettivo):

Una prima analisi considerata è consistita dunque nel mantenere le temperature di termostato scelte dall’utente e variare nel software il solo funzionamento delle scherma-ture, mantenendole alzate negli intervalli orari in cui la radiazione solare è significativa (strategia: schermature alzate).

Una seconda strategia, che tiene invece conto delle esigenze di privacy dell’utente, consiste nel posizionare delle tende bianche alle aperture, e mantenere alzate le scherma-ture negli intervalli orari in cui la radiazione solare è significativa (strategia: schermatu-re alzate + tende).

Com’è possibile leggere in Tabella III, entrambe le strategie determinano una ridu-zione del fabbisogno annuale per il riscaldamento del 15% circa rispetto al dato monito-rato.

Si riporta in Figura 9, a titolo di esempio, il risultato delle simulazioni per il mese di Marzo, in cui il contributo degli apporti solari è significativo. Si noti come le scher-mature abbassate riducano gli apporti solari di più del 60%, rispetto al caso in cui le schermature sono completamente alzate (Figura 10).

Figura 9 - Marzo 2009: ottimizzazione del fabbisogno per il riscaldamento mantenendo le temperature di ter-

mostato scelte dall’utente

Strategia con Temperature di Termostato scelte dall’utente (Setpoint 20°): Le analisi seguenti, (siglate come SETPOINT 20°), consistono nel variare le tem-

perature di termostato scelte dall’utente, ponendole pari a 20° C in tutte le zone termiche del modello virtuale (Figura 11). Per quanto riguarda poi il funzionamento delle scher-mature vengono valutate le due configurazioni precedentemente descritte (strategia: schermature alzate; strategia: schermature alzate + tende).


Figura 10 - Marzo 2009: ottimizzazione degli apporti solari mantenendo le temperature di termostato scelte dall’utente

Figura 11 - Novembre 2009: confronto tra Temperature di Termostato scelte dall’utente e a 20 °C

Com’è possibile leggere nella Tabella III, entrambe le strategie determinano una riduzione del fabbisogno annuale per il riscaldamento di circa il 20% rispetto al dato monitorato. Tabella III - Anno 2009: ottimizzazione del Fabbisogno per il Riscaldamento: stra-tegie a confronto.

schermature abbassate

fabbisogno (kWh)

fabbisogno (kWh)

variazione (%)

fabbisogno (kWh)

variazione (%)

fabbisogno (kWh)

variazione (%)

fabbisogno (kWh)

variazione (%)

gennaio 1999 1884,2 -5,7% 1888,4 -5,5% 1729,1 -13,5% 1714,4 -14,2%

febbraio 1131,0 903,7 -20,0% 889,0 -21,3% 1125,0 -0,8% 1105,7 -2,5%

marzo 1221,2 876,5 -28,2% 870,0 -28,7% 577,2 -52,7% 563,8 -53,8%

aprile 267,8 94,1 -64,8% 94,0 -64,8% 0 -100% 0 -100%

ottobre 467,3 300,8 -35,6% 311,8 -33,2% 300,8 -35,6% 309,7 -33,7%

novembre 1223,9 1120,5 -8,4% 1115,1 -8,8% 1025,6 -16,2% 1029,0 -15,9%

dicembre 1732,0 1654,0 -4,5% 1647,0 -4,9% 1761,7 +1,7 % 1870,5 +7,9 %

totale 8042,2 6833,8 -15,0% 6815,3 -15,2% 6519,4 -18,9% 6593,1 -18,0%

anno

2009

ottimizzazione del FABBISOGNO TEORICO PER IL RISCALDAMENTO SETPOINT EFFETTIVO SETPOINT 20°

schermature alzateschermature alzate+ tende

schermature alzateschermature alzate+ tende


L’uso di tende bianche all’interno, da usare durante il giorno, e di schermature chiuse solo durante la notte, si rivela un’ottima strategia che, da un lato risponde all’esigenza di privacy dell’utente, dall’altro produce in generale una riduzione percen-tuale leggermente maggiore che nel caso della strategia con solo schermature alzate (Ta-bella IV). Tabella IV - ANNO 2009- Metodi di Valutazione ed Ottimizzazione del Fabbisogno per il Riscaldamento

FABBISOGNO EFFETTIVO

sistema di monitoraggio metodo statico

EURAC CASACLIMA

caso realeschermature

abbassateschermature

alzateschermature alzate+ tende

schermature alzate

schermature alzate+ tende

(kWh /m2 a) (kWh /m2 a) (kWh /m2 a) (kWh /m2 a) (kWh /m2 a) (kWh /m2 a) (kWh /m2 a)

totale 56 28 57 48 48 46 47

valutazione ed ottimizzazione del FABBISOGNO PER IL RISCALDAMENTO FABBISOGNO TEORICO

simulazione dinamica

SETPOINT EFFETTIVO SETPOINT 20° C

strategie di ottimizzazione

anno

2009

4.3. Ottimizzazione dell’Impianto di Ventilazione attraverso la Regolazione

Dall’analisi dei dati di monitoraggio, sul funzionamento del sistema di ventilazio-ne, emerge un comportamento non ottimale dello scambiatore geotermico e del recupe-ratore di calore in alcuni periodi della stagione primaverile e di quella estiva. Funzionamento Primaverile non ottimale durante il Periodo di Riscaldamento:

A partire da Marzo 2009 lo scambiatore geotermico, verosimilmente a causa della maggiore inerzia termica del terreno rispetto all’aria, raffredda l’aria esterna in ingresso, anziché riscaldarla, con conseguente discomfort avvertito dall’utente.

Nella data del 10 Aprile 2009 (Figura 12), scelta per esemplificare il fenomeno, è possibile individuare degli intervalli temporali in cui: - la temperatura dell’aria esterna (ExtAir_T) risulta maggiore, anche di oltre 10 °C, della temperatura a valle dello scambiatore di calore (AfterGeoth_T); - la temperatura dell’aria esterna risulta anche maggiore della temperatura dell’aria im-messa (AirIn_T) e della Temperatura estratta (AirOut_T).

Figura 12 - 10 aprile 2009: confronto tra le temperature monitorate del sistema di ventilazione


Strategie di ottimizzazione del funzionamento primaverile - Quando la temperatura dell’aria esterna è maggiore della temperatura dell’aria

in uscita dallo scambiatore geotermico, è conveniente by-passare lo scambiatore geotermico.

- Quando la precedente condizione si verifica, se la temperatura dell’aria esterna è maggiore della temperatura dell’aria estratta (AirOut_T), è conveniente intro-durre in ambiente interno direttamente aria esterna, by-passando non solo lo scambiatore geotermico, ma anche il recuperatore di calore. Diversamente il re-cuperatore di calore opererà all’inverso, sottraendo calore all’aria esterna in in-gresso.

Verificando le strategie attraverso simulazione dinamica, i risultati mostrano: - un innalzamento significativo della temperatura dell’aria immessa dal sistema

di ventilazione meccanica con beneficio del comfort, com’è possibile vedere in Figura 13;

- una riduzione del fabbisogno per il riscaldamento di circa l’8% in Aprile 2009.

Figura 13 - 10 Aprile 2009: ottimizzazione della temperatura dell’aria in immissione La gestione dei sistemi di ventilazione con scambiatori geotermici e recuperatori,

può divenire flessibile garantendo sempre condizioni ottimali di comfort, grazie all’ausilio di opportuni sistemi di by-pass e di sensori di temperatura. Uno schema di una possibile miglioria del concetto di ventilazione dell’impianto di Ansitz Kofler è riportato in Figura 14.

Figura 14 - Regolazione suggerita per il sistema di ventilazione: schema di funzionamento


CONCLUSIONI

Grazie all’analisi accoppiata tra simulazioni dinamiche e dati di monitoraggio è stato possibile:

- rintracciare, nell’uso delle schermature da parte dell’utente, uno dei fattori prin-cipali che determinano lo scostamento tra i valori monitorato e certificato (Ca-saClimaA+) rispettivamente di 56 kWh/m²a e 28 kWh/m²a del fabbisogno e-nergetico per il riscaldamento. Le simulazioni mostrano che è possibile una ri-duzione al valore di 46 kWh/m²a solo con un più corretto uso dei sistemi schermanti ed una scelta di 20° C per le temperature di termostato.

- suggerire e verificare la strategia di un sistema di regolazione per migliorare il funzionamento del sistema di ventilazione, con l’introduzione di un by-pass per lo scambiatore geotermico; con l’uso ottimizzato del by-pass già presente all’interno del recuperatore; con l’introduzione di un sensore che rilevi la tem-peratura del terreno e di dispositivi che controllino il funzionamento dei com-ponenti dell’impianto in base al confronto simultaneo tra le temperature moni-torate.

SIMBOLOGIA

ExtAir_T temperatura dell’aria esterna, °C AfterGeoth_T temperatura a valle dello scambiatore geotermico, °C AirIn_T temperatura dell’aria immessa dal sistema di ventilazione, °C AirOut_T temperatura dell’aria estratta dal sistema di ventilazione, °C

BIBLIOGRAFIA

Mahlknecht H. 2009. Refurbishment and monitoring of an historic building: a case study, 47° AICARR International Conference, Tivoli – Roma, 08th – 09th October 2009.

EnergyPlus Engineering: Reference to EnergyPlus Calculations, DOE, October, 2010.


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