Tesi di laurea in ingegneria energetica

Università degli Studi del Sannio

Dipartimento di Ingegneria

Corso di Laurea in Ingegneria Energetica

Tesi di laurea in tecnica del controllo ambientale

Metodi per la generazione di proiezioni climatiche future a confronto: applicazione al retrofit energetico

Relatore: Prof.ssa Rosa Francesca De Masi

Candidato: Ferrucci Giuseppe Matr. 864001414

Correlatore: Ing. Antonio Gigante

Anno Accademico 2023/2024

Sommario

• Riassunto ........................................................................................................................ 1
• Obiettivi .......................................................................................................................... 2

Capitolo I: Cambiamenti climatici: effetti attesi e metodologia

1.1 I cambiamenti climatici e le prestazioni degli edifici ............................................ 4

1.2 Sviluppo della metodologia per l'elaborazione dell'anno climatico tipo di evento ........................................................................................................................ 9

• 1.2.1 Principio di costruzione dell’anno caratteristico e definizione delle variabili . 14
• 1.2.2 Generazione dell’anno climatico tipo utilizzando diversi set di fattori di ponderazione: TMY, TMY2 e IWEC ........................................................................ 17

1.3 Preparazione di set di dati meteorologici futuri .................................................. 19

• 1.3.1 Downscaling dei modelli climatici globali ......................................................... 19
• 1.3.2 Downscaling statistico........................................................................................ 21
• 1.3.3 Downscaling stocastico ...................................................................................... 23

Capitolo II: Analisi dei file climatici per Benevento ed altre località europee

2.1. Dati meteorologici e composizione degli anni climatici .................................... 25

2.2. Confronto dei metodi di generazione .................................................................. 34

2.3 Calcolo e confronto dei gradi giorno invernali ed estivi dell’uso di diversi ........................................................................................................................ 43

Capitolo III: Effetto file climatici sulla simulazione energetica dinamica

3.1. Software di simulazione energetica dinamica .................................................. 54

• 3.1.1 Energy Plus e Design Builder ............................................................................ 55

3.2. Descrizione del caso studio .................................................................................. 57

• 3.2.1 Descrizione del modello numerico dell’edificio ................................................ 60

3.3 Interventi di retrofit ............................................................................................. 61

• 3.3.1 Involucro opaco ................................................................................................. 62
• 3.3.2 Involucro trasparente ........................................................................................ 62

3.4. Risultati della simulazione .................................................................................. 67

• 3.4.1. Analisi energetica e ambientale per il caso base .............................................. 67
• 3.4.2. Analisi energetica e ambientale per l’edificio riqualificato ............................. 76

Conclusioni ................................................................................................................. 79

Bibliografia ............................................................................................................... 81

Riassunto

L’obiettivo di questa tesi è confrontare diversi metodi per la generazione di proiezioni climatiche future, valutando la loro accuratezza e applicabilità nell’ambito del retrofit energetico degli edifici. Attraverso l’analisi comparativa dei metodi di proiezione, si intende identificare quelli più efficaci per prevedere i cambiamenti climatici a lungo termine e supportare le decisioni riguardanti l’efficienza energetica. In particolare, si esploreranno gli impatti di tali metodi sulle strategie di retrofit energetico, con l’obiettivo di ottimizzare il risparmio energetico e migliorare la resilienza degli edifici rispetto alle condizioni climatiche future.

Obiettivi

Uno dei principali obiettivi a livello comunitario è la completa decarbonizzazione del settore civile entro il 2050, un traguardo cruciale per mitigare il cambiamento climatico. La necessità di ridurre le emissioni di gas serra, in particolare dal settore edilizio, risponde all'urgenza di contrastare gli effetti del riscaldamento globale, il quale influisce direttamente sulle prestazioni energetiche degli edifici. Il settore civile, infatti, rappresenta una delle principali fonti di emissioni, rendendo essenziale l’adozione di strategie di efficienza energetica e di retrofit che possano ridurre il consumo energetico e migliorare la resilienza degli edifici rispetto alle condizioni climatiche future.

L’attività nell’ambito del presente lavoro di tesi condotta nasce da constatazioni sui metodi di progettazione degli edifici a energia quasi zero e sulla ristrutturazione di edifici esistenti, basati su software di simulazione energetica, noti come Building Energy Simulation (BES). La simulazione delle prestazioni degli edifici consente di valutare un progetto rispetto alle condizioni climatiche probabili durante la vita utile dell’edificio. Tuttavia, i file meteorologici usati per tali simulazioni si basano su dati storici, che spesso non considerano gli effetti locali e i cambiamenti climatici, come il fenomeno dell’isola di calore urbana. I dati climatici disponibili rappresentano, quindi, una media delle condizioni, mancando di informazioni sulle condizioni estreme o sulle variazioni future con risoluzione temporale oraria. In risposta a queste carenze, sono stati sviluppati vari metodi per creare file meteorologici proiettati verso il futuro, per migliorare la resilienza degli edifici progettati o riqualificati energeticamente.

La tesi confronta due metodi di downscaling statistico, il morphing e il metodo stocastico, utilizzando i tool CCWorldWeatherGen e Meteonorm. Questi metodi sono stati implementati con riferimento alla località di Benevento, a partire da un anno climatico tipico (TMY) costruito con dati meteorologici acquisiti tra il 2015 e il 2020. Successivamente, l’analisi è stata estesa ad altre città europee con condizioni climatiche differenti, come Berlino, Helsinki, Porto e Valencia. L'obiettivo è stato duplice: confrontare l’efficacia dei due metodi e analizzare le differenze tra i vari climi, impiegando file climatici “correnti” e “futuri” in formato “.epw” per valutare il loro impatto sulle prestazioni energetiche di un edificio, preso come caso studio.

L’edificio scelto è una casa monofamiliare degli anni ’80 situata a Benevento, in zona climatica C, con una superficie calpestabile di 313 m² e una superficie netta condizionata di 198 m². Il progetto TABULA è stato usato per classificare le caratteristiche dell’involucro e della tipologia impiantistica, rappresentative dello stock edilizio italiano. Nella prima parte dell’analisi, sono stati confrontati i metodi di generazione dei file climatici per le diverse località in termini di distribuzione oraria della temperatura e della radiazione solare, stimando i possibili effetti sulle necessità energetiche dell’edificio, confrontando i gradi giorno di riscaldamento e raffrescamento.

La seconda parte della tesi ha approfondito gli effetti sui fabbisogni energetici per il riscaldamento e raffrescamento (espressi in kWh/anno) dell’edificio nel suo stato di fatto, valutandone le prestazioni ambientali in termini di emissioni operative (kg CO₂). Infine, sono stati analizzati gli stessi indici energetici per il solo clima di Benevento, in relazione a interventi di retrofit energetico. Per l’involucro opaco, si è simulato un aumento dell’isolamento termico delle pareti esterne con l’installazione di un cappotto termico. Per l’involucro trasparente, sono stati testati doppi vetri con rivestimenti basso-emissivi e sistemi di controllo solare, insieme a sistemi di schermatura fissi ed interni mobili, esclusi per le facciate a nord. Questi interventi mirano a garantire l’efficienza energetica e la sostenibilità ambientale dell’edificio, anche alla luce dei cambiamenti climatici attesi.

I risultati dimostrano che l’utilizzo di file climatici proiettati, ottenuti tramite metodi di downscaling statistico, offre una stima più accurata dei fabbisogni energetici futuri rispetto ai dati storici. Tra i metodi, il morphing e il metodo stocastico hanno mostrato differenze significative solo in pochi casi, influenzando diversamente la progettazione degli interventi di retrofit. Gli interventi di isolamento e le soluzioni di schermatura risultano particolarmente efficaci nella riduzione dei consumi energetici e delle emissioni di CO₂, migliorando la resilienza degli edifici ai cambiamenti climatici e supportando l’obiettivo di decarbonizzazione del settore edilizio entro il 2050.

Capitolo I: Cambiamenti climatici: effetti attesi e metodologia

1.1 I cambiamenti climatici e le prestazioni degli edifici

“Climate change”, ovvero il cambiamento climatico, è la sfida più pressante che oggi l’umanità si trovi ad affrontare. Il suo impatto è tale che, senza un’azione globale intensa e coordinata, ma soprattutto immediata, il mondo non potrà più evitare il verificarsi di cambiamenti irreversibili ed eventualmente catastrofici. L’Unione Europea è tra gli attori principali di questa battaglia, impegnandosi a guidare la transizione energetica verso una società a zero emissioni di carbonio entro il 2050. Tra il 1990 e il 2018, l’UE è riuscita a ridurre le emissioni di CO₂ del 23%, aumentando al contempo il PIL. Per comprendere l’entità di questo fenomeno, cioè i cambiamenti climatici e le possibilità di (re)azione da parte dell’uomo, bisogna far ricorso ai dati forniti dalla comunità scientifica, che inquadrano l’impatto delle attività umane sul pianeta in ottica storica. La causa principale del cambiamento climatico attuale è l’aumento delle emissioni di gas serra, come il biossido di carbonio (CO₂), il metano (CH₄) e l’ossido di azoto (N₂O), derivanti dalla combustione di combustibili fossili (come carbone, petrolio e gas naturale) per l’energia e dai processi industriali. Questi gas trattenuti nell’atmosfera creano una sorta di “coperta” che intrappola il calore del sole, causando un aumento delle temperature globali. Le conseguenze del cambiamento climatico sono molteplici e preoccupanti. Queste includono: aumento delle temperature medie globali, innalzamento del livello del mare, cambiamenti negli schemi di precipitazioni, acidificazione degli oceani, intensificazione degli eventi meteorologici estremi (come tempeste, uragani, siccità e alluvioni), perdita di biodiversità, alterazione degli ecosistemi. Questi impatti hanno significative conseguenze per l’ambiente e per l’umanità: minacciano la sicurezza alimentare, la salute pubblica, l’approvvigionamento idrico, l’economia e la stabilità sociale. Pertanto, il cambiamento climatico rappresenta una delle più grandi sfide che l’umanità deve affrontare e richiede una risposta globale e coordinata per mitigare le emissioni di gas serra, adattarsi ai cambiamenti in corso e costruire una società più sostenibile. Come riferito dall’Agenzia europea per l’Ambiente, nel corso degli ultimi 150 anni la temperatura media è aumentata di quasi 0.8°C a livello globale e di circa 1°C in Europa. Ciascuno degli ultimi tre decenni è stato successivamente il più caldo mai registrato. L’Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC), l’organismo delle Nazioni Unite per la valutazione della scienza relativa al cambiamento climatico, aggiunge che dal periodo preindustriale (1850-1900) la temperatura media dell’aria superficiale terrestre osservata è aumentata notevolmente più della temperatura media globale superficiale di terra e oceano (GMST). In particolare, dal 1850-1900 al 2006-2015, la temperatura media dell’aria sulla superficie terrestre è aumentata di 1.53°C, mentre il GMST è aumentato di 0.87°C.

L’IPCC analizza quattro potenziali scenari futuri (proiezione per il XXI secolo) che dipendono dalle decisioni dei governi sulle politiche da adottare per ridurre le emissioni.

• Business - as - usual (RCP 8.5): le emissioni continuano a crescere ai ritmi attuali, le temperature hanno alte possibilità di superare i 4°C;
• Poca mitigazione (RCP 6.0): le emissioni crescono fino al 2080 e poi diminuiscono, le temperature hanno probabilità di superamento dei 2°C;
• Forte mitigazione (RCP 4.5): le emissioni si stabilizzano alla metà dei livelli odierni entro il 2080, le temperature hanno probabilità di non superare i 2°C;
• Mitigazione “aggressiva” (RCP 2.6): le emissioni si dimezzano entro il 2050, non c’è probabilità di superamento delle temperature di 2°C.

Il settore edile è uno dei maggiori consumatori di energia e gioca un ruolo significativo nelle emissioni di gas serra, contribuendo al 36% del consumo finale di energia e al 39% delle emissioni globali di biossido di carbonio. Di queste emissioni, circa l'11% proviene dalla produzione di materiali da costruzione, come acciaio, cemento e vetro.

Figura 1: Quota globale di energia ed emissioni finali di edifici e costruzioni, anno 2019

A livello europeo, il settore edilizio si presenta come uno dei principali responsabili del consumo energetico, rappresentando circa il 36% del consumo finale di energia e contribuendo per circa il 40% delle emissioni di CO₂ nell'atmosfera. Questa situazione è ulteriormente complicata dalla continua espansione del settore, che prevede un aumento del consumo energetico nei prossimi anni. Pertanto, la riduzione del consumo energetico e l'incremento dell'uso di energie rinnovabili nel settore edilizio sono misure imprescindibili per diminuire la dipendenza energetica dell’Unione Europea e per affrontare le sfide legate ai cambiamenti climatici, come stabilito nella Direttiva 2010/31/UE sul rendimento energetico degli edifici. Le direttive europee hanno l'obiettivo di promuovere l'efficienza energetica attraverso interventi mirati su edifici pubblici e privati. Questi interventi mirano a ottimizzare il rapporto tra fabbisogno energetico e emissioni di gas serra, migliorando le prestazioni energetiche e promuovendo l'uso di tecnologie avanzate.

Il primo accordo internazionale giuridicamente vincolante sui cambiamenti climatici è l’Accordo di Parigi, adottato durante la COP21 nel 2015. Questo accordo stabilisce un quadro globale per limitare il riscaldamento globale a ben al di sotto dei 2°C rispetto ai livelli pre-industriali, con l'intento di perseguire sforzi per limitarlo a 1,5°C. Gli obiettivi includono la riduzione delle emissioni globali e il rafforzamento della capacità dei paesi di affrontare gli impatti dei cambiamenti climatici. L'Unione Europea ha fissato obiettivi climatici e energetici ambiziosi per il 2020, 2030 e 2050. Nel 2008, il Parlamento europeo ha approvato il pacchetto per il clima e l'energia 2020, noto come pacchetto 20-20-20, che ha stabilito i seguenti obiettivi:

• Riduzione del 20% delle emissioni di gas serra rispetto ai livelli del 1990.
• Riduzione del 20% del fabbisogno energetico derivante da fonti fossili.
• Incremento del 20% dell’efficienza energetica.

Considerati i risultati ottenuti, nel 2018 l'UE ha aggiornato il piano estendendolo fino al 2030, con obiettivi ulteriormente ambiziosi: una riduzione di almeno il 32% delle emissioni di CO₂ rispetto al 1990, una quota di almeno il 27% di energia da fonti rinnovabili e un incremento del 40% dell’efficienza energetica. Il settore edilizio possiede un potenziale di riduzione significativo, con previsioni che indicano una possibile attenuazione della domanda energetica pari al 41% entro il 2050, rispetto ai livelli del 2005. Questo settore può quindi contribuire in modo sostanziale alla riduzione delle emissioni di gas serra. Tra le normative fondamentali, spiccano:

• Direttiva 2002/91/CE: Si concentra sul rendimento energetico degli edifici, promuovendo misure per migliorare l'efficienza energetica.
• Direttiva 2010/31/UE (EPBD): Stabilisce requisiti per la prestazione energetica degli edifici, promuovendo la transizione verso edifici a energia quasi zero (nZEB).
• Regolamento 244/2012: Fornisce un quadro metodologico per calcolare i requisiti minimi di prestazione energetica degli edifici.
• Direttiva 2018/844: Introduce misure per accelerare la ristrutturazione energetica e integrare tecnologie smart negli edifici.
• Implementazione Nazionale

In Italia, il Decreto Legislativo 10 giugno 2020, n. 48, attua la direttiva sulla prestazione energetica, stabilendo obiettivi per l'efficienza energetica degli edifici. Gli edifici di nuova costruzione pubblici devono essere nZEB dal 2019, mentre per tutti gli altri edifici vale la scadenza del 2020. Il decreto incentiva l'uso di sistemi di domotica per il controllo dei consumi e stabilisce l'obbligo di un Attestato.