Fles­si­bi­lità ener­ge­tica di edi­fici ef­fi­cienti

La promozione dell’uso dell’energia da fonti rinnovabili è ormai da tempo tra le priorità delle politiche energetico-climatiche di molti paesi insieme agli obiettivi di efficienza energetica e riduzione delle emissioni di gas effetto serra. In particolare, per rispettare gli impegni dell’Unione Europea nel quadro dell’accordo di Parigi del 2015 sui cambiamenti climatici e le politiche dell’energia e del clima all’orizzonte 2030, gli Stati membri dovranno provvedere collettivamente a far sì che la quota da fonti rinnovabili nel consumo finale lordo di energia dell’Unione nel 2030 sia almeno pari al 32%. Secondo le statistiche disponibili più recenti, a cura dell’Agenzia europea dell’Ambiente, l’uso di rinnovabili a livello europeo è aumentato costantemente dal 2004 sino a raggiungere nel 2018 il 18.9% del consumo finale lordo (EU27_2020), sulla strada verso l’obiettivo del 20% per il 2020. A questa prospettiva si aggiunge la nuova proposta per la Legge sul Clima, presentata il 4 marzo 2020 dalla Commissione Europea, che stabilisce il quadro per raggiungere la neutralità climatica entro il 2050, elemento centrale del Green Deal europeo, attribuendo all’Unione Europea un ruolo trainante nella transizione globale. La via che conduce a un’economia a zero emissioni nette deve consistere in un’azione congiunta tra diverse strategie energetiche che si basano su politiche positive a prescindere dal clima, quali il grande uso di energie rinnovabili e l’efficienza energetica.¹ L’elettrificazione su larga scala avrà un ruolo centrale per il raggiungimento degli obiettivi di decarbonizzazione del sistema energetico complessivo e darà una posizione di primo piano ai consumatori che autoproducono energia e alle comunità locali, incoraggiando la penetrazione delle rinnovabili nell’ambito residenziale.

Il settore delle costruzioni rappresenta attualmente il 40% dell’uso finale di energia e il 36% delle emissioni di CO₂ in Europa e possiede un potenziale significativo di risparmio energetico e di riduzione dell’impronta di carbonio. La riduzione della domanda, tradotta nella realizzazione di edifici a basso fabbisogno di energia termica, interamente soddisfatto da energia rinnovabile, è una condizione indispensabile per rispettare l’accordo di Parigi e, dato che nel 2050 la maggior parte del parco immobiliare sarà costituito da edifici già oggi esistenti, occorre aumentare il tasso di intervento sugli edifici esistenti, effettuare ristrutturazioni profonde anziché moderate per evitare di bloccare il parco edilizio in uno stato di consumo troppo elevato,² diffondere i prodotti e le apparecchiature più efficienti, utilizzare sistemi intelligenti di gestione degli edifici e delle apparecchiature, scegliere le fonti di energia in modo che la grande maggioranza delle case sia riscaldata da impianti alimentati da fonti sostenibili (energia elettrica o teleriscaldamento da rinnovabili, biogas o solare termico). In questa prospettiva, irrompe il tema dell’edificio energeticamente flessibile³ da intendersi come un’evoluzione dell’edificio a energia (quasi) zero⁴ che, oltre alla riduzione del fabbisogno energetico per riscaldamento e raffrescamento, sia in grado di facilitare una piena ed efficace integrazione delle rinnovabili, avendo cura di mantenere il comfort dell’utente. L’esigenza di flessibilità nasce dalla crescente penetrazione di rinnovabili non programmabili nel sistema energetico, per loro natura intermittenti e insufficienti a sostituire le fonti fossili se l’uso di energia finale non viene drasticamente ridotto.⁵ Tra i diversi sistemi che possono concorrere a determinare la flessibilità energetica abbiamo esaminato le potenzialità legate alla capacità termica dell’involucro,⁶ che permette di accumulare energia quando la domanda è bassa con lo scopo di ridurre la richiesta durante i periodi di picco.

Potenziale di accumulo energetico delle masse

Tutti gli edifici possiedono capacità termica incorporata nella costruzione che rende possibile immagazzinare una certa quantità di energia termica (o di «freddo» in caso di edifici raffrescati). A seconda della quantità, distribuzione, velocità di carico/scarico ecc. della massa termica è possibile posticipare il riscaldamento (o il raffrescamento) per un certo periodo di tempo senza compromettere il comfort termico all’interno degli ambienti. Più alta è la capacità termica, maggiore è la quantità di energia che può essere immagazzinata e, se l’edificio dispone di un isolamento adeguato, questo consente di dilatare considerevolmente l’intervallo di tempo durante il quale l’ambiente si mantiene in condizioni di comfort, realizzando un accumulo termico «passivo» il cui costo è già ripagato dai risparmi di energia. L’autonomia di edifici scarsamente isolati è relativamente breve mentre le case passive hanno una costante di tempo molto più lunga.⁷ Inoltre, se l’edificio è pre-riscaldato o pre-raffreddato in eccesso, rimanendo comunque all’interno dell’intervallo di temperatura di comfort (cioè riscaldato fino al limite di comfort superiore − o raffrescato sino a quello inferiore) prima dello spegnimento del riscaldamento/raffrescamento, è possibile prolungare il periodo di indipendenza dalla rete elettrica. La strategia di accumulo consente così di controbilanciare le irregolarità della produzione di rinnovabili coordinando la domanda con l’offerta di energia locale, sfruttare i momenti di sovrabbondanza di offerta sulla rete, ridurre la richiesta di energia durante i periodi di picco immagazzinando l’energia durante i momenti in cui la domanda è più bassa (peak shaving, load leveling) e partecipare a logiche di demand response. In questo modo, la capacità di accumulo delle masse dell’edificio contribuisce a rendere un edificio flessibile, in grado di gestire domanda e generazione di energia secondo le condizioni climatiche locali, i bisogni dell’utente e i requisiti della rete.⁸

La variazione del potenziale di flessibilità dato dalla massa termica dipende da molti fattori (periodo di carica, livello di isolamento, esposizione, condizioni climatiche esterne, apporti interni ecc.) e cambia durante le stagioni. Tramite simulazioni energetiche dinamiche è stato possibile valutare il tempo in cui l’ambiente interno rimane in comfort termico a impianto spento e come questo possa variare a seconda dei diversi gradi di intervento sull’involucro, scegliendo come caso studio un edificio esistente del Comune di Milano. La ricerca ha previsto anche una fase di sperimentazione sul campo per verificare il comportamento reale dell’edificio e migliorare l’affidabilità del modello energetico. All’interno di due appartamenti a campione non abitati sono state eseguite misurazioni accurate⁹ dell’andamento della temperatura operativa (a seguito di un periodo di carica e dello spegnimento successivo del riscaldamento), ripetute considerando diversi scenari di carico e condizioni climatiche esterne.

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Note

1. Comunicazione della commissione al Parlamento europeo, al Consiglio europeo, al Consiglio, al Comitato economico e sociale europeo, al Comitato delle regioni e alla Banca europea per gli investimenti. Un pianeta pulito per tutti. Visione strategica europea a lungo termine per un’economia prospera, moderna, competitiva e climaticamente neutra, 2018.
2. Lucon O., Ürge-Vorsatz D., Zain Ahmed A., Akbari H., Bertoldi P., Cabeza L.F. et al., Building. Climate Change 2014: Mitigation of Climate Change. Contribution of Working Group III to the Fifth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change, 2014.
3. Jensen S.Ø., Marszal-Pomianowska A., Lollini R., Pasut W., Knotzer A., Engelmann P. et al., IEA EBC Annex 67 Energy Flexible Buildings, «Energy and Buildings», 2017; 155: 25-34.
4. Erba S., Pagliano L., Shandiz S.C., Pietrobon M., Energy consumption, thermal comfort and load match: study of a monitored nearly Zero Energy Building in Mediterranean climate, Mater Sci Eng 2019; 609.
5. Grubler A., Wilson C., Bento N., Boza-Kiss B., Krey V., McCollum D.L. et al., A low energy demand scenario for meeting the 1.5 °C target and sustainable development goals without negative emission technologies, «Nature Energy», 2018; 3: 515-527.
6. Johra H., Heiselberg P., Dréau J.L., Influence of envelope, structural thermal mass and indoor content on the building heating energy flexibility, «Energy and Buildings», 2019; 183: 325-339.
7. Le Dréau J., Heiselberg P., Energy flexibility of residential buildings using short term heat storage in the thermal mass, «Energy», 2016; 111: 991-1002.
8. Johra H., Heiselberg P., Dréau J.L., Influence of envelope cit.;  Le Dréau J., Heiselberg P., Energy flexibility of residential buildings cit.; Favre B., Peuportier B., Application of dynamic programming to study load shifting in buildings, «Energy and Buildings», 2014; 82: 57-64.
9. European Committee for Standardization, ISO. EN ISO 7726:2001 - Ergonomics of the thermal environment - Instruments for measuring physical quantities, 2001.

Approfondimenti

• Il numero 2015/47 di «TEC21», Ther­mi­sche En­er­gie­spei­cher