UNIVERSITA’ DEGLI STUDI DI FIRENZE FACOLTA’ DI ARCHITETTURA CORSO DI LAUREA IN ARCHITETTURA

1. In collaborazione con UNIVERSITA’ DEGLI STUDI DI FIRENZE FACOLTA’ DI ARCHITETTURA CORSO DI LAUREA IN ARCHITETTURA A.A. 2005/2006 Ente per le Nuove tecnologie, l’Energia e l’Ambiente ANALISI AMBIENTALE ED ENERGETICA DI UN IMPIANTO DI CONDIZIONAMENTO CON IL METODO LCA Relatore Prof. Ing. Giorgio Raffellini Correlatore Ing. Paolo Neri (Centro ricerche ENEA) Tesi di laurea diSara Mohaddes Khorassani

2. Impatto ambientale: “L’insieme di tutti gli effetti, positivi e negativi, diretti ed indiretti, temporanei e permanenti, che ciascuna azione umana genera sull’ambiente, inteso come sistema complesso delle risorse umane e naturali” Principali tipi di impatto: • Inquinamento dell’aria (dovuto ai processi di combustione) • Inquinamento delle acque (causato dagli scarichi urbani e industriali) • Inquinamento da rumore • Effetti sul paesaggio e sull’assetto territoriale • Effetti sanitari e ambientali (derivanti da incidenti) Gli impatti elencati hanno la caratteristica comune di poter essere quantificati Ciò rende possibile l’utilizzo di metodi scientifici per poterne valutare l’entità

3. Obiettivo dello studio: Quantificarel’impatto ambientaledovuto ad un impianto di condizionamento e metterlo a confronto con quello generato da un impianto di diverso tipo • Impianto di condizionamento: contributo più importante nell’impatto generato da un prodotto edilizio, a causa del consumo di energia per la climatizzazione • Impatto ambientale: Fase di produzione (estrazione, lavorazione) Fase d’uso (consumo di energia) Smaltimento (processi di lavorazione, consumo di suolo) Impatto ambientale generato dall’impianto durante l’arco del suo intero CICLO DI VITA

4. ANALISI del CICLO di VITA (Life Cicle Assessment, LCA): Definizione degli obiettivimotivazioni per cui si esegue l’LCA Unità funzionaledefinizione dell’oggetto dello studio e del riferimento temporale Funzione del sistema caratteristiche e prestazioni del prodotto Confini del sistema elementi e processi che devono essere inclusi nell’LCA ISO 14041 Consumi Effetti Inventario“individuazione dei flussi in ingresso e in uscita da un sistema-prodotto lungo tutta la sua vita” Emissioni In aria, in acqua, nel suolo Consumo di suolo e di risorse Materiali Energia ISO 14041 Classificazione: assegnazione di un dato ad una categoria d’impatto ambientale Caratterizzazione: determinazione del contributo della singola sostanza in un impatto Normalizzazione: entità dell’impatto del prodotto rispetto ad un’area di riferimento Valutazione del danno: impatto totale del prodotto nell’arco del suo ciclo di vita • Metodi: • Eco-Indicator 99 • EPS 2000 • EDIP 96 • Impact 2002+

5. Metodi di valutazione del danno ambientale: Eco-Indicator 99 (Olandese) Categorie di danno Categorie di impatto Indicatore DALY Normalizzazione e Valutazione PDFm2yr ECO-PUNTI (Pt) Parametro univoco di valutazione del danno MJ surplus

6. Metodi di valutazione del danno ambientale: EPS 2000 (Svedese) Categorie di danno Categorie di impatto Indicatore YOLL/prs yr Normalizzazione e Valutazione kg ECO-PUNTI (Pt) ELU/kg Parametro basato sul concetto di “disponibilità a pagare” NEX

7. Metodi di valutazione del danno ambientale: EDIP 96 (Danese) Categorie di impatto Indicatore g equiv. Normalizzazione e Valutazione m3 ECO-PUNTI (Pt) kg

8. Metodi di valutazione del danno ambientale: Impact 2002+ (Svizzero) Categorie di danno Categorie di impatto Indicatore DALY Normalizzazione e Valutazione PDFm2yr ECO-PUNTI (Pt) g CO2 eq MJ surplus

9. Fasi dello studio: • Ubicazione (caratteristiche climatiche del sito, orientamento) • Caratteristiche dimensionali e tecnologiche dei componenti • Funzione Caratteristiche dei locali da condizionare Analisi delle diverse tipologie di impianto • Calcolo manuale • Calcolo con Recal 10 • Calcolo con Termotecnica Calcolo delle DISPERSIONI TERMICHE INVERNALI e dei CARICHI TERMICI ESTIVI Scelta e dimensionamento dell’impianto • Scelta della potenza • Scelta dei componenti • Dimensionamento dei componenti Analisi del ciclo di vita dell’impianto di condizionamento Confronto con il ciclo di vita un altro tipo di impianto

10. Caratteristiche dei locali da condizionare: 10 locali adibiti ad uso ufficio situati a Torino Caratteristiche della località Caratteristiche dimensionali dei locali Ufficio “campione” utilizzato per valutazione dei programmi di simulazione energetica

11. Caratteristiche dei locali da condizionare: Caratteristiche dei componenti • Spessore totale: s= 37 cm • Resistenza totale: R = 2,409 mqK/W • Trasmittanza:U=0,415 W/mqK < U lim = 0,460 W/mqK ( D.L.192/2005) • Massa areica: Ms = 518,8 kg/mq • Spessore totale: s= 28,4 cm • Resistenza totale: R = 1,295 mqK/W • Trasmittanza: U=0,772 W/mqK • Massa areica: Ms = 560 kg/mq

12. Caratteristiche dei locali da condizionare: Caratteristiche dei componenti • Spessore totale: s= 12,4 cm • Resistenza totale: R = 2,778 mqK/W • Trasmittanza: U=0,360 W/mqK • Massa areica: Ms = 24,6 kg/mq Numero di locali aventi le stesse caratteristiche: 10 • 10 uffici • Parete esterna: ovest • Pareti interne e solaio: confinanti con ambienti condizionati

13. Analisi delle diverse tipologie di impianto: IMPIANTI A TUTTA ARIA • a portata variabile e temperatura costante • a portata costante e temperatura variabile • a portata e temperatura variabili • con canale singolo • a doppio condotto IMPIANTI AD ACQUA • a due tubi • a quattro tubi • a due tubi con ritorno inverso • con presa d’aria • senza presa d’aria Flessibilità Buon controllo dei parametri termoigrometrici Canalizzazioni dell’aria ridotte Tubazioni dell’acqua ridotte Pressione del fluido costante IMPIANTI MISTI ARIA- ACQUA • a due tubi • a quattro tubi • a due tubi con ritorno inverso

14. Componenti dell’impianto: Impianto 1 Impianto 2 POMPA DI CALORE CALDAIA E REFRIGERATORE UNITA’ DI TRATTAMENTO ARIA SISTEMA DI DISTRIBUZIONE DELL’ACQUA A due tubi con ritorno inverso SISTEMA DI DISTRIBUZIONE DELL’ARIA Ad aria primaria TERMINALI Ventilconvettori Gli elementi saranno dimensionati sulla base delle caratteristiche dell’aria esterna nelle condizioni più sfavorevoli e su quelle che si vogliono mantenere all’interno

15. Calcolo delle dispersioni termiche invernali: Qi = Qt + Qv Qt = calore disperso per trasmissione Qv = calore disperso per ventilazione Calcolo manuale: Cd < Cd lim FEN < FEN lim hg>hg lim (legge 10/91) Calcolo con Recal 10: Calcolo con Termotecnica: FEP < FEP lim (D.L.192/2005)

16. Calcolo dei carichi termici estivi: Qi = Qir + Qt + Qv + Qin Q ir = calore dovuto all’irraggiamento Qt = calore dovuto alla trasmissione Qv = calore dovuto alla ventilazione Q in = calore dovuto ad apporti interni Calcolo manuale: Calcolo con Termotecnica:

17. Condizionamento dell’aria nella stagione invernale: Calore scambiato sulle batterie dell’UTA Calore scambiato sulle batterie dei ventilconvettori Potenza PdC/Caldaia Portate di acqua nelle tubazioni Dimensionamento tubazioni acqua Portate di aria nei canali Dimensionamento canali aria Perdite di carico Prevalenza pompa e ventilatori

18. Condizionamento dell’aria nella stagione estiva: Calore scambiato sulle batterie dell’UTA Calore scambiato sulle batterie dei ventilconvettori Potenza PdC/Refrigeratore Portate di acqua nelle tubazioni Dimensionamento tubazioni acqua Portate di aria nei canali Dimensionamento canali aria Perdite di carico Prevalenza pompa e ventilatori

19. Pompa di calore • Struttura portante • Pannelli esterni • Basamento • Sostegni • Struttura esterna • Compressore + vano di protezione • Evaporatore a piastre • Condensatore a pacco alettato • Ventilatori + motore • Circuito in rame + attacchi • Valvole • Filtro deidratatore • Scarico condensa • Pressostati • Circolatore + motore • Vaso di espansione • Fluido frigorigeno (R407C) • Valvola di espansione • Valvola di invesione del ciclo • Valvola di ritegno • Valvola di sicurezza • Valvola termostatica MODELLO MCA-H12, Galletti Potenza frigorifera:10,77 kW Potenza termica: 12,90 kW COP = 3 (con recupero calore aria interna) • Controllo alta pressione • Controllo bassa pressione Inventario

20. Pompa di calore Inserimento dei dati nel codice SimaPro (alcuni esempi) Fase di produzione Inventario

21. Unità di trattamento aria • Pannelli autoportanti • Coibentazione • Basamento • Struttura esterna • Serrande • Sezione filtrante • Sezione di riscaldamento • Sezione di raffreddamento e deumidificazione • Sezione di postriscaldamento • Sezione di umidificazione • Separatore di gocce • Sezione di ventilazione • Raccolta e scarico condensa • Sezione recupero calore • Telaio • Alette • Ruote dentate MODELLO ME13, Fast Portata: 600 mc/h A pacco evaporante • Bacinella • Canale in PVC Scambiatore aria-aria a flussi incrociati Inventario

22. Sistemi di distribuzione • Distribuzione dell’acqua dalla centrale alle batterie dei ventilconvettori • Distribuzione dell’acqua dalla centrale alla batteria di riscaldamento e raffreddamento dell’UTA • Distribuzione dell’acqua dalla centrale alla batteria di postriscaldamento dell’UTA • Tubazioni acqua Diametro nominale: 1/2” Diametro nominale: 1,1/4” Tubi gas serie normale in acciaio non legato senza saldatura, Acciaitubi Diametro nominale: 3/4” • Canalizzazioni aria • Diametro esterno: 315 mm • Diametro interno: 313,4 mm • Spessore isolante: 25 mm Canali circolari coibentati, Termoventilazione Bresciana Inventario

23. Struttura portante • Pannelli esterni • Sostegni Ventilconvettori • Struttura esterna • Batteria a pacco alettato • Raccordo di mandata • Griglia di mandata • Raccordo di aspirazione • Griglia di aspirazione • Filtro • Ventilatori + motore • Valvola di regolazionecollegata a termostato • Raccolta e scarico condensa • Telaio metallico • Rete in materiale sintetico MODELLO UNIVERSALE11, Irsap Potenza termica: 1,44 kW Potenza frigorifera: 1,07 kW • Bacinella • Canale in PVC Inventario

24. Fase d’uso • Energia primaria estiva • Energia primaria invernale • Sostituzione refrigerante • Acqua nelle tubazioni • Manutenzione • Occorre tenere conto delle parti di impianto aventi un ciclo di vita minore di quello dell’impianto stesso e dell’energia spesa per le operazioni di manutenzione • Sostituzione valvole • Sostituzione termostati • Sostituzione pressostati • Sostituzione vaso di espansione • Sostituzione pacco di cellulosa UTA • Pulizia-sostituzione filtri • Sostituzione cinghie ventilatori • Pulizia elementi • Altre eventuali sostituzioni Inventario

25. Inventario Fase d’uso Energia primaria invernale: potenza fornita per 20 anni nel periodo di riscaldamento considerato (dal 15 ottobre al 15 aprile, per 11 ore al giorno) E = 26644 MJ/anno  Energia termica (Recal 10) Per 20 anni: E = 532880 MJ termici = 53288 kWh elettrici (10 MJ = 1kWh el.) Energia primaria estiva: potenza fornita per 20 anni nel periodo di raffrescamento considerato (dal 15 giugno al 15 settembre, per 11 ore al giorno) Calcolo dell’energia primaria estiva tenendo conto dei valori di: • Temperatura esterna • Umidità relativa esterna • Radiazione solare Relativi ai diversi mesi e alle diverse ore  Si ricava: E = 1553,8 kWh elettrici/anno Per 20 anni: E = 31076 kWh elettrici

26. Analisi del danno dovuto fase di produzione dell’impianto con pompa di calore Eco-Indicator99 VALUTAZIONE per categorie di danno Risorse: 90% La fase di produzione dell’impianto produce il massimo danno sul consumo di risorse (90%) Danno sulla qualità dell’ecosistema: 8% Danno sulla salute umana: 2%

27. Analisi del danno dovuto fase di produzione dell’impianto con pompa di calore Eco-Indicator99 VALUTAZIONE per singoli processi 24% 20% 11,4% 44,6% I componenti che producono il danno maggiore sono i ventilconvettori (44,6% del danno) a causa dell’elevato consumo di rame ed il sistema di distribuzione (24% del danno) a causa dell’energia impiegata per la produzione dell’acciaio

28. Analisi del danno dovuto al ciclo di vita completo dell’impianto con pompa di calore Eco-Indicator99 VALUTAZIONE per categorie di danno Risorse: 71% Salute umana: 25% Il ciclo di vita dell’impianto produce il massimo danno sul consumo di risorse (71%), a causa del consumo di combustibili fossili per la produzione di energia Danno sulla salute umana: 25%, a causa delle emissioni dovute ai processi di combustione Danno sulla salute umana: 2%

29. Analisi del danno dovuto al ciclo di vita completo dell’impianto con pompa di calore Eco-Indicator99 VALUTAZIONE per singoli processi Consumo invernale: 48,3% Consumo estivo: 46,6% Produzione: 5,1% I componenti che producono il danno maggiore è l’elettricità utilizzata per il riscaldamento (48,3% del danno) seguita da quella utilizzata per il raffrescamento (46,6% del danno). Il danno dovuto alla produzione è il 5,1% del totale

30. Confronto fra impianto con pompa di calore e impianto con caldaia e refrigeratore Inventario impianto con caldaia e refrigeratore: • Caldaia • Refrigeratore • Unità di trattamento aria • Sistema di distribuzione dell’acqua • Sistema di distribuzione dell’aria • Ventilconvettori • Energia primaria invernale • Energia primaria estiva • Manutenzione • Acqua • Rerigerante Energia primaria invernale: E = 707580 MJ (in 20 anni) Energia primaria estiva: E = 31076 kWh (in 20 anni)

31. Confronto fra impianto con pompa di calore e impianto con caldaia e refrigeratore: fase di produzione Eco-Indicator99 VALUTAZIONE per categorie di impatto Il danno dovuto alla fase di produzione dell’impianto con pompa di calore è circa il 70% di quello dovuto all’impianto tradizionale In entrambi i casi il danno è dovuto principalmente al consumo di minerali e di combustibili fossili

32. Confronto fra impianto con pompa di calore e impianto con caldaia e refrigeratore: ciclo di vita completo Eco-Indicator99 VALUTAZIONE per categorie di danno Impianto con caldaia e refrigeratore Risorse Risorse Impianto con pompa di calore Salute umana Salute umana Il danno provocato dall’impianto con pompa di calore è circa l’80% deldanno provocato dall’impianto tradizionale. Il danno massimo è dovuto al consumo di risorse, a causa dell’utilizzo dei combustibili fossili. L’impianto con pompa di calore produce effetti maggiori sulla salute umana, a causa delle emissioni derivanti dai processi di produzione dell’elettricità.

33. Confronto fra impianto con pompa di calore e impianto con caldaia e refrigeratore: ciclo di vita completo Eco-Indicator99 VALUTAZIONE per categorie di impatto Combustibili fossili Combustibili fossili In entrambi i casi il danno è dovuto principalmente al consumo di combustibili fossili

34. Confronto fra energia 1 MJ di energia elettrica e 2,78 MJ di energia termica Eco-Indicator99 VALUTAZIONE per categorie di impatto Il danno dovuto all’energia elettrica è di poco inferiore a quello dovuto alla combustione del gas: nella produzione dell’elettricità sono infatti considerati i processi di combustione che avvengono nelle centrali termoelettriche e il danno dovuto alle infrastrutture necessarie. La produzione di elettricità inoltre provoca danni maggiori sulla salute umana.

35. Conclusioni: • Il danno ambientale maggiore prodotto dall’impianto di condizionamento è quello dovuto al consumo di risorse. • Nella fase di produzione questo è dovuto principalmente al consumo di minerali • Nel ciclo di vita completo è invece dovuto principalmente al consumo di combustibili fossili

36. Conclusioni: • Un impianto con pompa di calore con un COP = 3 produce un impatto ambientale complessivo minore di quello dovuto ad un impianto tradizionale, ma ha effetti più gravi sulla salute umana, a causa del maggiore utilizzo di energia elettrica. Il vantaggio derivante dall’utilizzo di un impianto con pompa di calore può aumentare solo se si ha un COP maggiore o, soprattutto, se l’energia elettrica proviene da fonti rinnovabili

37. Conclusioni: • Il danno dovuto al consumo energetico nella stagione estiva costituisce il 46,6% del danno totale • Il danno dovuto alla produzione e al fine vita costituisce il 5,1% del danno totale • Occorre sottolineare che: • La località considerata per il caso studio presenta temperature estive relativamente basse • Là dove possibile è stato considerato il riciclo come fine vita dei materiali, il che ha prodotto una riduzione del danno dovuto alla fase di produzione

38. Conclusioni: • I componenti dell’impianto che producono il danno massimo sono i ventilconvettori ed il sistema di distribuzione • L’impianto scelto (ad aria primaria, a due tubi) ha permesso di risparmiare sugli elementi più impattanti: • Rame per le batterie dei ventilconvettori • Acciaio per i sistemi di distribuzione dell’acqua e dell’aria

39. Conclusioni: • La metodologia LCA permette di mettere in luce diversi aspetti relativi agli impatti dovuti ad un prodotto e di associare ad essi delle quantità • La metodologia LCA permette di effettuare confronti oggettivi e completi fra diversi prodotti • La metodologia LCA può essere un valido strumento di supporto per individuare soluzioni progettuali a minore impatto ambientale, che tengano conto di tutti i fattori coinvolti. Questo considerando comunque i limiti che essa presenta, che sono principalmente: • Assenza di un metodo di valutazione italiano • Banche dati riferite a situazioni locali Grazie per l’attenzione