Valutazione delle prestazioni energetiche degli edifici con i software GIS

• Superficie degli involucri esterni degli edifici: sarà definita dal perimetro della pianta dell'edificio in mappa moltiplicato per l'altezza totale del fabbricato. A tale superficie verrà aggiunta due volte la superficie in pianta per simulare le chiusure orizzontali in fondazione e copertura (quest'ultima sarà assunta per semplicità sempre orizzontale). Volendo si potrebbe anche suddividere ogni edifici in unità più piccole, ad esempio i vari piani, distinguendo fra piano terra, ultimo piano e piani intermedi. Inoltre sugli ultimi piani si potrebbe adottare una ulteriore diversificazione in base al tipo di copertura (a falde o a terrazza). Noi non includeremo queste informazioni per avere un esempio più semplice e chiaro.

Nel nostro caso, quindi, l'edificio sarà considerato come un'unica zona termica. Da queste informazioni verrà calcolato il valore del Qh approssimativo con la formula:

Q_h = 0.024 x H_T x GG

dove H_T è il coefficiente di trasmissione termica globale dell'edificio e sarà definito come la trasmittanza media (Um) della struttura dell'involucro edilizio moltiplicata per la superficie opaca totale più il prodotto fra la superficie vetrata e la relativa trasmittanza; mentre GG sono i gradi giorno ottenuti dalla tabella relativa alla zona climatica.

Introdurremo per ogni edificio anche una sorta di tipologia costruttiva che (tramite gli abachi dell'appendice B della UNI/TS 11300-1) ci permetterà di estrapolare i valori medi di trasmittanza degli involucri edilizi sulla base della relativa tecnologia. Per la trasmittanza delle superfici vetrate useremo un valore fisso di 2.0 W/m²k. Per ogni edificio si definirà una percentuale della superficie disperdente da considerare come superficie vetrata alla quale verrà attribuita la trasmittanza appena detta.

Il valore di H_T sarà allora dato da:

H_T = (S_TOT - S_VET) x U_m + S_VET x 2.0

dove S_TOT è la superficie totale, S_VET è la superficie vetrata ed Um è la trasmittanza media dell'involucro opaco.

Una volta ottenuto il Q_h in termini di kWh si effettuerà il calcolo del corrispondente indice di prestazione invernale EP_i secondo la seguente formula:

EP_i = (Q_h/A_PAV)/ƞ_g

dove η_g è il rendimento globale medio stagionale dell'impianto di riscaldamento (anche questo sarà un dato di input), stimato come uguale per tutti gli edifici, e A_PAV è la superficie netta del pavimento in m².

L'area del pavimento verrà calcolata moltiplicando l'area in pianta dell'edifico per il numero di piani dell'edificio stesso in modo da tener conto della superficie effettivamente riscaldata di tutti i livelli di ogni singolo edificio.

La struttura del dato cartografico

Passiamo ora a definire i layers cartografici a cui associare le informazioni. Per semplificare avremo semplicemente un layer di tipo poligonale composto dai perimetri esterni degli edifici. In questo modo sarà possibile dare maggiore risalto all'elaborazione ed a come questa viene condotta. Questo layer sarà associato alle informazioni appartenenti agli edifici considerati come corpo unico (altezza totale, coefficiente di trasmissione termica globale dell'edificio, rendimento globale medio dell'impianto di riscaldamento, GG della zona climatica in cui si trova l'edificio, il valore totale dei consumi di gas naturale dell'edificio). Questo layer ha lo scopo di simulare gli edifici appartenenti ad un ipotetico quartiere residenziale in cui andremo ad imporre alcune diversificazioni relative ai parametri di input di ogni edificio per vedere poi, attraverso un tematismo a classi come sia possibile avere una mappa delle classi energetiche di appartenenza dei vari edifici.

Volendo è possibile anche introdurre ulteriori layers, ad esempio con le unità abitative di ogni edificio, in modo da ripartire il calcolo su ogni unità abitativa ed ottenere così una valutazione delle prestazioni di ogni edificio basandosi su informazioni più dettagliate. Il livello di dettaglio scelto può essere quello che preferiamo, passando da una semplice suddivisione in livelli, ad una suddivisione in unità abitative per ogni piano o addirittura alle varie zone in ogni unità abitativa. Ovviamente, come detto, tale scelta è funzione del livello di dettaglio cui mira la nostra valutazione.

Gli attributi del layer degli edifici

Vediamo praticamente come definire gli attributi del layer degli edifici. Partiamo con la definizione dei campi di input, cioè quegli attributi che contengono le informazioni di input per il calcolo. La tabella così ottenuta è mostrata nella seguente figura.

Come è possibile vedere sono stati inseriti i campi relativi alle informazioni di base che vengono utilizzate per calcolare tutti gli altri parametri ed infine EP_i. I valori inseriti sono numeri non reali, ma finalizzati a migliorare la comprensione quanto più possibile chiara di quanto si vuole esporre con questo esempio. Di seguito si descrivono in sequenza i vari campi:

• id: identificativo univoco dell'edificio. Questo campo corrisponde alla chiave primaria che consente di identificare univocamente ogni edificio. Si tratta di un campo sempre presente in tutti i layers vettoriali, poiché rappresenta l'elemento distintivo di ogni singola entità territoriale.
• Tip.Edil.: definisce la tipologia edilizia. Il valore rappresenta il numero della scheda della struttura opaca presentata nell'allegato B della norma UNI/TS 11300-1. Per ogni struttura è stata definita una trasmittanza media (Um), calcolata sulla base degli spessori e dei valori di resistività dei vari materiali della stratigrafia.
• Altezza: definisce l'altezza totale dell'edificio in metri. Il valore dell'altezza ci permette anche di calcolare il numero di piani dell'edificio dividendo tale altezza per un'altezza interpiano media (assumeremo un'altezza interpiano di 3 m).
• N Appartam: Numero di appartamenti per ogni edificio. Assumendo una superficie media di 100 m², abbiamo stimato il numero di appartamenti usando l'area in pianta dell'edificio, dividendola per la nostra superficie media ad appartamento e moltiplicandola per il numero di piani. Questo campo non è usato attivamente nel calcolo, la sua presenza serve solo per mostrare un altro dei calcoli possibili nei GIS. E di come sia possibile fare anche una stima dei consumi medi di ogni appartamento semplicemente dividendo i consumi totali per il numero di appartamenti. Questo campo può essere anche utilizzato per fare una stima più dettagliata sui consumi, assegnando i consumi ad ogni appartamento e facendone poi la somma per ottenere i consumi a livello di edificio. Come si vede ancora una volta è possibile estendere il discorso al livello di dettaglio che preferiamo.
• Consumi: valore dei consumi di gas naturale in m³. Questi sono stati stimati associandoli alla tipologia di involucro ed assumendo i seguenti valori in m³ ogni 100 m² di superficie: 3000 nel caso di strutture di tipo 2; 2500 per strutture i tipo 1 e 1500 per strutture di tipo 6 (il tipo di cui stiamo parlando si riferisce alle tipologia di involucro edilizio riportate negli abachi della appendice B della norma UNI/TS 11300-1).
• GG: valore dei gradi giorno (è stato scelto il comune di Cassano Irpino, afferente alla zona climatica D per il quale sono valutabili 2010 GG).
• EtaG: rendimento globale medio stagionale dell'impianto. Si è assunto un valore costante di 0.70. Questo per semplificare il calcolo e per dare risalto alle differenze di classificazione indotte dalle altre variabili in gioco. Inoltre alla fine vedremo come è possibile vedere subito gli effetti legati al miglioramento di questo parametro per tutti gli edifici in esame. Ovviamente, anche questo parametro può essere dettagliato a piacimento, in base agli obiettivi che vogliamo raggiungere.
• SupVetr: percentuale di superficie vetrata. Questa percentuale va applicata alla superficie totale dell'edificio per ottenere la superficie vetrata per il calcolo di HT. I valori di tale percentuale sono scelti randomicamente, per ogni edifici, in un range attendibile di riferimento.
• Um: valore di trasmittanza media per l'involucro dell'edificio, calcolato, come già accennato, usando i valori della struttura UNI/TS 11300-1 riportata nella tipologia edilizia vista sopra. Per il calcolo abbiamo considerato 1 cm di spessore per gli intonaci e 30 cm per la muratura. Le trasmittanze ottenute sono: 2,262 per la tipologia 1; 3,003 per la tipologia 2; 1,432 per la tipologia 6 (in W/m²k).

Come si vede si è cercato di uniformare tutti i parametri di calcolo in modo da dare risalto agli effetti della struttura edilizia e dei valori di trasmittanza media rispetto a tutti gli altri fattori. Questo ci permetterà di dare risalto anche agli effetti degli interventi migliorativi ipotizzati nell'analisi che mireranno al cambiamento della struttura delle superfici disperdenti (superfici opache e vetrate) e di conseguenza della trasmittanza media dell'involucro.

A questo punto andiamo ad aggiungere i campi calcolati. I campi che dobbiamo calcolare sono:

• Valore della superficie totale di ogni edificio. Tale superficie è data dal perimetro degli edifici in mappa × l'altezza dell'edificio + 2 volte l'Area dell'edificio in pianta. Questo perché assumiamo che ogni edificio sia una unica zona termica e che la copertura sia piana.
• Valore della superficie vetrata, calcolata applicando la percentuale del campo %SupVetr alla superficie totale dell'edificio.
• Valore della superficie opaca, calcolata dalla differenza della superficie totale meno la superficie vetrata.
• Valore di H_T, calcolato con la formula vista in precedenza.
• Valore di Q_h, anche questo calcolato con la relativa formula precedente.
• Valore di EP_i.

Per poter compiere questa operazione cominciamo con l'aggiunta del primo campo “SupLat” che contiene il valore della superficie laterale.
Sebbene il nome che le abbiamo dato può trarre in inganno, questo campo contiene la superficie esterna totale dell'edificio, ottenuta assimilando quest'ultimo ad un prisma retto che ha per base il poligono dell'edificio in mappa. La procedura è semplice e segue gli stessi criteri di un foglio di calcolo.

Apriamo in QGIS la tabella degli attributi ed aggiungiamo un nuovo campo di tipo numerico decimale composto da 7 cifre di cui 3 decimali. Una volta aggiunto il campo, selezioniamolo nella casella a discesa in alto a sinistra, e poi componiamo la formula di calcolo dalla superficie come il prodotto fra il perimetro dell'edificio per l'altezza totale dell'edificio stesso più il doppio dell'area di base. Il risultato è visibile nella seguente figura.

Allo stesso modo eseguiamo il calcolo per i campi rimanenti. Alla fine dei calcoli il risultato è mostrato nella seguente figura. A questo punto abbiamo tutti i dati per effettuare la nostra analisi.

L'analisi GIS

Lo scopo di questa analisi è quello di mostrare non tanto l'uso dei GIS nella valutazione energetica del singolo edificio, quanto la possibilità offerta dai GIS di una analisi più estesa finalizzata alla riqualificazione del patrimonio edilizio esistente. Ovviamente per una analisi di questo tipo si può adottare anche un criterio differente, ad esempio usando direttamente i valori di classificazione desumibili dei certificati energetici dei vari edifici, facendo una media fra i valori di ogni unità abitativa.

La prima fase consta nella valutazione degli indici di prestazione energetica dei vari edifici nello stato di fatto. Per fare questo ci avvaleremo di un tematismo a classi. Per prima cosa definiremo le classi tematiche sulla base dei range di valori di EP_i ed assegnandovi il relativo colore. Il tematismo è stato creato definendo in QGIS uno stile con “regole” in cui abbiamo aggiunto le categorie con i relativi valori di EP_i ammessi. Il tematismo è visibile nella figura che segue.

Con questi semplici passaggi possiamo vedere subito i risultati che sono mostrati nella seguente figura. Come si vede con la realizzazione del cappotto e la sostituzione degli infissi, ora gli edifici ricadono in categorie energetiche che variano da C a G.

Diciamo che però noi non siamo ancora contenti (dato che abbiamo edifici ancora in classe G per i quali gli effetti sono praticamente trascurabili) e vogliamo fare di meglio. Facciamo una copia di quest'ultimo layer e diciamo che al nuovo layer vogliamo applicare anche un miglioramento del rendimento degli impianti (campo “EtaG”).

Diciamo che facciamo aumentare tale valore dall'attuale 0,70 a 0,90. Quindi facciamo i seguenti passi:

• modifichiamo il valore di EtaG a 0,90;
• ricalcoliamo EP_i.

Il risultato è visualizzato nella figura 38. Come possiamo vedere con la modifica degli impianti sono “scomparsi” gli edifici di categoria G e sono aumentati quelli di categoria A, B, C, D, E ed F. A questo punto si lascia al lettore la facoltà di divertirsi a modificare i parametri per il miglioramento al fine di ottenere, ad esempio, una classificazione più uniforme. Si potrebbe pensare di migliorare ancora la classe raddoppiando lo spessore del cappotto, per gli edifici a rendimento più basso, o quanto il lettore scelga di fare. Io vorrei solo far vedere un'ultima cosa. All'inizio della discussione per la realizzazione del progetto GIS ho fatto notare l'inserimento del campo relativo ai consumi annui di gas naturale.

A cosa ci serve questa cosa? Come ultima cosa farò vedere come risultano classificati gli edifici iniziali, senza le modifiche dovute agli interventi migliorativi, usando come parametro i consumi e le superfici, usando la formula:

EP_i = (C x 9.8)/S

dove C rappresenta i consumi in m³ di metano ed S la superficie di calpestio.

La formula EP_i assume che per ogni m³ di gas naturale si ottengano 9.8 kWh.

Effetto della modifica del campo hg in seguito all'ipotesi migliorativa per il rendimento energetico degli impianti

Classificazione degli edifici basata sui consumi

Come si vede abbiamo ancora una categoria energetica compresa fra F e G, che è all'incirca la stessa che avevamo con il primo calcolo.
Questo esempio serve a far vedere come sia possibile avere una stima iniziale orientativa delle prestazioni senza dover mettere in piedi un calcolo più dispendioso. Ovviamente, i dati ottenuti daranno solo informazioni qualitative sulla base delle quali possiamo poi procedere a calcoli più raffinati, magari integrando dati provenienti da software di calcolo specifici. Inoltre questo valore dei consumi verrà ora usato per valutare il risparmio in termini di consumi (con i miglioramenti apportati) ed il rapporto fra i costi degli interventi ed il risparmio in consumi. Per fare quest'ultima cosa sarà sufficiente introdurre tre parametri:

• il costo del cappotto al m² (in media ho assunto circa 50 € al m²);
• il costo degli infissi al m² (in media ho assunto circa 170 € al m²);
• il costo per l'acquisto di nuove caldaie; una per ogni appartamento, utilizzeremo a questo scopo il campo relativo al numero di appartamenti (in media ho assunto un costo di 2000 € per ogni caldaia).

Aggiungiamo, quindi, al layer degli edifici completi degli interventi migliorativi, 4 campi: uno chiamato “CostoCapp” che definisce il costo del cappotto per ogni edificio; un altro “CostoInfis” che contempla il costo degli infissi; un terzo chiamato “CostoCald” che ingloba il costo delle caldaie ed infine un quarto campo “CostoTot” che è la somma dei tre precedenti. I calcoli dei valori sono semplici poiché abbiamo già calcolato la superficie delle strutture opache e quelle delle superfici vetrate.

A questo punto andiamo a definire il costo medio di 1 m³ di gas naturale. Di solito il costo varia da 0.85 € a 1.20 € per cui noi assumeremo un valore medio di 1 € al m³. Ricordando il calcolo che abbiamo fatto sui consumi per ottenere il fabbisogno energetico di ogni edificio, applicando la formula inversa, possiamo ottenere i m³ di gas necessari per soddisfare il fabbisogno energetico dopo gli interventi migliorativi. Quindi, aggiungiamo una colonna “ConsMigl” in cui andremo a calcolare il valore dei consumi stimati con l'effetto dei miglioramenti. Infine aggiungiamo un nuovo campo “Rispar” in cui inseriamo il risparmio in termini economici di consumi di gas metano moltiplicando la differenza fra i m³ iniziali e quelli appena calcolati per il nostro costo del gas. Mi sono inoltre permesso di aggiungere un ulteriore campo finale (chiamato “Ammort”) in cui ho calcolato il numero di anni di ammortamento dei costi. Questa colonna è molto importante perché fa saltare subito agli occhi come, per gli edifici sui quali gli interventi non hanno avuto un effetto riqualificante significativo, il tempo di ammortamento dei costi sale a valori assurdi (50 anni ed oltre). Del resto questo è del tutto intuitivo. Questa cosa ci consente anche di valutare se effettivamente vale la pena fare determinati interventi su tali edifici, o magari di progettarne di diversi per rendere gli interventi di riqualificazione economicamente vantaggiosi.

Ora il lettore può anche usare lo stesso criterio per fare una valutazione sul singolo edificio. È sufficiente creare un progetto in cui il layer non contiene i poligoni di singoli edifici, ma quelli delle unità abitative o delle zone che si vogliono calcolare. Il resto del procedimento è identico. Questo per far notare la grande scalabilità dei GIS, che ci permettono di passare da un'analisi a grande scala (quartiere) ad una a scala minore (singolo edificio).

Credo siano state evidenziate le possibilità offerte dai GIS, nel contesto della valutazione o meglio della riqualificazione energetica a livello di piccola e/o grande scala. Viene da se che un comune può usare i criteri esposti per fare una stima delle prestazioni degli edifici nel proprio comune ed un tecnico incaricato può facilmente valutare quali sono gli edifici più carenti, fare delle ipotesi di interventi migliorativi e valutarne a colpo d'occhio gli effetti sulle prestazioni. Inoltre, credo sia chiaro che una analisi di questo tipo non è possibile con i software finalizzati al calcolo della certificazione, poiché essi si concentrano sul singolo edificio o sulla singola unità abitativa. Molto può essere fatto in questo campo con i GIS, sta alle idee ed alle esigenze del tecnico che compie l'analisi andare a delineare i parametri di classificazione da usare.

Per i calcoli usati abbiamo adottato una metodologia sintetica ridotta all'osso, poiché ai fini illustrativi del testo non si mirava ad approfondire tale aspetto. In una situazione reale, è possibile utilizzare i dati di calcolo provenienti dai software specifici adottando una strutturazione del layer degli edifici basata su tali dati. In questo modo si può avere subito in mappa la situazione realistica di un dato quartiere o addirittura di un intero comune. Infatti, questo è quanto è stato fatto anche nelle soluzioni GIS discusse nell'introduzione del capitolo.

A cura di Vincenzo Carella
Geologo professionista autore del libro GIS in edilizia