Analisi energetica ed economica di climatizzazione distribuita a bassa differenza di temperatura per nuove lottizzazioni

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CAPITOLO 1. INTRODUZIONE 
 
 
 
1.1. PREMESSA 
 
L’energia rappresenta una premessa indispensabile per garantire un elevato livello di 
qualità della vita e lo sviluppo economico di un Paese. Il fabbisogno mondiale di energia è in 
continua crescita e la disponibilità di tale fattore deve essere assicurata nel tempo. Se si 
considera che nei prossimi vent’anni la popolazione del pianeta aumenterà di un miliardo e 
mezzo di individui e tutti, legittimamente, vorranno accedere all’energia per una vita migliore, 
fornire tali quantità a coloro che la chiederanno, riducendo al contempo gli impatti 
sull’ambiente, sarà una sfida alquanto complessa. 
Lo sviluppo industriale ed il progressivo aumento della popolazione mondiale rendono 
indispensabile ogni anno una maggiore quantità di energia e tale esigenza ha assunto 
oramai proporzioni preoccupanti, tanto che le previsioni sul progressivo esaurirsi delle 
tradizionali fonti di energia ed il livello di inquinamento raggiunto impongono per il futuro un 
cambiamento delle attuali politiche energetiche. 
I nostri modelli di consumo sono divenuti insostenibili e sono fra le principali cause del 
progressivo degrado delle risorse ambientali a livello globale. È necessario, dunque, 
sviluppare e perfezionare interventi politici per modificare gli attuali modelli di consumo 
rafforzando al contempo approcci e strategie a favore di modelli sostenibili, applicando 
incentivi per i comportamenti virtuosi, penalizzando gli sprechi, promuovendo la 
responsabilizzazione delle imprese produttrici e sensibilizzando gli utenti finali. 
Nell’ultimo decennio attraverso alcuni provvedimenti nazionali e comunitari si sono già 
registrati dei cambiamenti importanti nelle decisioni di politica energetica, però, nel nostro 
Paese, resta ancora molto da fare per raggiungere un “riequilibrio energetico” che sia 
duraturo nel tempo. La domanda di energia in Italia è in continua crescita e la sua struttura è 
la conseguenza di una complessa combinazione di fattori sociali, economici, tecnologici e
CAPITOLO 1. INTRODUZIONE 
 
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politici che si sono succeduti negli anni. 
Il nostro Paese presenta alcune caratteristiche peculiari, che lo differenziano dagli altri 
paesi industrializzati. Il forte peso che è stato assunto dalle fonti primarie non rinnovabili 
costituisce un grave elemento di vulnerabilità, sia per quanto riguarda la sicurezza 
dell’approvvigionamento sia per le conseguenze economiche causate dall’instabilità dei 
prezzi. È noto, infatti, che nel nostro territorio vi è scarsità di fonti energetiche fossili (le quali 
devono essere acquistate da quei paesi che ne dispongono e che spesso sono caratterizzati 
da una forte instabilità politica). Tutto ciò pone l’Italia in una situazione di rischio rispetto agli 
altri paesi industrializzati. 
Questi ultimi possiedono quantità non trascurabili di risorse interne e, comunque, in 
seguito alle crisi energetiche degli anni ‘70, hanno attuato profonde trasformazioni, volte a 
raggiungere l’obiettivo fondamentale della riduzione della dipendenza dall’estero. 
Queste ragioni rendono fondamentale individuare gli strumenti più adatti per attrarre 
investimenti e per promuovere un ciclo energetico basato su un mix che rappresenta il 
miglior compromesso possibile in termine di prezzi finali, disponibilità energetica e qualità 
dell’ambiente. Per tale motivo è opportuno incentivare tutte le tecnologie attualmente più 
efficienti includendo in tale definizione anche le fonti di energia rinnovabile. 
Nei prossimi anni le fonti rinnovabili probabilmente continueranno a rivestire un ruolo 
marginale, nonostante lo sviluppo di tali tecnologie sia fondamentale per il nostro Paese, 
infatti, se si trovasse il modo di diminuire i costi di produzione, queste fonti potrebbero 
generare consistenti benefici economici, energetici ed ambientali. 
Per quanto detto l’importanza delle fonti alternative di energia dovrebbe aumentare sia 
perché il loro utilizzo è una risposta adeguata ai problemi legati alla diversificazione 
energetica ed alla riduzione della dipendenza dall’estero, sia per il minor impatto ambientale 
ed il rispetto degli impegni internazionali sulla riduzione dei gas serra.  
 
 
 
1.2. LE ENERGIE RINNOVABILI 
 
“Si definiscono generalmente fonti energetiche rinnovabili quelle il cui utilizzo non 
pregiudica le risorse naturali per le generazioni future o che per loro caratteristica intrinseca 
si rigenerano o non sono esauribili nella scala dei tempi umani” [1]. In particolare il loro 
utilizzo non influenza le risorse naturali per le generazioni future e che per loro caratteristica
1.2. LE ENERGIE RINNOVABILI 
 
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si rigenerano e non si esauriscono. 
Le fonti rinnovabili che sono generalmente utilizzate in ambito civile sono: 
• biomasse; 
• energia solare: 
o solare termica; 
o solare fotovoltaica; 
inoltre si aggiungono alle precedenti altre due tecnologie che non possono essere definite 
effettivamente rinnovabili, ma che per il ruolo che svolgono di diminuzione del consumo di 
energia negli edifici svolgono un ruolo importante: 
• pompe di calore accoppiate al terreno; 
• cogenerazione. 
Delle fonti rinnovabili appena definite rivolte al civile si descrivono alcune 
caratteristiche salienti solo di quelle prese in considerazione per lo sviluppo del progetto di 
tesi. 
 
 
1.2.1. Le pompe di calore accoppiate al terreno 
Questo tipo di tecnologia è generalmente conosciuta anche col nome di “geotermia a 
bassa temperatura” ed è molto diffusa in campo civile per la climatizzazione in quanto dal 
suo uso deriva un risparmio mediamente pari al 35%, il che consentirebbe se usata in 
maniera massiccia di abbattere in modo significativo le emissioni nocive mantenendo la 
stessa struttura dell’impianto di climatizzazione. 
Le pompe di calore (in inglese heat pump, di seguito riportato anche HP) hanno 
riacquistato una grossa fetta del mercato in virtù del fatto che il riscaldamento negli edifici è 
rivolto ai terminali che sfruttano la bassa temperatura e inoltre si può soddisfare anche il 
fabbisogno di raffrescamento con gli stessi terminali e la stessa macchina termica. 
Il funzionamento si basa sul principio della pompa di calore che scambia calore (ceduto 
in estate e raccolto in inverno) col terreno che presenta una temperatura media costante 
nell’anno e questo accoppiamento favorisce l’aumento del rendimento della macchina con 
una diminuzione dei consumi di energia elettrica. E proprio perché è alimentata dall’energia 
elettrica che potrebbe anche essere accoppiata con moduli fotovoltaici per diminuire o 
addirittura azzerare il fabbisogno di energia elettrica che richiede la pompa di calore. 
Le pompe di calore in generale accoppiate al terreno si differenziano anche in base al 
modo di scambiare il calore:
CAPITOLO 1. INTRODUZIONE 
 
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• con sonde verticali; 
• con sonde orizzontali; 
• con acqua di falda. 
Purtroppo però questa tecnologia non è possibile adottarla in maniera capillare nel 
territorio in quanto ci sono difficoltà logistiche da considerare, come per esempio il tipo di 
terreno su cui effettuare le perforazioni o la densità abitativa non sia troppo elevata 
comunque si può dire che in generale è una tecnologia che potrebbe essere valutata più 
spesso in quanto sono numerose le aree adatte all’installazione. 
 
 
1.2.2. L'energia solare termica 
Il solare termico come fonte rinnovabile vera e propria deriva direttamente dallo 
sfruttamento dell’energia solare che arriva sulla superficie terrestre usata per riscaldare il 
fluido termovettore contenuto all’interno dei collettori solari. A sua volta il fluido termovettore 
è mandato in uno scambiatore per effettuare, direttamente o indirettamente, lo scambio 
termico in altri ambienti o con l’acqua calda sanitaria. 
Al giorno d’oggi ci sono due tipi di tecnologie di collettori solari adottati nel civile: 
• collettori solari piani; 
• collettori sottovuoto; 
i quali hanno delle differenze sia costruttive che di modi di applicazione e di rendimenti. 
Infatti se i collettori piani sono usati soprattutto nella stagione estiva per il loro scarso 
rendimento in inverno, i collettori sottovuoto sfruttano la caratteristica che il fluido 
termovettore è scaldato per irraggiamento mentre la parte sottovuoto limita le dispersioni per 
convezione, in questo modo aumentano di qualche punto percentuale il rendimento in 
inverno. 
L’energia solare, soprattutto alle nostre latitudini, è relativamente scarsa e per questo 
l’impianto di solito è costituito da un accumulatore di calore che svolge la funzione di volano 
termico per la richiesta di energia che potrebbe essere richiesta in altri momenti della 
giornata. Il fatto che l’energia solare con questa tecnologia non sia in grado da sola di 
soddisfare il fabbisogno richiesto, si deve comunque prevedere l’installazione di un impianto 
tradizionale per integrare il solare termico. 
Nonostante però i molti limiti, i collettori solari termici continuano ad aumentare la loro 
diffusione anche grazie agli incentivi statali per la loro installazione. 
Tali impianti vedono il loro ruolo preponderante nella produzione dell’acqua calda
1.2. LE ENERGIE RINNOVABILI 
 
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sanitaria. Infatti se la tecnologia presenta scarsi rendimenti in periodo invernale, con l’inizio 
della primavera è possibile ottenere grosse rese e arrivare a staccare completamente la 
caldaia tradizionale per usare unicamente il solare termico, in questo modo, anche se 
limitatamente nel tempo, si possono avere dei vantaggi in termini economici e ambientali. 
 
 
1.2.3. L'energia solare fotovoltaica 
Gli impianti solari fotovoltaici si basano sul principio che la radiazione elettromagnetica 
proveniente dalla radiazione solare è convertita in energia elettrica. La conversione è ancora 
bassa (al massimo 18%) ma questo è dovuto perché viene trasformata una forma di energia 
non pregiata come quella solare, in una molto versatile, come l’energia elettrica, adatta per 
qualsiasi tipo di alimentazione di tecnologie elettriche. 
La parte fondamentale del pannello fotovoltaico è la cella fotovoltaica in silicio la quale, 
in base al tipo di tecnologia usata per la sua costruzione, ha rendimenti diversi: 
• cella in silicio monocristallino: efficienza del 17% con costi elevati; 
• cella in silicio policristallino: efficienza del 14% e costi minori delle precedenti; 
• cella in silicio amorfo: efficienza del 7% con costi bassi ma grossa flessibilità di impiego. 
Nel caso di edifici civili la tecnologia più usata è quella con silicio monocristallino in 
quanto lo scopo dei pannelli fotovoltaici installati sulla copertura dell’edificio stesso permette 
di produrre una certa quantità di energia elettrica per essere sfruttata nei consumi 
dell’abitazione. 
Il principale problema del fotovoltaico sta proprio nel suo basso rendimento che 
necessita di aree di captazione dell’energia solare elevate (1 kWe è prodotto da circa 8 m
2
 di 
pannelli fotovoltaici) e di conseguenza anche il costo iniziale è elevato. 
Anche per questo caso la soluzione che ha permesso di aumentare la quantità di 
energia elettrica prodotta da fotovoltaico sono gli incentivi statali. In particolare per questo 
caso si parla di Conto Energia, un sistema di incentivazione in cui il proprietario del pannello 
fotovoltaico non paga l’energia che produce il pannello stesso e in più il gestore dell’energia 
paga con un certo prezzo tutta l’energia che ha prodotto il pannello. Da questo si evince che 
il ritorno economico più rapido si ha con un impianto fotovoltaico progettato per soddisfare 
tutta l’energia che l’abitazione produce in un anno senza essere sovradimensionato.
CAPITOLO 1. INTRODUZIONE 
 
16 
 
1.3. IL PROGETTO DI TESI 
 
Il presente lavoro di tesi si pone come obiettivo quello di verificare la fattibilità 
energetica ed economica nell’utilizzare in un complesso edilizio residenziale di nuova 
costruzione, un sistema di climatizzazione distribuita a bassa differenza di temperatura, 
dotato di pompe di calore accoppiate con sonde geotermiche, rispetto al caso classico di 
riscaldamento e raffrescamento (caldaia e split system in impianti separati per ogni singolo 
appartamento). 
Lo studio è stato effettuato su un terreno edificabile di nuova costruzione sito a 
Borgoricco, nel nordnullest della provincia di Padova, su un’area che si estende su una 
superficie di 45.000 m
2
 e con una volumetria edificabile di 35.000 m
3
. 
Il progetto preliminare del quartiere che dovrebbe sorgere, come si vede dalla Fig. 1.1, 
è composto da circa trenta lotti, suddivisi in due zone: quella di estensione maggiore, pari a 
circa i 2/3 del totale e quella di estensione minore pari al rimanente 1/3 del totale, separati 
nel mezzo da una zona adibita a parco pubblico indicativamente di 10.000 m
2
. 
 
 
 
Fig.1.1 Progetto preliminare del quartiere. Si nota a destra dell’immagine la zona di espansione maggiore (2/3 del 
totale), separata dalla zona di espansione minore (1/3 del totale) dall’area adibita a parco nel mezzo.
1.3. IL LAVORO DI TESI 
 
17 
 
 
Per rendere il lavoro di tesi a carattere più generale si sono valutati due tipi di layout di 
quartiere: 
• edifici radi che si ergono fino al primo piano; 
• condomini con la stessa superficie edificabile dei precedenti che si ergono fino al sesto 
piano di altezza in modo da aumentare la volumetria del quartiere e di conseguenza la 
densità abitativa. 
Nelle condizioni di cui sopra, di seguito si riportano le considerazioni di tesi relative alla 
verifica della fattibilità energetica ed economica nell’uso della pompa di calore associata a 
sonde geotermiche, all’aumentare della densità abitativa in una zona residenziale rispetto ad 
impianti standard. 
 
 
1.3.1. Procedimento della tesi 
Dopo aver acquisito il progetto preliminare del quartiere sono stati ricavati tutti i dati di 
massima per ottenere l’estensione, la volumetria dello stesso e la suddivisione dei lotti. 
Per rendere più valido ed indicativo il lavoro di tesi, le analisi condotte sono state 
estese non solo alla situazione progettuale approvata (rispettosa pertanto delle condizioni e 
dei vincoli autorizzativi) ma anche ad una diversa situazione di studio nel qual caso sono 
state ipotizzate diverse condizioni volumetriche degli edifici con un’estensione in altezza 
superiore al primo piano e quindi con un maggiore numero di unità abitative.  
Tali ipotesi, di seguito presentate, sono identificate nel proseguo della trattazione con il 
nome di “ipotesi 1” ed “ipotesi 2": 
• ipotesi 1: bifamiliari e condomini con altezze non superiori al primo piano composti da 4 
appartamenti; 
• ipotesi 2: condomini con sei piani di altezza composti da 24 appartamenti. 
Successivamente, ipotizzando particolari condizioni relative alla geometria costruttiva, 
alla tipologia della costruzione e a specifici dati di confort (riportate nel dettaglio nel Cap. 3.), 
mediante l’implementazione del programma informatico Trnsys
1
 (adatto per la simulazione 
dinamica dell’edificio) è stato stimato il fabbisogno di riscaldamento e raffrescamento dei 
singoli edifici. 
I dati forniti dall’applicazione del programma Trnsys sono stati inseriti come dati input 
                                                 
1
 Version: 2005null02 For TRNSYS 16.00.0037, TRNSYS Coordinator: Solar Energy Laboratory, University of 
WisconsinnullMadison 1500 Engineering Drive, 1303 Engineering Research Building Madison, WI 53706 – U.S.A..
CAPITOLO 1. INTRODUZIONE 
 
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nell’ulteriore programma EED
2
 (Earth Energy Designer), utilizzato per la simulazione delle 
condizioni di funzionamento delle sonde geotermiche. Sono così state definite, per le varie 
ipotesi formulate, il numero delle sonde stesse necessarie a soddisfare il fabbisogno degli 
edifici considerando diverse soluzioni impiantistiche: 
• impianto con sola pompa di calore; 
• impianto con pompa di calore e solare termico; 
• impianto con pompa di calore e caldaia integrativa; 
inoltre, solo per alcuni casi di studio significativi, è stato valutato l’utilizzo di: 
• impianto con pompa di calore alimentata da solare fotovoltaico. 
L’ultima parte del lavoro ha previsto una precisa ricerca di mercato per evidenziare il 
prezzo di tutti i macchinari termici e dei vari componenti dell’impianto così da effettuare 
un’analisi costinullbenefici tra la soluzione di quartiere che prevede l’uso dell’energia 
geotermica e la seconda soluzione dove tutti gli edifici sono dotati di sistemi di riscaldamento 
e raffrescamento tradizionali. 
                                                 
2
 Dr. Göran Hellström: Dept. of Mathematical Physics, Lund University, P.O.Box 118, SEnull221 00 Lund, Sweden; 
Dr. Burkhard Sanner: Asternweg 2, Dnull35633 Lahnau, Germany.
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CAPITOLO 2. INPUT ENERGETICI: 
CARATTERISTICHE TERMOIGROMETRICHE 
INTERNE ED ESTERNE 
 
 
 
2.1. PREMESSA 
 
Precisando che un ruolo fondamentale nel lavoro di tesi e specificatamente 
nell’applicazione dei programmi informatici è demandato alla definizione delle condizioni al 
contorno necessarie a delineare i limiti e le prestazioni del sistema e a semplificarne la 
trattazione, di seguito si individuano gli input energetici inseriti in Trnsys e, nello specifico, 
nei programmi Trnsys Simulation Studio e TRNBuild. 
Tali input per i programmi sopra citati, si dividono nell’ordine in: 
• input esterni: tutti i dati che rappresentano le condizioni sitonullspecifiche e climatologiche 
del luogo nel quale è previsto di realizzare gli edifici (temperatura esterna, umidità relativa 
esterna e radiazione solare diretta e diffusa); 
• input interni: tutti i dati che rappresentano invece sia le condizioni ed i valori 
termoigrometrici dell’ambiente interno degli edifici (temperatura interna e umidità) sia i 
valori dei guadagni gratuiti interni (presenza di persone e di apparecchi elettronici, 
importanti nello specifico, per la loro capacità di riscaldare l’ambiente per l’effetto joule). 
Gli input esterni, codificati in un file formato testo, come valori orari (24 input quotidiani 
per tutta la durata di un anno solare così da ricomprendere tutte le condizioni climatiche) 
vengono inseriti nel programma Trnsys Simulation Studio attraverso la Type 9a (vedi Fig. 
2.1). 
Quest’ultima è collegata alla Type 16e che gestisce i valori della radiazione solare in 
base all’orientamento geografico dell’edificio e, collegata a sua volta alla Type 56a che
CAPITOLO 2. INPUT ENERGETICI: CARATTERISTICHE TERMOIGROMETRICHE INTERNE ED ESTERNE 
 
20 
 
definisce le dimensioni dell’edificio (trattato nel Cap.3.), ne definisce i valori in base alla 
superficie esposta. Gli altri dati contenuti nella Type 9a e non ancora utilizzati, cioè la 
temperatura e umidità relativa esterna, vengono inviati direttamente alla Type 56a per essere 
usati nella simulazione. 
 
Type9a
Type16e
Type56a Type25c
Type9a-2
 
Fig. 2.1 Schema del simulatore Trnsys Simulation Studio. 
 
Gli input interni potrebbero essere definiti dall’utente all’interno del programma 
TRNBuild ma, nel caso analizzato, vengono inseriti mediante un file esterno formato testo e 
fatti interagire all’interno del programma attraverso la Type 9anull2 collegata direttamente alla 
Type 56a. 
Alla fine vengono stampati tutti gli output attraverso la Type 25c collegata direttamente 
alla Type 56a. 
 
 
 
2.1. DATI CLIMATICI ESTERNI 
 
Si precisa in primo luogo che i dati climatici esterni inseriti all’interno del programma 
fanno riferimento al capoluogo più vicino, ovvero alla città di Venezia, poiché non vi sono i 
dati sitonullspecifici di tutti i comuni d’Italia. 
Inoltre, poiché gli edifici considerati nella simulazione sono dotati di una certa inerzia 
termica, è stato ritenuto più corretto, essendo la stessa una simulazione dinamica, inserire in 
input i dati climatici esterni ed interni relativi ad un periodo temporale di 2 anni ma,