Pubblicato il 1 settembre 2017

(formazione) Zero Energy Districts: uno sguardo verso il futuro

I distretti a energia zero (ZED, o “Zero Energy Districts”) rappresentano una via cruciale verso l’ottimizzazione dell’efficienza energetica del settore dell’efficienza energetica del settore delle costruzioni, considerando i benefici ambientali ed economici che possono comportare ed essendo progettati e costruiti per massimizzare l’efficienza energetica e lo sfruttamento di fonti rinnovabili ad una scala più ampia rispetto a quella dell’edificio singolo. 
Ad oggi, il tema degli nZEB (“nearly Zero Energy Buildings” o “edifici a energia quasi zero”), ossia edifici ad altissima prestazione energetica il cui fabbisogno energetico (molto basso o quasi nullo) deve essere coperto in misura significativa da energia proveniente da fonti rinnovabili (prodotta in loco o nelle vicinanze), è quello su cui si sono focalizzati i maggiori interessi e ricerche. Ciò a seguito del recepimento delle Direttive 2010/31/UE (Energy Performance of Buildings Directive, EPBD) e 2012/27/UE (Energy Efficiency Directive), con le quali la legislazione europea ha fornito un quadro generale di obiettivi in termini di performance degli edifici ed efficienza energetica, affidando la definizione delle modalità per il loro raggiungimento ed attuazione direttamente agli stati membri. Più in dettaglio, un edificio può essere considerato nZEB se il suo fabbisogno energetico è sufficientemente basso da comportare un bilancio netto annuale (ma soprattutto su base mensile) consumo/generazione nullo grazie all’uso di fonti di energia rinnovabile. Affinché ciò si possa realizzare, le condizioni imprescindibili sono pertanto una domanda di energia per il suo esercizio ridotta e una contemporanea produzione in sito di energia da fonti rinnovabili. Sebbene in linea teorica il concetto appaia estremamente semplice ed intuitivo, i limiti (“system boundary”) rispetto ai quali calcolare tale bilancio energetico non sono ancora chiaramente definiti. Questo aspetto concerne anche la “provenienza” della produzione energetica da fonti rinnovabili o delle risorse rinnovabili stesse, dove occorre valutare se sia possibile considerare ai fini della valutazione dei consumi di un edificio eventuali centrali di conversione energetica basate su fonti rinnovabili (idroelettrico, eolico, etc.), anche presenti “on-site”, ma non strettamente appartenenti all’edificio. 
La definizione di nZEB della Direttiva 31/2010/UE prevede espressamente tale possibilità, senza tuttavia definire con particolare chiarezza e in modo univoco i limiti e/o l’estensione dell’area da considerare. Focalizzandosi maggiormente sul significato di "zero", sono diffuse e ormai riconosciute le due seguenti definizioni: 
- Net-Zero Energy Building: edifici che annualmente risultano neutrali, ossia vendono tanta energia alla rete quanta ne acquistano. Non hanno quindi bisogno di combustibile fossile per il riscaldamento, il raffrescamento, l'illuminazione, sebbene talvolta prelevino energia dalla rete. 
- Zero Carbon Building: edifici che annualmente non utilizzano energia proveniente da fonti che generano emissioni di anidride carbonica. Essi nell'arco dell'anno sono da considerarsi carbon neutral o carbon positive nel senso che producono una quantità di energia priva di emissioni di CO2 sufficiente per il loro funzionamento. Questi edifici si differenziano dai precedenti perché possono usare l'elettricità prodotta da fonti prive di emissioni di CO2 come l'eolico, il fotovoltaico che non sono integrate nell'edificio o nel lotto di costruzione. 
Da queste prime osservazioni emerge come sia ancora lontano il momento in cui si potrà avere una visione unica sul tema degli edifici a consumo energetico zero, dove si fa tipicamente riferimento all'energia primaria. Quest’ultimo indicatore consente di confrontare e sommare più flussi o vettori energetici di natura differente relazionando grandezze solo dimensionalmente simili.  
A tal riguardo, gli nZEB possono essere ulteriormente classificati in base alla connessione alle reti energetiche pubbliche in: grid connected: sono edifici connessi a una rete energetica (elettrica o termica) in grado di produrre, tramite le fonti rinnovabili ivi installate, l'energia necessaria al loro funzionamento; in caso di produzione eccedente essi possono venderla alla rete e, in caso di necessità, acquistarla da quest'ultima; off grid: sono edifici autonomi, non connessi con alcuna rete energetica, che necessitano dell'installazione di sistemi di accumulo dell'energia, quali batterie per l'energia elettrica o serbatoi di accumulo per quella termica. 
La letteratura si è maggiormente rivolta a studi sugli edifici connessi in rete specificando come i sistemi di accumulo dell’energia per gli nZEB autonomi abbiano ad oggi rendimenti bassi e costi ancora elevati. Viene comunque evidenziato come, anche nel caso degli nZEB connessi alla rete, esistano ulteriori problematiche: infatti, oltre ad avere la necessità in primis di una rete in grado sia di ricevere che di fornire energia, la produzione energetica discontinua, caratteristica delle fonti energetiche rinnovabili, può causare scompensi alla rete stessa in caso di un sistema di generazione diffusa. Il nuovo modello di “smart grid” deve prevedere quindi una generazione basata non solo su grandi centrali collegate a reti estese, bensì unità produttive (campi eolici, fotovoltaici, centrali a biomasse, ecc.) distribuite in modo diffuso sul territorio e collegate anche direttamente alle utenze. 
Uno dei vantaggi della generazione distribuita consiste nella minore lunghezza delle reti di distribuzione dell’elettricità, per “nodi”, inoltre la rete, se opportunamente progettata e gestita, è in grado di rispondere tempestivamente alla richiesta di maggiore o minore consumo di uno o più utenti, rendendo immediata e ottimale la gestione come un vero e proprio organismo intelligente. 
Come già anticipato, parlando di nZEB, ci si riferisce normalmente a un singolo edificio. Ma come si possono considerare invece un gruppo di edifici che non sono necessariamente nZEB a livello singolo, bensì a livello complessivo? Se si passa a una scala di intervento superiore rispetto a quella del singolo edificio, e soprattutto in aree ad alta densità abitativa, un intervento (di nuova costruzione o riqualificazione) dovrebbe essere pianificato e integrato a livello di quartiere (“Zero Energy District”), nell’ottica di una strategia progettuale d’insieme. 
Questo punto, che potrebbe apparire di interesse marginale è invece essenziale nell’ottica di una futura definizione condivisa di nZEB. Infatti, se in tale definizione venissero ricompresi gli edifici le cui fonti rinnovabili sono installare anche in aree limitrofe, si avrebbero vantaggi non solo per gli edifici realizzati in nuove aree urbane, dove lo spazio per l’installazione di tali sistemi è di norma maggiore, ma anche per gli edifici in ambito cittadino che spesso, come unica superficie disponibile per l’installazione di fonti rinnovabili hanno potenzialmente poco più di una parte della superficie dell’involucro dell’edificio stesso. 
Quindi, sebbene sia da privilegiare lo sfruttamento di fonti rinnovabili disponibili entro l’impronta dell'edificio e nel sito di costruzione, non è possibile non considerare che nei casi reali le superfici effettivamente disponibili per l'integrazione di sistemi per lo sfruttamento di fonti di energia rinnovabile sono ulteriormente ridotte per la presenza di geometrie complesse in facciata (sporti, balconi, aggetti, logge, ecc.) e per la presenza di altri elementi in copertura (volumi tecnici vani ascensore, coperture verdi praticabili, impianti, ecc.), e che, soprattutto in edifici di tipo residenziale, la possibilità di utilizzare la superficie trasparente come superficie attiva (ad esempio vetri fotovoltaici) è limitata da ovvie esigenze di trasparenza e di illuminazione naturale degli ambienti interni; ne deriva che per edifici pluripiano le superfici teoricamente a disposizione possono rivelarsi estremamente limitate e, in molti casi, insufficienti per l'integrazione dei sistemi necessari a coprire l'intero fabbisogno energetico dell'edificio.  
Se a ciò si aggiunge anche la non trascurabile influenza che assume il contesto ambientale in cui un edificio inserito (morfologia del terreno, densità di costruzione e ombre portate possono di fatto rendere inutilizzabili, in parte o in toto, le superfici di facciate e coperture disponibili per l'integrazione di sistemi attivi), appare evidente come in realtà urbane ad alta densità di costruzione e sviluppo prevalentemente verticale degli edifici può essere più significativo e ragionevole orientarsi, ove possibile è pianificabile, verso “quartieri ad energia quasi zero”.  
In questo caso la strategia di riduzione di consumi e di sfruttamento di energie rinnovabili può essere progettata a livello di distretto, dove possono trovare applicazione anche tecnologie e sistemi (eolico, cogenerazione con centrali alimentate a biomassa o biogas, impianti fotovoltaici a concentrazione, solare termico ad alta temperatura, ecc.) che, a livello di singolo edificio, sono invece ad oggi poco sfruttabili. Tale strategia di interventi è tuttavia applicabile in caso di estesi progetti di riqualificazione o di nuovo sviluppo di aree urbane mentre è più difficilmente attuabile in realtà residenziali già esistenti e dove gli interventi di riqualificazione sono spesso isolati e limitati al singolo edificio.  
Ciò non vuol dire rinunciare all'integrazione di sistemi attivi nell'involucro del singolo edificio, ove possibile ed energeticamente conveniente: si tratta realtà di utilizzarli solo laddove la loro resa risulti ottimale, assumendo in tal caso una funzione di generazione diffusa di supporto ad una produzione centralizzata di energia da fonti rinnovabili che passa a scala di quartiere o città. Appare evidente come la progettazione energetica efficiente di singoli edifici, inseriti all'interno di specifici contesti urbani che possono influenzare la possibilità di integrazione di sistemi attivi per lo sfruttamento di fonti di energia rinnovabile e di apporti solari gratuiti nella stagione di riscaldamento, sia fondamentale ma non sufficiente. È proprio per tale motivo che, soprattutto interventi di riqualificazione o di nuova costruzione di intere aree urbane di una significativa estensione, è opportuno ampliare la visione dal singolo edificio sino alla scala di quartiere (o oltre). Il quartiere, situato sulla scala intermedia tra la città e l'edificio, offre potenzialità operative interessanti proprio perché si presta alla sperimentazione di interventi mirati alla sostenibilità dell'ambiente urbano che oltrepassano la dimensione del singolo edificio. La coesistenza nel quartiere di spazi dedicati all'abitazione, alle attività e ai servizi di vicinato deve favorire un impiego equilibrato dello spazio edificato ed evitare la creazione di aree monofunzionali (come le città dormitorio e i centri affari) che si svuotano completamente in alcuni momenti della giornata. Per integrare queste diverse funzioni, particolare attenzione va riservata alle reti di traffico lento su scala locale (percorsi ciclabili e pedonali) e ai collegamenti con le aree limitrofe tramite la facile accessibilità ai trasporti pubblici che possa rendere vantaggiosa la mobilità urbana, che deve essere necessariamente coordinata con il piano di urbanizzazione. 
Un quartiere sostenibile deve essere progettato con l'obiettivo di ridurre il consumo di risorse non rinnovabili (suolo, energia, acqua, biodiversità, ecc.) e di minimizzare il suo impatto ambientale (scelta dei materiali), cioè adottando soluzioni architettoniche bioclimatiche e tecnologie performanti di involucro e di impianti al fine di limitare i consumi e valorizzare lo sfruttamento delle fonti rinnovabili di energia. Il progetto è in tal senso indirizzato alla dimensione ambientale dell'intervento, ovvero all'efficienza energetica, alla sostenibilità e alla riduzione dell’impatto ambientale, sia nei criteri costruttivi che nell'utilizzo e nella dismissione finale. 
La fattibilità di tali progetti legate alla gestione dei costi globali sul lungo termine, cioè su una programmazione dell'intervento che non consideri solamente la fase di edificazione ma anche quella di utilizzo di esercizio. Un ulteriore aspetto in interventi di ampio respiro riguarda il consenso popolare e il radicamento nella città in cui lo stesso si inserisce: esso risulta certamente facilitato se si innescano processi partecipativi che permettono di valutare con più accuratezza le reali esigenze degli abitanti dell'area interessata. Le modalità del processo partecipativo dipendono dal tipo di operazione (rinnovamento di un quartiere esistente, risanamento di un’area industriale dismessa o creazione di un nuovo quartiere) ma, in ogni caso, occorre cercare di includere sin dall'inizio nel processo di progettazione soggetti chiave, cioè agli utenti finali. Sono in tal modo, a opera conclusa, le strutture a disposizione possono offrire agli abitanti la possibilità di partecipare attivamente alla vita di quartiere, favorendo l'identificazione con il proprio spazio vitale e la convivenza e le attività dello spazio urbano. 
In caso di interventi sull'esistente, un quartiere sostenibile per definirsi tale deve essere in grado di riqualificare aree già urbanizzate, degradate o dismesse e valorizzarne le risorse ambientali, trasformare i tessuti urbani e gli edifici obsoleti, combinare attività miste al posto di attività monofunzionali, offrire spazi di incontro e di relazione pubblici, migliorare e favorire collegamenti urbani, essere flessibile in relazione a possibili trasformazioni future, ridurre i consumi e promuovere l'autosufficienza energetica tramite lo sfruttamento di fonti rinnovabili, ottimizzare il ciclo delle acque e valorizzare la raccolta dei rifiuti anche ai fini della stessa produzione energetica, adattare i principi generali di progettazione alle realtà particolari del luogo, coinvolgendo se possibile gli utenti finali in alcune fasi di progettazione.  
Pertanto, singoli edifici altamente performanti, se uniti a strategie impiantistiche a livello di distretto per lo sfruttamento di fonti rinnovabili e a soluzioni intelligenti per la vivibilità urbana, possono condurre i cosiddetti ZED o, nella loro accezione più generica, “smart districts”. 
Le strategie progettuali adottate in interventi di questa tipologia sono molteplici, tra cui a titolo esemplificativo si ricordano le seguenti elevate prestazioni dell'involucro degli edifici: sfruttamento di fonti energetiche rinnovabili integrate negli edifici e/o decentralizzate in aree comuni; utilizzo di sistemi di teleriscaldamento (e tele-raffrescamento), solitamente collegati a un impianto di cogenerazione centralizzato; utilizzo di generatori a pompa di calore, in grado di soddisfare i limiti energetici imposti dalla normativa, utilizzando fonti rinnovabili (energia aerotermica, geotermica idrotermica); in aggiunta, tali macchine permettono di operare anche il raffreddamento, risolvendo in un'unica soluzione il problema della climatizzazione invernale ed estiva (e del relativo utilizzo di fonti rinnovabili); sistema di raccolta centralizzata e riciclo dei rifiuti, con loro parziale o totale riutilizzo come fonte per la produzione di calore; gestione e riutilizzo di acque nere, grigie e piovane; mantenimento della biodiversità (scelta di piante e di diversi tipi di habitat, ecc.). 
Da questo emerge che da un punto di vista energetico, i distretti ad energia zero presentano opportunità uniche per raggiungere, con costi contenuti, alti livelli di efficienza energetica infattibili su scala di singolo edificio. Esistono dei vantaggi nell'approcciarsi alla progettazione a energia zero su larga scala. Si citano ad esempio la possibilità di pensare un sistema di gestione energetica a livello di distretto, che sfrutti le differenze di carico tra gli edifici a differente destinazione d'uso (ad esempio residenze e edifici commerciali e terziari) e utilizzi le fonti rinnovabili in modo differente rispetto ai singoli edifici. Il teleriscaldamento tradizionale può essere convenientemente sostituito con un sistema ad acqua di falda, costituito da una rete di distribuzione la cui temperatura è adeguata al processo di condensazione delle pompe di calore. L'idea è quella di avere un anello geotermico alimentato direttamente dell'acqua di falda (T= 14/16°C) o bacini artificiali a servizio degli edifici. Le pompe di calore sono collocate in corrispondenza dei singoli edifici, così che l'acqua, che circola in tubazioni interrate, possa essere mantenuta a temperatura bassa, evitando costosi isolamenti termici tipici delle tubazioni del teleriscaldamento di tipo tradizionale. Perciò, non è necessario investire in una centrale di produzione del calore, ma è possibile studiare un intervento in più fasi successive per rispondere alla richiesta di connessione alla rete.  
Verso un tale scenario si possono quindi ricondurre le definizioni di “Green Districts” (Bouton et al. -2015), cioè “aree densamente popolate e geograficamente coese, collocate all'interno di una città e che impiegano tecnologie e elementi progettuali per ridurre l'uso di risorse inquinamento”. Tuttavia, per raggiungere una forte riduzione della richiesta di energia, le città devono passare col tempo da “green districts” a “zero energy districts”. A tal riguardo, i punti chiave e le linee guida per il progetto di edifici a energia quasi zero (efficienza energetica, involucro ed impianti ad alte prestazioni, schermature solari, ventilazione con recupero di calore, massimizzazione degli apporti solari gratuiti nella stagione fredda e riduzione dei carichi termici entranti nella stagione calda, sfruttamento di fonti di energia rinnovabile, illuminazione LED, ecc.) devono essere estese ed applicate a livello di distretto. Ulteriori soluzioni possono poi essere integrate a livello di distretto, quali l'ottimizzazione della disposizione degli edifici in relazione al contesto geografico per sfruttare al meglio l'energia solare come fonte di energia (considerando gli ombreggiamenti reciproci tra edifici), il controllo e la regolazione dei profili energetici dei singoli edifici, lo sfruttamento dei rifiuti prodotti come risorsa energetica, ecc. A tal riguardo diviene fondamentale la modellazione energetica globale del distretto, in quanto quella dei singoli edifici non permette di visualizzare valutare correttamente il comportamento complessivo.  
In definitiva, in contesti altamente urbanizzati, limiti fisici legati alla possibilità di generazione di energia rinnovabile in loco potrebbero inibire la ristrutturazione di edifici esistenti a livello nZEB in linea con i requisiti della direttiva sull'efficienza energetica degli edifici, mentre soluzioni tecniche e una migliore redditività economica potrebbero essere trovate a livello distrettuale. I distretti ad energia zero consentono la generazione di energia rinnovabile condivisa, anziché esclusivamente sul posto, consentendo ai distretti, alle comunità e ai campus di raggiungere un obiettivo nel caso in cui quello Zero Energy su scala dei singoli edifici dovesse risultare eccessivamente impegnativo. La ricerca verso un basso consumo energetico nei distretti urbani richiede molti cambiamenti non solo a livello di costruzione, ma anche a livello distrettuale, con l'introduzione di sistemi per lo sfruttamento di energia rinnovabili, quali quelle di biomasse, tecnologie fotovoltaiche o solari termiche, creando una rete di teleriscaldamento e raffreddamento e sviluppando reti elettriche intelligenti (smart grid). Numerosi sono i progetti in corso in questo settore, in ambito nazionale ed europeo, tra cui ad esempio il progetto CITyFIed, finanziato dall'Unione Europea, che mira a sviluppare una strategia replicabile, sistemica e integrata per adattare le città europee e gli ecosistemi urbani alla città intelligente del futuro, concentrandosi sulla riduzione della domanda di energia e sulle emissioni di gas serra e aumentando l'utilizzo delle fonti energetiche rinnovabili, sviluppando e attuando tecnologie e metodologie innovative per la ristrutturazione degli edifici, così come reti intelligenti e mobilità sostenibile. Pertanto, se negli ultimi anni gli edifici ad energia quasi zero hanno guadagnato una crescente importanza, distretti ad energia zero possono diventare la piattaforma ideale per la loro diffusione a scala urbana. 


L’articolo completo pubblicato su Modulo 407, maggio/giugno 2017
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