Laterizio | Calcoli termici

Il recladding di un edificio pubblico in clima mediterraneo

La proposta di riqualificazione energetica della sede del Dipartimento Ingegneria Civile e Architettura di Catania è diventata l’occasione per rinnovare l’immagine dell’edificio, che viene dotato di un rivestimento in doghe di terracotta.

Dei 14 milioni di edifici presenti sul territorio italiano, circa il 70% è stato realizzato prima del 19761, anno che corrisponde all’entrata in vigore della prima legge sul risparmio energetico2. Considerato che nel bilancio energetico dei paesi dell’UE proprio il settore civile evidenzia il fabbisogno più rilevante3, la riqualificazione del patrimonio edilizio esistente diventa un obiettivo primario.
Infatti è proprio l’UE a imporre ai paesi membri un cambiamento radicale nel settore edilizio, attraverso due Direttive: – la 2010/31/UE, che introduce lo standard di edificio a energia quasi zero (Nzeb) per le nuove costruzioni; – la 2012/27/UE, che impone, ogni anno, la riqualificazione energetica del 3% della superficie coperta totale degli edifici pubblici a partire dall’1.1.2014 (per superfici coperte > 500 m2) e dal 9.7.2015 (per superfici coperte > 250 m2).
Proprio in funzione di queste normative che dovrebbero dare il via a una riqualificazione progressiva del patrimonio edilizio pubblico, l’obiettivo di questo studio è quello di verificare la fattibilità e la convenienza di un intervento di recladding su un caso rappresentativo dell’edilizia pubblica in Sicilia: l’Edificio 4 della Città Universitaria di Catania, attualmente sede del Dipartimento Ingegneria Civile e Architettura (DICAr).

1a

Lo stato di fatto. L’edificio del DICAr, completato intorno al 1982, è stato progettato prima che Catania venisse inserita in zona sismica e, peraltro, senza particolare attenzione al contenimento dei consumi energetici. Esso, pertanto, risulta oggi carente in relazione sia alla resistenza alle azioni sismiche, che alla resistenza termica dell’involucro. Se un miglioramento sismico è già stato effettuato circa dieci anni fa, una riqualificazione energetica dell’involucro non è stata invece mai programmata dall’Ateneo.

Caratteristiche architettoniche e costruttive. Il fabbricato è caratterizzato da un volume compatto di circa 21.175 m3, che si articola su 3 elevazioni (oltre a un ammezzato) per una superficie calpestabile di 5.380 m2.
Lo schema è di tipo claustrale a pianta quadrata (lato di 48,3 m), con corte centrale, anch’essa di forma quadrata (lato di 15,7 m). Le aule didattiche sono ubicate a piano terra e al primo piano, mentre al secondo piano si trovano gli studi dei docenti e gli uffici amministrativi.
Le facciate, sviluppate su una superficie di circa 3.080 m2, mettono in mostra la struttura portante in calcestruzzo armato a vista, scandita da una griglia regolare di travi-velette e pilastri in sporgenza. Le tamponature hanno una superficie complessiva di circa 500 m2 e sono costituite da una muratura a «cassetta», formata dalla successione dei 5 strati di seguito elencati, procedendo dall’esterno:

  1. pannello prefabbricato in calcestruzzo (3,5 cm)
  2. malta cementizia (2 cm)
  3. blocchi (12 cm)
  4. intercapedine d’aria (4,5 cm)
  5. mattoni forati (8 cm)
  6. intonaco interno (2 cm)
Vista da nord e da sud-est della sede del DICAr di Catania.

Vista da nord e da sud-est della sede del DICAr di Catania.

Gli infissi interessano la facciata per una superficie complessiva di 840 m2 e sono realizzati con telai in alluminio anodizzato (senza taglio termico) e vetro singolo da 4 mm di spessore. Le coperture, a tutti i livelli, sono del tipo a terrazza. Quella del primo piano presenta la seguente stratigrafia, procedendo dal basso:

  1. intonaco (2 cm)
  2. solaio in c.a. (nervature da 60 o 19 cm)
  3. massetto delle pendenze (spessore medio 10 cm)
  4. guaina plasto-bituminosa
  5. malta di allettamento (2 cm)
  6. pavimentazione (2,5 cm)
Veduta aerea dell’edificio in esame.

Veduta aerea dell’edificio in esame.

La stessa stratigrafia vale per la copertura del secondo piano, a meno di due nuovi strati, successivamente sovrapposti a quelli esistenti: un ulteriore massetto delle pendenze e un’impermeabilizzazione in vetroresina. Tutti gli elementi dell’involucro sopra descritti presentano valori di trasmittanza termica U notevolmente superiori rispetto ai limiti prescritti dalla normativa vigente4 nei casi di ristrutturazione.
Sempre in copertura, sono stati collocati di recente pannelli fotovoltaici (Pv), la cui produttività annuale di energia elettrica è risultata sinora pari a circa 110.000 kWh. Gli ambienti interni non sono dotati di impianti di ventilazione meccanica; pertanto i ricambi d’aria vengono effettuati tramite l’apertura manuale delle finestre. L’intero fabbricato è dotato di un impianto centralizzato di riscaldamento ad acqua calda con radiatori in ghisa, alimentato da una tradizionale caldaia a gasolio, che serve diversi edifici della Città Universitaria. Il secondo piano è poi stato attrezzato con impianti di raffrescamento estivo, costituiti da condizionatori autonomi (tipo «split») alimentati elettricamente.

Tabella 1. Trasmittanza termica degli elementi d’involucro [W/m2K]: stato di fatto e valore massimo secondo il DPR 59/09 per la zona climatica B.

Tabella 1. Trasmittanza termica degli elementi d’involucro [W/m2K]: stato di fatto e valore massimo secondo il DPR 59/09 per la zona climatica B.

Tabella 2. Trasmittanza termica degli elementi d’involucro [W/m2K]: stato di progetto e valore massimo secondo il “Conto termico” per la zona climatica B.

Tabella 2. Trasmittanza termica degli elementi d’involucro [W/m2K]: stato di progetto e valore massimo secondo il “Conto termico” per la zona climatica B.

Analisi del fabbisogno energetico. Per valutare il fabbisogno energetico dell’edificio, sono stati elaborati calcoli in regime dinamico con il programma DesignBuilder, interfaccia grafica di EnergyPlus (fig. 3). Sulla scorta di tali calcoli, in fig. 4 sono rappresentati i carichi invernali di picco, distinguendo i contributi legati a ciascuna voce del fabbisogno energetico invernale dell’immobile nella sua configurazione attuale. Gli elementi d’involucro maggiormente disperdenti risultano le chiusure verticali opache: travi e pilastri in calcestruzzo armato (60 kW) e tamponature esterne (8 kW); seguono infissi (54,9 kW) e coperture (41,4 kW).
Le infiltrazioni esterne producono notevoli fabbisogni (63 kW). Gli altri elementi, come i pavimenti contro terra, determinano invece un carico termico modesto 5,1 kW.

In conclusione, le infiltrazioni esterne, insieme alle chiusure verticali opache, rappresentano le principali cause del consumo energetico, incidendo ciascuna in misura del 28%. Seguono gli infissi (24%) e le coperture (18%), mentre i pavimenti contro terra determinano un carico trascurabile (2%).
Il bilancio termico appena descritto suggerisce già i possibili interventi da adottare: l’incremento della resistenza termica di vetrate, chiusure verticali e coperture, nonché la riduzione delle infiltrazioni esterne mediante una maggiore tenuta dell’involucro. Sono stati quindi valutati i consumi di energia primaria relativi al riscaldamento invernale dell’edificio (EPi)5, in modo da identificare la classe energetica.
A tal fine, è stato considerato il fabbisogno energetico di riscaldamento ottenuto dalle simulazioni dinamiche condotte su EnergyPlus, e un rendimento medio annuale per l’impianto di riscaldamento pari al 65%. I risultati sono i seguenti:

EPi = 9,6 kWh/m3 anno
Classe energetica = F

Elementi involucro Stato di fatto Valore massimo

Infissi 6,09 3,6
Tamponature 1,07 0,48
Travi e pilastri 2,3 0,48
Coperture 1,25-1,57 0,38

Modello dell'edificio creato con Design Builder.

Modello dell’edificio creato con Design Builder.

Ai fini, invece, della classificazione Nzeb, come sottolineato dalla direttiva 2010/31/UE, nel calcolo dell’indice di prestazione energetica si devono conteggiare anche i consumi relativi alla produzione di acqua calda sanitaria (EPacs), all’illuminazione (EPill) e al raffrescamento estivo (EPe). Il bilancio globale può dunque essere calcolato come:

EPgl = EPi + EPacs + EPill + EPe – Epv

dove Epv è il contributo legato alla produzione di energia elettrica da fonte fotovoltaica. Tenendo conto dell’efficienza media dei sistemi split per il condizionamento estivo, e attribuendo un’efficienza media del 46% alla produzione e distribuzione dell’energia elettrica, risulta:

EPgl = 8,3 kWh/m3 anno > 0

La presenza dell’impianto Pv non è dunque sufficiente a bilanciare i consumi totali di energia primaria e a rendere l’edificio un Nzeb.

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Doga piana e ad estradosso sagomato.

Doga piana e ad estradosso sagomato.

Il progetto di recladding. La soluzione progettuale proposta intende dotare l’edificio di una nuova «pelle», con coibentazione e finitura in listelli di laterizio, al fine di ottimizzarne le prestazioni energetiche, conseguire rilevanti risparmi economici e, al contempo, rinnovare l’immagine architettonica.
Pertanto, l’esigenza di ridurre il fabbisogno energetico diventa qui un’occasione per rinnovare l’involucro edilizio anche dal punto di vista estetico, adottando una soluzione che può costituire un valido riferimento per interventi analoghi. In linea con la filosofia Nzeb, l’obiettivo è quello di ridurre al minimo le dispersioni energetiche e, solo allora, utilizzare le energie rinnovabili per soddisfare il ridotto fabbisogno residuo.
Come già accennato, si interverrà sull’involucro, ossia sugli elementi di fabbrica più disperdenti (chiusure verticali opache e trasparenti, coperture), abbassandone la trasmittanza almeno fino ai valori stabiliti dal c.d. «Conto termico» (Decreto 28 dicembre 2012), in modo da poter usufruire degli incentivi da questo previsti.
In tabella 2 si riportano i valori di trasmittanza ottenuti tramite gli interventi sull’involucro, che saranno descritti in dettaglio nei paragrafi seguenti.

Contributi al carico termico invernale di picco.

Contributi al carico termico invernale di picco.

Le coperture. Sulla terrazza del primo piano, si è previsto lo svellimento di pavimentazione e impermeabilizzazione, la regolarizzazione del massetto delle pendenze esistente e, quindi, la realizzazione dei seguenti strati:

  1. barriera al vapore in polietilene (0,2 mm);
  2. pannelli rigidi in lana di roccia ad alta densità (10 cm);
  3. manto impermeabile bituminoso (5 mm);
  4. massetto di ripartizione 4 cm;
  5. malta di allettamento e pavimentazione.

Sulla copertura del secondo piano, si prevedono le medesime opere di svellimento, nonché la posa in opera degli stessi strati di barriera al vapore e isolante e, in questo caso, di un manto impermeabile in vetroresina. È assente la pavimentazione, in quanto la terrazza non è praticabile. Grazie alla coibentazione, in copertura le dispersioni invernali si riducono notevolmente, con valori di picco che passano da 41,4 kW a 7,2 kW.

Gli infissi. Si prevede la sostituzione degli infissi esistenti che, come si è visto, sono poco performanti dal punto di vista energetico. Sono stati scelti telai a taglio termico in alluminio, materiale che non richiede particolare manutenzione, requisito importante trattandosi di edifici pubblici.
Relativamente alle vetrate, si è optato per una vetrocamera da 4-16-4 mm, con riempimento in argon e trattamento basso emissivo sulla lastra interna (ε = 0,05). Con questo tipo di infissi, rispetto allo stato di fatto si ottiene una riduzione del 70% delle dispersioni termiche invernali, che passano da 54,9 kW a 17 kW.

Prospetto sud.

Prospetto sud.

Le chiusure verticali opache. Per isolare le chiusure verticali opache, si è scelto l’impiego di una coibentazione con lana di roccia (spessore 10 cm) che viene applicata direttamente sull’attuale rivestimento, in pannelli prefabbricati e sugli elementi in calcestruzzo armato a vista, mediante incollatura e tassellatura. Questo sistema di coibentazione, che consente la totale eliminazione dei rilevanti ponti termici presenti (scheletro portante in calcestruzzo armato faccia a vista), riduce dell’80% le dispersioni di calore attraverso le tamponature (che passano da 8 kW a 1,5 kW) e dell’85% le dispersioni di calore attraverso travi e pilastri (che passano da 60 kW a 8,6 kW)6.

La nuova «pelle» in laterizio. Il «cotto» è un materiale collaudato e durevole, che riesce a coniugare tradizione e innovazione. Proprio per queste qualità ha trovato e continua a trovare oggi numerose applicazioni nell’architettura contemporanea. In particolare, i rivestimenti in listelli di terracotta, fissati mediante sistemi di ancoraggio meccanico in acciaio, rappresentano, già dagli anni ‘80, un’efficace risposta alle esigenze sia di miglioramento delle caratteristiche prestazionali delle pareti esterne che di contestualizzazione nel tessuto edilizio tradizionale.
Peraltro l’invecchiamento naturale del laterizio faccia a vista è comunemente percepito come esteticamente gradevole. Nei sistemi fissati a secco, inoltre, le operazioni di ripristino e sostituzione di parti difettose o deteriorate sono generalmente di facile esecuzione. I moduli in laterizio selezionati per il rinnovamento della facciata del DICAr sono di due tipi: doga piana e doga a estradosso sagomato (fig. 5).
La doga a estradosso sagomato riveste i pilastri e il cornicione in corrispondenza degli ingressi, marcandone la presenza (figg. 6-8). Nelle restanti parti dell’involucro, la doga piana, disposta di piatto, è impiegata per il rivestimento dei pilastri e del cornicione; la stessa, disposta di fascia, funge da dispositivo di schermatura solare per gli infissi (figg. 6-7, 9). I prospetti, grazie a questa differente morfologia e giacitura delle doghe, risultano scanditi secondo un ritmo verticale, che da un lato ricorda la struttura e lo spartito originari, dall’altro conferisce all’edificio una nuova veste, che sottolinea il mutamento.

Prospetto est.

Prospetto est.

Analisi del fabbisogno energetico. Grazie agli interventi proposti, i fabbisogni energetici complessivi relativi al riscaldamento e al raffrescamento si ridurrebbero rispettivamente del 78% e del 42%. Anche le emissioni di CO2 diminuirebbero del 23% rispetto allo stato di fatto. Si passa infatti da 198,3 a 153,7 tonn all’anno. Ai fini della classificazione energetica, si avrebbe in questo caso:

EPi = 2,2 kWh/m3 anno
Classe energetica: A
Per la classificazione NZEB, si riporta il nuovo valore di EPgl:
EPgl = – 0,5 kWh/m3 anno < 0

In riferimento al riscaldamento invernale, si potrebbe dunque raggiungere la classe A, con un miglioramento notevole rispetto allo stato di fatto (classe F). Inoltre, l’edificio riqualificato potrebbe essere classificato come NZEB, in quanto il fabbisogno di energia primaria relativo a riscaldamento, illuminazione, ACS e raffrescamento, al netto del contributo fotovoltaico, risulterebbe minore di zero.

Considerazioni economiche. L’analisi economica ha una notevole rilevanza nella valutazione di un intervento di riqualificazione energetica, tanto da costituire spesso l’elemento decisionale determinante. Affinché un progetto di recladding possa essere considerato economicamente adeguato, i risparmi derivanti dal miglioramento dell’efficienza energetica dovrebbero consentire di recuperare l’investimento in un periodo contenuto, possibilmente non superiore a 10-12 anni, nel caso di ente pubblico7.
Per quanto riguarda i potenziali risparmi nella gestione degli impianti di climatizzazione invernale ed estiva, sulla base dei calcoli effettuati si è riscontrato che la spesa annuale legata a questa voce si attesta attualmente intorno a 37.100 €.
La riqualificazione energetica proposta ridurrebbe tali costi a 11.400 €: il risparmio sarebbe dunque significativo, consentendo di economizzare ben 25.700 €/anno (70%), che potrebbero per esempio essere investiti dall’Ateneo per finalità di ricerca. A fronte di tale beneficio, è necessario ovviamente tener conto del costo iniziale dell’investimento.

I consumi dovuti alla climatizzazione nello stato di fatto e di progetto.

I consumi dovuti alla climatizzazione nello stato di fatto e di progetto.

Secondo le valutazioni effettuate, esplicitate in tabella 3, la spesa complessiva occorrente per il recladding si aggira intorno a 720.000 €. Come accennato, in questo studio è stata considerata la possibilità di accedere agli incentivi per interventi di riqualificazione energetica e, nella fattispecie, a quelli previsti dal «Conto termico». Tale decreto dispone contributi pari al 40% delle spese sostenute, erogabili in 5 rate annuali, ma con un limite massimo di 250.000 € per l’involucro opaco e di 45.000 € per quello trasparente. Ciò consentirebbe, dunque, di recuperare circa 230.000 € (tab. 3), da assegnare in cinque annualità da 46.000 €. Il tempo di recupero dell’investimento (Tri), infine, risulta pari 28 anni e 19 anni, rispettivamente senza e con incentivi8. Si tratta quindi di valori elevati che, contrariamente alle aspettative, rendono questa operazione poco vantaggiosa dal punto di vista economico.

Il ruolo della zona climatica e della destinazione d’uso. Il risultato ottenuto va tuttavia interpretato in maniera critica. In particolare, occorre segnalare che le conclusioni sarebbero ben diverse se l’analisi fosse ripetuta a una differente latitudine, cioè in un clima più rigido, come per esempio quello di Milano (zona E). In questo caso, infatti, il fabbisogno di riscaldamento aumenterebbe di oltre tre volte rispetto a Catania (zona B) e, di conseguenza, aumenterebbero anche i benefici, cioè i risparmi, che derivano dal medesimo intervento di riqualificazione. Il costo dell’intervento di riqualificazione rimarrebbe invece pressoché invariato9.
Pertanto, immaginando di trasferire l’edificio in esame a Milano, il Tri si abbasserebbe a 11 e 7 anni, rispettivamente senza e con incentivi.

In altre parole, lo stesso intervento di recladding sul medesimo edificio, collocato però a Milano, risulterebbe economicamente vantaggioso. Oltre agli aspetti climatici, anche la destinazione d’uso assume un ruolo rilevante. Infatti gli edifici pubblici sono generalmente caratterizzati da elevati carichi interni (persone, apparecchiature) e dalla chiusura notturna: entrambi gli elementi concorrono a ridurre sensibilmente il carico di riscaldamento e, di conseguenza, il possibile beneficio derivante da una riqualificazione energetica volta a ridurre le dispersioni termiche attraverso chiusure verticali e coperture. Di contro, negli edifici residenziali, caratterizzati da bassi carichi interni e da esigenze di riscaldamento anche in periodo notturno, gli interventi di riqualificazione energetica sull’involucro edilizio in genere risultano economicamente vantaggiosi anche in clima mediterraneo.

Tabella 3. Costi dell’intervento di recladding, senza e con incentivo (*=nelle zone climatiche A-C, il tetto massimo dell'incentivo per la sostituzione degli infissi è di 45.000 €.

Tabella 3. Costi dell’intervento di recladding, senza e con incentivo (*=nelle zone climatiche A-C, il tetto massimo dell’incentivo per la sostituzione degli infissi è di 45.000 €.

Conclusioni. Alla luce delle analisi effettuate, emerge che una riqualificazione energetica degli edifici pubblici basata principalmente sul miglioramento delle prestazioni termiche dell’involucro risulta economicamente conveniente soprattutto nelle regioni dai climi più freddi. Negli edifici pubblici ubicati nel sud Italia, invece, la convenienza economica di una tale operazione è più difficilmente dimostrabile.
In questi casi, potrebbe risultare più vantaggioso intervenire sugli impianti, per esempio sostituendo il generatore di calore con una caldaia a condensazione ad alta efficienza, o migliorando la gestione e il controllo degli impianti. Non tutti i benefici sono però monetizzabili: bisogna infatti considerare anche le istanze ambientali, estetiche ed educative.

In tal senso, un aspetto significativo da tenere in considerazione è il ruolo esemplare che tutti gli edifici pubblici, e a maggior ragione la sede del DICAr, dovrebbero assumere in una gestione socioculturale ed ecologica delle risorse. Sarebbe quindi auspicabile che la sede del Dipartimento Ingegneria Civile e Architettura, luogo di formazione dei progettisti del futuro, raggiungesse comunque lo standard Nzeb, indipendentemente da criteri meramente economici.

Gli autori ringraziano l’ing. Nicola Colombrita, presidente dell’Ance Catania, per aver fornito prezzi di mercato aggiornati per il settore edile, nonché gli ingg. Agatino Pappalardo e Alessandro Lo Faro per aver messo a disposizione rilievi grafici e dati tecnico-costruttivi della sede del DICAr.

Giorgia Maria Caruso Ingegnere, libero professionista
Gianpiero Evola PhD, Dipartimento di Ingegneria Industriale dell’Università degli Studi di Catania
Giuseppe Margani Professore associato, Dipartimento Ingegneria Civile e Architettura dell’Università degli Studi di Catania

Note

  1. Valori desunti dai dati ISTAT, censimento 2011.
  2. Legge n. 373 del 30.4.1976 e successivo decreto attuativo D.P.R. n. 1052 del 28.6.1977.
  3. B. Atanasiu, I. Kouloumpi (2013), Boosting building renovation. An overview of good practices, Buildings Performance Institute Europe (BPIE), Brussels, 2013.
  1. D.P.R. 2 aprile 2009, n. 59.
  2. Per definire la classe energetica, si è fatto riferimento al D.M. 26.6.2009, «Linee guida nazionali per la certificazione energetica degli edifici». Per il calcolo di EPi, si è tenuto conto dei ponti termici e dell’energia ausiliaria relativa all’impianto di riscaldamento.
  1. Un’alternativa più economica al rivestimento esterno con isolante sarebbe quella di migliorare la U delle chiusure verticali introducendo del materiale isolante all’interno dell’intercapedine delle tamponature. Questa soluzione, tuttavia, è meno efficace, a causa dello spessore ridotto dell’intercapedine (4,5 cm) e, soprattutto, perché non corregge i ponti termici in corrispondenza delle ampie superfici di travi e pilastri in calcestruzzo armato a vista. Peraltro, con questa alternativa, non sarebbe possibile raggiungere i limiti di U prescritti dal citato «Conto termico» e, di conseguenza, accedere ai contribuiti previsti.
  1. K. Capponi, Diagnosi energetica, Afor Editrice S.r.l., Milano 2011, cap. 8.
  2. Il valori del TRI non sono stati attualizzati, ma restano comunque attendibili, poiché i contributi dell’inflazione e del costo del denaro tendono a essere compensati dall’aumento progressivo del prezzo del gasolio.
  1. Gli extra costi necessari per ridurre la trasmittanza dell’involucro hanno infatti un’incidenza poco rilevante rispetto ai valori già computati.

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