UNIVERSITA’ DEGLI STUDI DI FIRENZE FACOLTA’ DI ARCHITETTURA CORSO DI LAUREA IN ARCHITETTURA A.A. 2005/2006 In collaborazione con 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 di Sara Mohaddes Khorassani
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UNIVERSITA’ DEGLI STUDI DI FIRENZE FACOLTA’ DI ARCHITETTURA CORSO DI LAUREA IN ARCHITETTURA
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 - PowerPoint PPT Presentation
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UNIVERSITA’ DEGLI STUDI DI FIRENZE
FACOLTA’ DI ARCHITETTURA
CORSO DI LAUREA IN ARCHITETTURA
A.A. 2005/2006
In collaborazione con
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 di Sara Mohaddes Khorassani
“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”
Impatto ambientale:
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
Quantificare l’impatto ambientale
dovuto ad un impianto di condizionamento
e metterlo a confronto con quello generato da un impianto di diverso tipo
Obiettivo dello studio:
Fase d’uso (consumo di energia)
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)
Smaltimento (processi di lavorazione, consumo di suolo)
Impatto ambientale generato dall’impianto durante l’arco del suo intero CICLO DI VITA
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
ANALISI del CICLO di VITA (Life Cicle Assessment, LCA):
Inventario “individuazione dei flussi in ingresso e in uscita da un sistema-prodotto lungo tutta la sua vita”
Consumi
Materiali
Energia
EmissioniIn aria, in acqua, nel suolo
Consumo di suolo e di risorse
Effetti
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
Sostanze cancerogeneSostanze organicheSostanze inorganicheCambiamenti climaticiImpoverimento dello strato di ozonoRadiazioni ionizzanti
Acidificazione/eutrofizzazioneEcotossicitàConsumo di suolo
MineraliCombustibili fossili
DALY: anni di vita persi o trascorsi da ammalato
PDFm2yr:potenziale specie scomparse
MJ surplus:Energia che sarà necessaria per l’estrazione
Categorie di impatto Indicatore
DALY
PDFm2yr
MJ surplus
Normalizzazione e Valutazione ECO-PUNTI
(Pt)Parametro univoco di valutazione del danno
Metodi di valutazione del danno ambientale:EPS 2000 (Svedese)
Categorie di danno
Salute umana
Capacità produttiva dell’ecosistema
Impoverimento delle risorse abiotiche
Biodiversità
Aspettativa di vitaMalattia graveMalattiaFastidio graveFastidio
Capacità di crescita dei cerealiCapacità di crescita del legnoProduzione di carne e pesceAcidificazione del suoloDiminuzione acqua irrigazioneDiminuzione acqua potabile
Esaurimento delle risorse
Estinzione delle specie
YOLL: anni di vita persi
Person yr: persone ammalate in una anno
Kg:Riferito al prodotto considerato
ELU/kg:Disponibilità a pagare per la risorsa
NEX:Numero specie estinte
Categorie di impatto Indicatore
Normalizzazione e Valutazione ECO-PUNTI
(Pt)Parametro basato sul concetto di “disponibilità a pagare”
YOLL/prs yr
kg
NEX
ELU/kg
Metodi di valutazione del danno ambientale:EDIP 96 (Danese)
Categorie di impatto Indicatore
Impatto ambientale
Riscaldamento globaleRiduzione strato di ozonoAcidificazioneEutrofizzazioneSmog fotochimicoEcotossicità dell’acquaEcotossicità del suoloTossicità dell’aria per l’uomoTossicità dell’acqua per l’uomoTossicità del suolo per l’uomoRifiuti indifferenziatiRifiuti pericolosiRifiuti radioattiviCeneri e polveri
g CO2 eqg CFC11 eqg SO2 eqg NO3 eqg ethene eqm3 di acqua inquinatam3 di suolo inquinatom3 di aria inquinatam3 di acqua inquinatam3 di suolo inquinatokgkgkgkg
Risorse Tutte le risorse kg
g equiv.
m3
kg
Normalizzazione e Valutazione ECO-PUNTI
(Pt)
Metodi di valutazione del danno ambientale:Impact 2002+ (Svizzero)
Categorie di danno
Salute umana
Qualità dell’ecosistema
Cambiamenti climatici
Risorse
TossicitàMalattie respiratorieRadiazioniImpoverimento strato di ozonoSmog fotochimico
Ecotossicità delle acqueEcotossicità del suoloAcidificazione del suoloAcidificazione delle acqueEutofizzazione delle acqueConsumo di suolo
Riscaldamento globale
Energie non rinnovabiliMinerali
DALY: anni di vita persi o trascorsi da ammalato
PDFm2yr:potenziale specie scomparse
g CO2 eq
MJ surplus:Energia per l’estrazione
Categorie di impatto Indicatore
Normalizzazione e Valutazione ECO-PUNTI
(Pt)
DALY
PDFm2yr
MJ surplus
g CO2 eq
Caratteristiche dei locali da condizionareUbicazione (caratteristiche climatiche del sito, orientamento)Caratteristiche dimensionali e tecnologiche dei componentiFunzione
Fasi dello studio:
Calcolo delle DISPERSIONI TERMICHE INVERNALI e dei CARICHI TERMICI ESTIVI
Calcolo manualeCalcolo con Recal 10Calcolo con Termotecnica
Analisi delle diverse tipologie di impianto
Scelta e dimensionamento dell’impianto Scelta della potenzaScelta dei componentiDimensionamento dei componenti
Analisi del ciclo di vita dell’impianto di condizionamento
Confronto con il ciclo di vita un altro tipo di impianto
Caratteristiche dei locali da condizionare:10 locali adibiti ad uso ufficio situati a Torino
Caratteristiche della località
Latitudine 45° 4’
Altezza slm 239 m
Gradi giorno 2617
Zona climatica E
Durata convenzionale del periodo di riscaldamento
dal 15 ottobre al 15 aprile (14 ore/giorno)
Temperatura media stagionale 5,6°C
Temperatura esterna invernale -8°C
Temperatura esterna estiva 31°C
Umidità relativa esterna invernale di progetto 75%
Umidità relativa esterna estiva di progetto 70%
Escursione termica estiva giornaliera 11°C
Irradianza media solare 90,0 W/mq
Caratteristiche dimensionali
dei locali
Altezza 2,80 m
Lunghezza 5,50 m
Profondità 3,60 m
Superficie calpestabile 19,80 m2
Superficie in pianta lorda 23,53 m2
Volume interno netto 55,44 m3
Volume lordo 65,89 m3
Ufficio “campione” utilizzato per valutazione dei programmi di simulazione energetica
Caratteristiche dei locali da condizionare: Caratteristiche dei componenti
Parete esterna (muratura con isolante interposto)
Mattone pieno Lana di roccia Blocchi di clsIntonaco di gesso e calce
s=12 cm s=6 cm s= 17,5 cm s=1,5 cm
=0,99 W/mK =0,04 W/mK =0,99 W/mK =0,7 W/mK
=1800kg/m3 =30kg/m3 =1600 kg/m3 =1400 kg/m3
R= 0,121 mqK/W R=1,5 mqK/WR=0,603 mqK/W
R=0,021 mqK/W
Spessore totale: s= 37 cmResistenza totale: R = 2,409 mqK/WTrasmittanza: U=0,415 W/mqK < U lim = 0,460 W/mqK ( D.L.192/2005)Massa areica: Ms = 518,8 kg/mq
Solaio interpiano
Cemento armato Lana di roccia Massetto in clsGomma per pavimentazione
MODELLO UNIVERSALE11, IrsapPotenza termica: 1,44 kWPotenza frigorifera: 1,07 kW
Struttura esterna
Batteria a pacco alettato
Raccordo di mandata
Griglia di mandata
Raccordo di aspirazione
Griglia di aspirazione
Filtro
Ventilatori + motore
Valvola di regolazione
collegata a termostato
Raccolta e scarico
condensa
Inventario
Struttura portantePannelli esterniSostegni
Telaio metallico
Rete in materiale sintetico
BacinellaCanale in PVC
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 manutenzioneSostituzione valvoleSostituzione termostatiSostituzione pressostatiSostituzione vaso di espansioneSostituzione pacco di cellulosa UTAPulizia-sostituzione filtriSostituzione cinghie ventilatoriPulizia elementiAltre eventuali sostituzioni
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 esternaUmidità relativa esternaRadiazione solare
Relativi ai diversi mesi e alle diverse ore Si ricava: E = 1553,8 kWh elettrici/anno
Per 20 anni: E = 31076 kWh elettrici
Inventario
Analisi del danno dovuto fase di produzione dell’impianto con pompa di calore
Eco-Indicator99 VALUTAZIONE per categorie di danno
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%
Risorse: 90%
Analisi del danno dovuto fase di produzione dell’impianto con pompa di calore
Eco-Indicator99 VALUTAZIONE per singoli processi
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
44,6%
24%
20%
11,4%
Analisi del danno dovuto al ciclo di vita completo dell’impianto con pompa di calore
Eco-Indicator99 VALUTAZIONE per categorie di danno
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 energiaDanno sulla salute umana: 25%, a causa delle emissioni dovute ai processi di combustioneDanno sulla salute umana: 2%
Risorse: 71%
Salute umana: 25%
Analisi del danno dovuto al ciclo di vita completo dell’impianto con pompa di calore
Eco-Indicator99 VALUTAZIONE per singoli processi
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
Consumo invernale: 48,3%
Consumo estivo: 46,6%
Produzione: 5,1%
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)
Confronto fra impianto con pompa di calore e impianto con caldaia e refrigeratore: fase di produzione
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
Eco-Indicator99 VALUTAZIONE per categorie di impatto
Confronto fra impianto con pompa di calore e impianto con caldaia e refrigeratore: ciclo di vita completo
Eco-Indicator99 VALUTAZIONE per categorie di danno
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.
Impianto con caldaia e refrigeratore
Impianto con pompa
di calore
Risorse
Salute umana
Risorse
Salute umana
Confronto fra impianto con pompa di calore e impianto con caldaia e refrigeratore: ciclo di vita completo
Eco-Indicator99 VALUTAZIONE per categorie di impatto
In entrambi i casi il danno è dovuto principalmente al consumo di combustibili fossili
Combustibili fossili Combustibili
fossili
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.
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
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
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
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
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: