nZEB, EDIFICI A ENERGIA QUASI ZERO

Direttive, recepimenti, obiettivi, la via verso nZEB è disseminata di ostacoli e tentazioni a indulgere. Chiavi interpretative diverse per ogni Paese. Differenti modi di intendere e realizzare. Tuttavia il progetto complessivo prende forma e la direzione è quella giusta
Enrico Sergio Mazzucchelli 

Il tema degli “nZEB” (“nearly Zero Energy Buildings” o “edifici ad 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 ormai divenuto di estrema attualità 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. 

nZEB: quale definizione? 
Nell’ambito degli nZEB, il settore delle nuove costruzioni assume particolare rilevanza a medio termine, mentre la riqualificazione degli edifici esistenti costituisce la sfida più impegnativa, essendo il cambiamento e l’adeguamento ai nuovi livelli di prestazione senz’altro più complesso e laborioso. Dal momento che lo standard “zero energy” è richiesto anche per edifici esistenti in caso di consistenti ristrutturazioni o riqualificazioni di intero immobile, è indispensabile che le soluzioni che ben si prestano per l’impiego in edifici di nuova costruzione possano essere trasferite ed utilizzate, con le opportune variazioni o modifiche del caso, anche negli interventi di recupero. Come anticipato, stando alle direttive europee sopracitate, un edificio può essere considerato nZEB se il suo fabbisogno energetico è sufficientemente basso da comportare un bilancio netto annuale consumo/generazione nullo grazie all’uso di fonti energetiche rinnovabili. Affinché ciò si possa realizzare, le condizioni imprescindibili sono 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, rimangono tuttora aperti molti aspetti, quali ad esempio i limiti (“system boundary”) rispetto ai quali calcolare il bilancio energetico di un edificio. Tale problematica concerne la “provenienza” della produzione energetica da fonti rinnovabili o delle risorse rinnovabili stesse (ad esempio la biomassa): è cioè 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 contenuta nella Direttiva 31/2010/UE prevede espressamente tale possibilità (cit. art. 2: “…compresa l’energia da fonti rinnovabili prodotta in loco o nelle vicinanze”), senza tuttavia definire con particolare chiarezza e in modo univoco i limiti e/o l’estensione dell’area da considerare. Non è altresì del tutto definito se un nZEB debba fornirsi di energia esclusivamente da fonti rinnovabili e scambiare con le infrastrutture energetiche territoriali (a cui è solitamente connesso) eventuali esuberi o mancanze, oppure possa ricorrere a fonti fossili ma in misura tale che l’approvvigionamento energetico da fonti rinnovabili bilanci sia l’apporto della rete che il consumo della risorsa fossile stessa. In definitiva, pur essendo il concetto di nZEB molto semplice ed immediato, esso racchiude in sé una serie di sfaccettature e dettagli che, all'atto pratico, ne rendono complessa la sua applicazione. Tali aspetti vanno inoltre considerati non come problemi a sé stanti, ma nel loro insieme. Ciò implica che anche dal punto di vista progettuale è necessaria la compresenza e la collaborazione di diverse figure professionali: architetti, impiantisti, fisici dell'edificio sono solo alcune delle figure professionali coinvolte nel processo di progettazione e costruzione. Va inoltre puntualizzato che, parlando di nZEB, ci si può riferire sia a un singolo edificio così come a 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 di riqualificazione) dovrebbe essere pianificato ed integrato a livello di quartiere (“Zero Energy District”). Un buon esempio in tal senso è l’ormai noto quartiere a zero emissioni di anidride carbonica BedZED a Sutton, Londra. Nell'acronimo nZEB compare il termine energy e ciò evidenzia il fatto che è proprio l'energia il punto chiave della questione. Ma quale energia va considerata? Esistono diverse e discordanti opinioni in merito: si tratta di energia primaria, energia finale, emissioni di CO2, costi energetici o exergia (rappresenta il massimo lavoro meccanico che può essere estratto da un sistema quando lo si porta in equilibrio con l’ambiente di riferimento - che si ipotizza mantenga temperatura, pressione, composizione chimica costante durante il processo. L’exergia dipende dallo stato del sistema ma anche dalla definizione delle caratteristiche dell’ambiente di riferimento; per questo si dice che l’exergia è una variabile di stato di tipo “estrinseco”)? Ad oggi non esiste ancora una risposta condivisa alla domanda. A tal riguardo, come anche sottolineato da alcuni ricercatori (ad esempio Kilkis, 2007), parlando di "zero" bisognerebbe riferirsi sia alla quantità ma anche alla qualità dell'energia in gioco: più che un bilancio di energia è indispensabile realizzare un bilancio di exergia, ossia considerare anche la produzione di CO2 che si verifica nel caso di bilancio exergetico negativo. In un report per l'International Energy Agency (Lausten, 2008), si evidenzia che, a differenza dello standard Passive House, non esiste ancora una metodologia precisa che indichi come ottenere uno nZEB: in linea teorica, infatti, questo potrebbe essere anche un edificio tradizionale alimentato da un gran numero di collettori solari e pannelli fotovoltaici. Se nell'arco dell'anno questi sistemi producono più energia di quella usata dall'edificio questo è considerabile come un Net Zero Energy Building. Focalizzando l'attenzione sul significato di "zero", Lausten fornisce 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 questi primi esempi deriva come sia ancora lontano il momento in cui si potrà avere una visione unica su questo tema. Va sottolineato come, nella pratica comune, quando si parla di energia consumata o prodotta dall'edificio, si fa tipicamente riferimento all'energia primaria. Questo indicatore, consente di confrontare e sommare più flussi o vettori energetici di natura differente relazionando grandezze solo dimensionalmente simili. I fattori di conversione non sono normati a livello internazionale ma ogni paese li definisce e applica in modo differente, provocando un ulteriore nodo nell'ottica di un'accezione comune del temine nZEB. 
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 di venderla alla rete e, in caso di necessità, di 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 bollitori per quella termica. La letteratura predilige 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 di 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 generazione diffusa. Sempre nell'ambito dei confini fisici del sistema va considerato il limite entro cui installare le fonti rinnovabili. Infatti la definizione di nZEB data dall'EPBD parla di fonti rinnovabili installate in sito o nelle vicinanze dell'edificio, intendendo così non solo quelle installate nell'impronta del fabbricato. Questo punto che potrebbe risultare di interesse marginale è invece essenziale nell'ottica di una futura definizione condivisa di nZEB: infatti se in tale termine si racchiudono gli edifici le cui fonti rinnovabili sono installate nelle vicinanze, ciò porterebbe a vantaggi per edifici realizzati in nuove aree urbane dove lo spazio per l'installazione di tali sistemi è di norma maggiore, mentre sarebbero in un certo senso penalizzati gli edifici in ambito cittadino che spesso, come unica superficie disponibile per l'installazione di fonti rinnovabili hanno potenzialmente poco più che la superficie dell'edificio stesso. Dal punto di vista dell’utilizzo di tecnologie ad alta efficienza e soluzioni per lo sfruttamento di fonte rinnovabili, esse devono preferibilmente: 
- minimizzare l'impatto ambientale incoraggiando la progettazione di edifici energeticamente efficienti e riducendo le perdite di trasporto e conversione;
- essere disponibili per tutta la vita dell'edificio; 
- essere ampiamente disponibili e replicabili per i futuri nZEB. Questa gerarchia predilige, quindi, fonti rinnovabili che siano disponibili entro l'impronta dell'edificio e nel sito di costruzione ed è riassunta nella tabella sottostante. Per quanto riguarda, invece, i limiti di bilancio, questi definiscono quali tipi di carichi energetici considerare. I consumi di esercizio e gestione che si possono includere sono quelli dovuti al riscaldamento, raffrescamento, ventilazione, produzione di acqua calda sanitaria, illuminazione fissa e consumi elettrici. Per avere una visione più generale dei consumi energetici dell'edificio si potrebbe, però, anche considerare l'"Embodied Energy" ossia l'energia contenuta negli elementi costruttivi intendendo l'energia che è stata necessaria per produrre, trasportare al luogo di utilizzo e smaltire l'elemento stesso: questo tipo di approccio porta a un tipo di bilancio su tutto l'arco di vita dell'edificio. Anche per quanto riguarda il periodo su cui calcolare il bilancio energetico dell'edificio sono possibili differenti approcci. Il calcolo può infatti essere effettuato considerando un intervallo mensile, stagionale o annuale o estendersi alla fase d’uso dell’edificio (solitamente considerata pari a 50 anni) o ancora arrivare a considerare l’intero ciclo di vita dell’edificio stesso. Convenzionalmente il bilancio viene calcolato su base annua in quanto questo periodo consente di coprire tutte le variazioni climatiche stagionali. Bilanci effettuati su periodi più brevi, quali una singola stagione o un mese specifico, risultano più vincolanti in quanto verrebbero sovradimensionati i sistemi di generazione da fonti rinnovabili, mentre quelli effettuati su periodi più lunghi sarebbero preferibili per il calcolo del bilancio sul ciclo di vita completo dell'edificio. Per quanto sopra esposto non c'è da stupirsi nello scoprire che siano presenti numerose definizioni ciascuna delle quali con una differente sfumatura atta ad evidenziarne i punti principali: 
- ZEB: con il termine "Edificio ad Energia Zero" o, secondo la dicitura anglosassone "Zero Energy Building" (ZEB) si indica una costruzione con destinazione d'uso residenziale o commerciale che ha una richiesta energetica annua contenuta e comunque inferiore o uguale alla quantità di energia che produce da fonti rinnovabili; 
- NZEB: con il termine "Net Zero Energy Building" si indica un edificio in cui il bilancio energetico netto tra l'energia consumata dall'edificio e quella da lui prodotta è pari a zero. Una rappresentazione grafica di questo concetto è possibile in un grafico in cui l'ascissa rappresenta la domanda energetica dell'edificio, mentre l'ordinata rappresenta la fornitura energetica, entrambe opportunamente pesate con i fattori di conversione. La bisettrice del quadrante rappresenta l'equilibrio e, considerando un edificio di riferimento nuovo o esistente, che abbia i minimi requisiti di efficienza energetica, il cammino per arrivare a un NZEB si compone di una fase di riduzione della domanda tramite misure di efficienza energetica (energy efficiency) e di una fase di generazione di energia elettrica o termica (energy supply). E’ intuitivo realizzare come esista una stretta relazione tra scelte di efficienza energetica e di generazione di energia. Tipicamente, viste le spesso limitate possibilità di generazione di energia nel sito, risultano adottate più frequentemente le misure volte al miglioramento dell’efficienza energetica, quali accurato studio della geometria dell’edificio, impiego di opportune soluzioni di chiusura, attenzione nella progettazione e realizzazione dei dettagli costruttivi, impiego di soluzioni impiantistiche ad alta efficienza, etc.;
- nZEB: questi edifici si possono suddividere tra quelli che già in fase di progettazione non raggiungono completamente l'obiettivo ZEB o NZEB e quelli che, pur essendo stati progettati e costruiti con tali obiettivi, per cause esterne in uno specifico anno o periodo non li raggiungono. Infatti, qualsiasi edifico NZEB può essere “declassato” a nZEB a causa di condizioni climatiche avverse che provocano carichi termici anomali negli ambienti, e che possono ridurre la produzione di energia elettrica/termica da fonti solari o eoliche. Per definire NZEB un edificio le sue performance devono essere monitorate, misurate e valutate ogni anno;
- LC-ZEB: "Life Cycle Zero Energy Building", ossia un edificio il cui consumo di energia primaria sommato a quelli necessari per la produzione di materiali ed elementi, costruzione e dismissione e smaltimento, è minore o uguale all'energia prodotta da fonti rinnovabili nell'arco della vita dell'edificio stesso; 
- Zero Carbon Building: si tratta di un edificio che annualmente ha impronta ecologica pari a zero, ossia il totale netto delle emissioni di anidride carbonica provenienti dall’energia consumata direttamente o indirettamente risulta essere pari a zero. L'impronta ecologica dell'edificio è espressa in tonnellate di CO2 equivalente (CO2,E) e si ottiene come somma delle emissioni di anidride carbonica dal consumo diretto di combustibili fossili per il consumo energetico e il trasporto e delle emissioni indirette dovute al processo di lavorazione di prodotti utilizzati nell’edificio (realizzazione di automobili, arredi, etc.).

nZEB: la gestione da parte degli utenti 
La progettazione di un edificio ad energia quasi zero è di per sé non particolarmente complessa e già sono diffuse linee guida a questo riguardo. La verifica e la certificazione dello status ZEB dopo la realizzazione dell’opera è invece un aspetto più delicato. In questo senso assumono fondamentale importanza, oltre che le verifiche e i test di collaudo delle prestazioni energetiche, anche l’accettazione dei materiali in cantiere da parte della direzione lavori in fase di costruzione dell’opera. A fronte di un buon progetto che prevede il raggiungimento di determinate prestazioni per i vari elementi tecnici componenti l’edificio, occorre che la Direzione Lavori controlli e guidi il costruttore a fornire materiali che rispettino le specifiche richieste non solo formalmente, ma anche in maniera sostanziale. A tal proposito, è fondamentale saper leggere i rapporti di prova solitamente forniti con le schede tecniche dei prodotti. L’approvazione di un modello di componente costruttivo non è infatti sufficiente di per sé a garantire la bontà del materiale consegnato in cantiere, ma occorre aggiungere anche altri documenti che confermino la filiera di percorso del prodotto dal test, alla produzione in serie, alla consegna in cantiere. Le verifiche e i test di collaudo sono per un edificio nZEB molto più approfonditi che per un edificio normale. Ad esempio vanno dal blower door test per la verifica della tenuta all’aria dell’intera struttura, alle prove di trasmittanza con termoflussimetro. Ma il consumo di energia di uno nZEB, anche dopo un esito positivo delle verifiche post-costruzione, può essere considerato effettivamente “quasi zero”? A tal riguardo occorre considerare il fattore legato alla modalità di utilizzo dell’edificio da parte degli utenti. Infatti, tutti i calcoli e le simulazioni che si possono eseguire risulteranno assai di frequente disattese all'atto delle misurazioni in esercizio dell'edificio, data l'imprevedibilità del comportamento umano. Purtroppo non esiste ad oggi una sensibilità diffusa verso un corretto utilizzo degli edifici da parte degli utenti che, molto spesso, considerano le innovazioni tecnologiche introdotte utili solamente ad ottenere una qualsivoglia temperatura all'interno dell'edificio, non tenendo minimamente in considerazione l’ambiente circostante. E’ significativo l'esempio di due quartieri residenziali (Janda, “Building don’t use energy: people do”, 2011): “Premier Garden”, un quartiere nZEB, e “Cresleigh Rosewood”, un quartiere simile ma con costruzioni di tipo tradizionale. Confrontando i consumi elettrici, sebbene gli abitanti del primo quartiere avessero a fine mese bollette molto più basse dei residenti nell'altro quartiere (per la presenza di produzione elettrica da fonti rinnovabili), i consumi elettrici interni delle abitazioni erano essenzialmente simili, sebbene nel primo caso si usassero impianti ad alta efficienza. E’ innegabile il fatto che gli utenti svolgano un ruolo cruciale nel calcolo dei consumi energetici ma molto spesso trascurato dai progettisti: aprono finestre, lasciano porte aperte, regolano con temperature eccessive i termostati, … Numerosi sono i fattori ambientali che influenzano il comportamento degli occupanti nell'utilizzo degli impianti, comportamento che, ovviamente, influenza a sua volta il consumo energetico. Tra questi fattori vi sono, ad esempio, la temperatura percepita, la velocità e la qualità dell’aria, l’illuminazione, l’umidità, etc. Per verificare se i dati simulati coincidono con quelli reali o, più semplicemente, per avere un quadro completo del funzionamento dell'edificio, l'unico metodo è quello di monitorare le sue performance. Il termine monitoraggio non ha un'accezione univoca, può essere inteso come una serie di misure ad intervalli di tempo determinati che si differenzia per metodologie, tempi e parametri misurati. Nel campo energetico vengono solitamente misurati: consumi elettrici, produzione elettrica, scambio di energia con la rete, temperatura e umidità interna degli ambienti, qualità dell'aria interna, condizioni climatiche esterne, rendimenti delle apparecchiature installate. Qualunque sia il parametro da controllare, il monitoraggio si basa sull'utilizzo di sensori collegati ad un sistema informatico in grado di raccogliere e catalogare i dati che potranno in seguito essere analizzati per ottenere un quadro del funzionamento o per regolare alcuni parametri in modo da rendere più efficiente l'edificio. L'utente può, in tempo reale, controllare il loro stato di funzionamento e i dati rilevati, dati che vengono inoltre registrati e resi in forma grafica per visualizzare le variazioni del parametro nel tempo. Questi dati possono, però, anche essere resi in una forma grafica più semplice ed intuitiva per consentire agli utenti una maggiore consapevolezza dei consumi dell'edificio e per aiutarli ad interagire con lo stesso.

Conclusioni 
La semplicità dell’acronimo nZEB nasconde, come si è visto, un concetto ben più vasto e complesso che comporta una difficoltà oggettiva nella stesura di una definizione condivisa. L'obiettivo nZEB, risposta dell'edilizia al problema ambientale, viene richiesto sempre più insistentemente dalle normative e porta con sé la necessità di poter valutare come tale un edificio senza ambiguità o discordanti interpretazioni. La sfida del prossimo futuro sarà quella di rendere il sistema di certificazione energetica e del calcolo delle prestazioni energetiche degli edifici il più possibile semplice e fruibile, anche per i non addetti ai lavori. E’ opportuno infine sottolineare che l’attenzione per gli “nZEB” si è ad oggi focalizzata solo sul consumo di energia necessario per mantenere in un edificio le condizioni di comfort indoor, mentre si è trascurato l’aspetto della valutazione della quantità di energia utilizzata per la sua costruzione (sia in relazione all’involucro, sia ai sistemi impiantistici), così come per quella necessaria alla dismissione al termine della sua vita utile. La definizione di “nZEB” non prende infatti in considerazione il consumo globale di energia durante l’intero ciclo di vita dell’edificio, ma include solamente il consumo energetico durante la sua fase di esercizio e gestione. Nel prossimo futuro una stima sull’effettiva efficienza di un “nZEB” non potrà prescindere da una valutazione globale dei consumi energetici: il contenimento dei consumi nella fase di esercizio è solo una parte di un più ampio problema energetico e di sostenibilità ambientale. La scelta di materiali da costruzione, componenti impiantistici, etc., andrà effettuata considerando, oltre a proprietà, caratteristiche e prestazioni, anche il loro LCA (Life Cycle Assessment), l’impatto ambientale e la convenienza economica, al fine di riportare il problema ad uno scenario di riferimento più ampio. A riguardo sono già state proposte modifiche alla definizione di “nZEB”, quali LC-ZEB, cioè “Life Cycle Zero Energy Building”, ovvero un edificio dove l’energia primaria utilizzata nella fase di costruzione ed esercizio e l’energia incorporata nei materiali e nei sistemi utilizzati, inclusi quelli per la generazione di energia da fonti rinnovabili, è uguale o minore rispetto all’energia generata dai sistemi per lo sfruttamento fonti rinnovabili al suo servizio nell’arco di vita dell’edificio stesso. In definitiva, la riduzione dei consumi in fase di esercizio è una strategia fondamentale verso l’efficienza energetica, ma inevitabilmente occorrerà in un prossimo futuro focalizzarsi soprattutto sul ciclo di vita complessivo degli edifici.
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