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Analisi ed ottimizzazione energetico-ambientale di un edificio mediante la valutazione del ciclo di vita (LCA) - Francesco Asdrubali -
Conoscere le dinamiche energetiche di un sistema edilizio consente di individuare le scelte volte a ridurne l’impatto ambientale e a migliorarne l’EFFICIENZA ENERGETICA. L’LCA è uno strumento che consente di compiere una valutazione ambientale accurata, che tiene conto di molti aspetti: dall’estrazione delle materie prime allo smaltimento del prodotto-sistema alla fine della sua vita utile; tuttavia l’accuratezza può essere limitata dall’accessibilità ai dati, dalla loro reperibilità e qualità, nonché dalle scelte di chi conduce lo studio, ad esempio in merito al livello di dettaglio con cui condurre lo studio, al campo di applicazione, ai confini del sistema. Accanto all’attendibilità tecnica, la LCA deve avvalersi di una metodologia che consenta un’applicazione pratica e flessibile, ad un costo ragionevole.
Nel caso specifico del presente lavoro l’obiettivo principale è quello di valutare l’impatto ambientale dell’edificio oggetto di studio, considerando diverse soluzioni tecniche, in modo da arricchire una letteratura piuttosto povera di casi-studio. Inoltre si è voluto verificare la validità di un modello di classificazione dei componenti edilizi utilizzato in fase di analisi d’inventario, nonché fornire indirettamente indicazioni utili per la realizzazione futura di una banca dati dei materiali da costruzione
L’edificio preso in considerazione è di tipo residenziale unifamiliare ed è situato nel Comune di Perugia. È stato assunto il periodo di vita dell’organismo edilizio pari a 50 anni. L’edificio si sviluppa su tre piani per un totale di circa 400 m2 (in figura il prospetto dell’edificio prescelto come caso di studio).
L’unità funzionale è un riferimento a cui legare i flussi in entrata e in uscita. Nel caso in esame l’unità funzionale scelta è l’intero edificio, cioè i flussi di materiale ed energia in ingresso e le emissioni in uscita sono quantificati rispetto all’edificio nella sua interezza. Ciò consente di confrontare i risultati relativi alle diverse fasi del ciclo di vita dell’edificio o di paragonare soluzioni differenti. Definire i confini del sistema vuol dire stabilire in primo luogo quali unità di processo includere nell’analisi del ciclo di vita. Il sistema "prodotto-edificio" viene scomposto in unità di processo, cioè in tutti quegli elementi, materiali e componenti, che costituiscono l’edificio e che sono interessati da flussi di materia ed energia durante la loro vita, cioè durante le fasi di produzione, trasporto, posa in opera e assemblaggio, utilizzo e dismissione-demolizione. Per scomporre l’edificio ed individuare le unità funzionali si è utilizzata la "Classificazione del sistema tecnologico" prevista dalla norma. Questa concepisce la scomposizione del "sistema involucro" e del "sistema impianto" in sei livelli di dettaglio via via crescente
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classi di unità tecnologiche (es.: chiusura);
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unità tecnologiche (es.: chiusura verticale, chiusura orizzontale inferiore, ecc.);
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classi di elementi tecnici (pareti perimetrali, infissi esterni verticali, ecc.);
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sub-sistemi (tamponature verticali, ecc.);
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componenti (strato di irrigidimento, stato di isolamento termico e acustico,ecc.);
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sub-componenti (mattoni, isolanti di origine sintetica, battiscopa, pitture).
In quest’ultima categoria vengono elencati i materiali edili utilizzati per realizzare il componente dell’edificio a cui si riferiscono. Sono quindi le più piccole parti del sistema prodotto-edificio, cioè le unità di processo e individuano il livello di dettaglio con cui sono raccolti i dati.
Per raggiungere il livello di dettaglio richiesto dalla suddetta classificazione non è stato sufficiente far ricorso al solo computo metrico estimativo, che è stata comunque la fonte principale dei dati, ma è stato necessario utilizzare anche gli elaborati grafici del progetto esecutivo (strutturali, architettonici, degli impianti). A titolo di esempio, nel computo metrico è riportata la quantità, in metri quadrati, di solaio in latero-cemento; questo, con l’ausilio degli elaborati strutturali esecutivi è stato scomposto in diversi sub-sistemi: solaio su spazio areato, su portico, a "sbalzo", per coperture inclinate e per coperture piane calpestabili, solaio su ambienti riscaldati e su ambienti non riscaldati.
Dall’elenco voci del computo metrico è stato quindi possibile individuare i sub-componenti (calcestruzzo, armature, laterizi) e con l’aiuto di dati reperibili in letteratura (in figura le informazioni reperite in letteratura sul solaio in latero-cemento e ipotesi di scomposizione del travetto tralicciato)
sono state calcolate le rispettive quantità ( in figura la scomposizione del solaio in latero-cemento nei materiali di cui è costituito)
Questi passaggi, per quanto condotti con accuratezza, comportano inevitabilmente l’introduzione di approssimazioni e ipotesi formulate dall’esecutore della valutazione del ciclo di vita. Per limitare questa arbitrarietà sarebbe necessario disporre di uno schema per la realizzazione del computo metrico estimativo, a cui tutti i progettisti possano far riferimento, e con il livello di dettaglio necessario per realizzare un studio di LCA. Inoltre, i sub-componenti sono costituiti da prodotti industriali che necessitano a loro volta di un’analisi di ciclo di vita. Per facilitare il compito del valutatore e ridurre l’arbitrarietà delle ipotesi introdotte, sarebbe opportuno disporre di un database per l’edilizia in cui i sub-componenti siano assemblati in componenti, in cui ad esempio compaia la voce "solaio in latero-cemento" e dove occorra specificare solo lo spessore e la quantità in metri quadrati. Ciò sarebbe sicuramente un grande passo avanti verso l’accessibilità dei dati e il confronto tra soluzione alternative; anche se necessariamente si introdurrebbero delle approssimazioni, queste non sarebbero arbitrarie e soggettive garantendo uniformità e fruibilità dello strumento.
Per lo studio condotto si è fatto riferimento al data base Ecoinvent: ai sub-componenti desunti dal computo metrico sono stati associati materiali presenti nel suddetto database, completi di analisi del ciclo di vita.
Il data base Ecoinvent si è dimostrato un supporto indispensabile per effettuare questo tipo di analisi, sebbene esso non sia specificatamente concepito per il settore delle costruzioni. Inoltre, essendo il database tratto da dati di origine olandese, sicuramente non c’è una perfetta corrispondenza con materiali e processi produttivi tipici del nostro Paese.
Stabilire i confini del sistema non significa definire solamente le unità di processo, ma anche le fasi del ciclo di vita da includere nello studio come illustrato nel diagramma seguente
Dal diagramma si osserva che la vita dell’edificio è stata suddivisa in tre fasi fondamentali:
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collocazione del materiale: in questa fase si considera la produzione dei materiali, quindi l’estrazione o l’eventuale utilizzo di materiale riciclato, il trasporto alle industrie di trattamento e la lavorazione; ma anche la fase di posa in opera che include il trasporto dall’azienda di produzione al sito di costruzione, l’assemblaggio delle componenti e le loro eventuali sostituzioni durante la fase operativa, nonché l’operazione di scavo;
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fase operativa: il sistema edilizio viene fruito, quindi corrisponde alla vita utile. È in questa fase che si registrano i consumi di GAS NATURALE per riscaldamento, la produzione di acqua calda e per la cottura dei cibi, nonché i consumi di energia elettrica per gli elettrodomestici e per l’ILLUMINAZIONE;
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dismissione: smontaggio o demolizione delle componenti, trasporto dall’edificio al sito di deposizione o di riciclo o di riutilizzo.
Quanto alla sostituzione dei materiali la cui vita utile è inferiore ai 50 anni stimati per l’intero edificio, si provvede in fasi di analisi di inventario ad introdurre un fattore di life span, indicativo del numero di sostituzioni previste per il particolare componente.
In ultima analisi i confini del sistema sono definiti anche dai flussi di materia ed energia in ingresso e in uscita. Per decidere quali flussi in ingresso studiare si è tenuto presente in primo luogo il criterio della massa, cioè si sono tralasciati quegli apporti ritenuti in peso trascurabili rispetto al totale, facendo però attenzione che questi non avessero una rilevanza ambientale tale per cui non potessero essere esclusi. È questo il caso, ad esempio, del poliammide (nylon) che è impiegato per l’isolamento termico delle finestre; dal punto di vista della massa rappresenta una quota irrilevante, mentre sia dal punto di vista dei consumi energetici che da quello delle emissioni di GAS SERRA è uno di quelli che ha valori più alti per unità di massa. La stessa valutazione si può compiere per i metalli non ferrosi, che pur rappresentando una quota trascurabile dal punto di vista della massa, hanno al contempo un peso non trascurabile dal punto di vista dei consumi energetici e delle emissioni di gas clima-alteranti (in figura il confronto peso-consumi-emissioni per le classi di materiali da costruzione)
Nella definizione dei confini occorre anche stabilire quali rilasci nell’ambiente debbano essere valutati. Questi vengono raggruppati secondo categorie d’impatto che variano in base al metodo utilizzato per la valutazione: con il metodo IPCC la categoria d’impatto è quella dei cambiamenti climatici; con il metodo Cumulative Energy Demand è il consumo di risorse energetiche, mentre con il metodo Eco-indicator 99 le categorie di impatto (undici) vengono a loro volta raggruppate in categorie di danno, riconducibili a tre: danni alla salute umana, danni alla qualità dell’ECOSISTEMA, danni alle risorse.
Nell’analisi d’inventario si è provveduto a descrivere tutte le operazioni compiute per effettuare la scomposizione dell’edificio sulla base delle indicazioni fornite dalla norma UNI 8290. Per ogni sub-sistema si sono realizzate delle "tavole" che riportano anche componenti e sub-componenti; questi a loro volta sono descritti nelle "tabelle" con le informazioni necessarie per l’attribuzione al materiale scelto dal database Ecoinvent. tavole, tabelle e schede tecniche costituiscono quindi gli elaborati prodotti nell’Analisi d’Inventario. L’inventario per la Fase di Produzione e Posa in Opera è comprensivo delle seguenti fasi e dei rispettivi consumi-impatti:
1) produzione e sostituzione materiali: i "processi" creati per ogni materiale comprendono l’estrazione della materia prima, il trasporto al sito di produzione e la lavorazione;
2) trasporto: si è ipotizzata una distanza media dall’azienda al cantiere di 30 km da percorrere con un camion alimentato diesel con portata di 16 t;
3) edificazione:
a) scavo (consumi di energia per l’escavatore, impatto dovuto alla occupazione del suolo, impatto dovuto alla trasformazione del suolo e all’utilizzo per scopi diversi da quello agricolo);
b) assemblaggio: consumi elettrici stimati come l’1,8% dell’"energia totale incorporata" Questa definizione, utilizzata nella letteratura inglese ("total embodied energy"), sta ad indicare l’energia che è stata impiegata affinché un materiale sia estratto, raffinato, lavorato fino ad ottenere il componente con le caratteristiche fisiche e di forma richieste (energia incorporata), trasportato e infine assemblato nel sistema edilizio (energia grigia), ovvero tutta l’energia necessaria alla prima fase di collocazione del materiale.
I consumi energetici in Fase Operativa sono da attribuirsi ai consumi di GAS NATURALE e a quelli di energia elettrica. Il GAS NATURALE viene impiegato per il riscaldamento invernale, per gli usi cucina e per la produzione di acqua calda sanitaria. I consumi di GAS NATURALE per il riscaldamento sono stati stimati con l’ausilio del codice di calcolo Hvac–Cad, tenendo conto di tutti gli elementi architettonici che influenzano i consumi energetici: struttura dei pacchetti murari e dei solai, tipologia di isolamento termico e impianto di riscaldamento. Analogamente sono stati calcolati i consumi di gas dovuti alla produzione di acqua calda sanitaria. Il consumo di gas per usi di cucina è stato è stimato sulla base di dati desunti dal Rapporto Energia e Ambiente dell’ENEA del 2006. Anche per i consumi di energia elettrica si è provveduto a stimare un valore annuo sulla base di dati reperiti in Letteratura (dati ISTAT).
Il database Ecoinvent prevede un inventario specifico per lo Smaltimento dei Materiali da Costruzione, e proprio all’interno di questo inventario si è provveduto a rintracciare i materiali scelti per approssimare quelli usati in fase di costruzione dell’edificio e valutare il tipo di processo a cui sottoporli in fase di dismissione. Il database prevede tre diverse modalità di smaltimento di questo tipo di rifiuti:
A) riciclaggio diretto: il materiale viene separato dagli altri direttamente presso l’edificio in corso di demolizione e l’energia consumata è soltanto quella necessaria per lo smantellamento dei componenti, mentre l’energia spesa per il trasporto del materiale al sito in cui avviene il riciclaggio è a carico di chi utilizza il materiale riciclato, non del primo UTENTE. Si è previsto il riciclaggio di vetro, acciaio e alluminio;
B) riciclaggio parziale previa selezione e separazione dei materiali idonei: si applica se il materiale è mescolato ad altri in maniera tale da non poter essere diviso sul posto, viene quindi trasportato presso un impianto in cui verrà separato e poi trasferito al riciclaggio o altrimenti verrà mandato in discarica. Al materiale mandato in discarica viene assegnato un valore negativo, si è ipotizzata questa modalità di riciclaggio per il cemento armato;
C) deposizione in discarica senza riciclaggio: è una scelta che si opera per i materiali che non possono essere riciclati per mancanza di qualità (materiali mescolati e inseparabili), mancanza di tempo o di spazio per il disassemblaggio o per assenza di mercato per il prodotto riciclato.
Eco-Indicator 99 è uno dei metodi di valutazione dell’impatto più completi. Esso infatti permette di esprimere le emissioni e le estrazioni di risorse in 11 categorie di impatto, sostanze cancerogene, malattie respiratorie, cambiamenti climatici, impoverimento dello strato di OZONO, radiazioni ionizzanti, acidificazione eutrofizzazione, ecotossicità, uso del territorio, impoverimento risorse minerali e combustibili fossili, raggruppabili in tre categorie di danno:
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danni alla salute umana, espressi come il numero di anni di vita persa e il numero di anni trascorsi in malattia;
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danni alla qualità dell’ECOSISTEMA, espressi come perdita di specie in una determinata area e in un determinato periodo;
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danni alle risorse, espressi come il surplus di energia necessario per successive estrazioni di minerale e combustibili fossili.
1° fase: Collocazione del materiale - Metodo Eco-indicator 99
Dall’analisi dei risultati della valutazione si nota che il danno totale vale 33,7 KPt (migliaia di punti), dovuti per il 24,5% alla chiusura verticale, per il 10,4% alla chiusura superiore, per l’9,3% ai trasporti dall’azienda al cantiere, per il 7,5% alla struttura di elevazione.
Dalla figura seguente che mostra le categorie di danno valutate per ogni sottofase, si osserva che il danno maggiore arrecato all’ECOSISTEMA si perpetra in fase di scavo a causa dell’occupazione del suolo e della trasformazione della destinazione d’uso a scopi diversi da quello agricolo.
2° fase: Fase operativa - Metodo Eco-indicator 99
Dall’analisi dei risultati della valutazione si nota che il danno annuo totale vale 1,99 KPt dovuti: per il 68% al gas per il riscaldamento, per il 15,9% ai consumi elettrici, per il 13,7% per la produzione di acqua calda sanitaria, per il 2,31% per usi cucina. Si osserva inoltre che il danno maggiore è quello dell’impoverimento delle risorse fossili (89,4%).
3° fase: Fase di dismissione: Metodo Eco-indicator 99
Dall’analisi dei risultati della valutazione si nota che il danno totale vale 1,59 KPt dovuti al bilancio tra impatto causato dalla demolizione e quello evitato grazie al riciclaggio dei materiali. Le sottofasi la cui demolizione produce un impatto maggiore sono:
- demolizione della struttura di contenimento;
- demolizione delle fondazioni;
- demolizione della chiusura orizzontale inferiore.
Dalla figura sottostante delle categorie di impatto valutate per ogni sottofase, si osserva inoltre che il massimo apporto all’impatto evitato è fornito dalla demolizione della chiusura verticale.
Dal confronto dell’impatto prodotto durante le tre fasi del ciclo di vita si osserva (figura seguente - Categorie di danno valutate per ogni fase del ciclo di vita) la necessità di provvedere ad aumentare le prestazioni energetiche in fase di esercizio.
Dall’analisi dei risultati della valutazione si nota che il danno totale vale 2,69 KPt all’anno. Il massimo danno è dovuto all’impoverimento delle risorse.
Si sono introdotte, rispetto al progetto iniziale, le seguenti modifiche e sostituzioni:
Isolante su coperture inclinate: Dall’analisi dello stato attuale si evince che l’isolamento termico e acustico delle coperture inclinate è realizzato per mezzo di un pannello rigido in lana di vetro ad alta densità. Un’opportunità di riduzione dell’impatto ambientale è stata individuata nell’aumento dello strato di isolante; lo spessore dello strato isolante passa da 6 cm a 12 cm.
Isolante tamponature verticali: l’isolamento termico e acustico è realizzato per mezzo di un pannello autoportante in lana di vetro dello spessore di 4 cm e una densità paria 22 kg/m3 +/-10%. In questo caso si prevede la sostituzione della lana di vetro con isolante di prestazioni superiori (polistirene (99,3%), pentano (0,6%) e tracce di grafite che non superano lo 0,1%), mantenendo inalterato lo spessore della lastra.
Isolante coperture piane calpestabili: lo strato di isolamento termico è stato realizzato con pannelli in polistirene estruso, dello spessore pari a 3 cm e sono montati in doppio strato, per uno spessore totale del pacchetto isolante pari a 6 cm. Anche in questo sub-sistema nella modifica 1 è stato previsto l’utilizzo dell’isolante prima citato, dalla densità di 20 kg/m3. Lo spessore dello strato isolante sulle coperture piane passa da 6 cm a 8 cm.
Pacchetto murario tamponature verticali: le tamponature verticali sono realizzate con il sistema costruttivo che prende il nome di muratura a cassa vuota costituito da una muratura esterna, una interna e da un’ intercapedine per l’isolamento termico e acustico, per uno spessore complessivo di 38 cm. A questi si aggiunge il paramento murario esterno, realizzato in parte con l’intonaco, in parte con i mattoni facciavista, fino a raggiungere uno spessore totale per il pacchetto murario pari a 42 cm nel primo caso e a 53 cm nel secondo. Lo strato di irrigidimento è costituito da una muratura esterna in laterizio forato di spessore 20 cm e muratura interna in laterizi forati dello spessore pari a 10 cm. Nella modifica 1 i forati in laterizio da 20 cm sono sostituiti da blocchi isolanti di dimensioni analoghe; tali blocchi sono costituiti da un calcestruzzo cellulare espanso maturato in autoclave, ottenuto da materie prime esclusivamente di origine minerale.
Si sono introdotte, rispetto al progetto iniziale, le seguenti modifiche e sostituzioni:
Isolante su coperture inclinate: nella modifica 2 lo spessore dello strato isolante sulle coperture inclinate passa da 6 cm a 15 cm.
Isolante tamponature verticali: sostituzione della lana di vetro come in precedenza con identico spessore.
Isolante coperture piane calpestabili: analogamente alla modifica 1 si passa dal polistirene estruso all’utilizzo dell’altro isolante. Lo spessore sulle coperture piane passa da 6 a 12 cm.
Pacchetto murario tamponature verticali: nella modifica 2 i forati in laterizio da 20 cm sono sostituiti dai blocchi isolanti di dimensioni analoghe, così come per i forati da 10 cm.
Nei tre casi posti a confronto l’LCA per l’edificio comprende le tre fasi: costruzione, utilizzo e dimissione. Il metodo utilizzato per la valutazione dell’impatto ambientale è l’Ecoindicator 99.
1° fase: Collocazione del materiale - Metodo Eco-indicator 99
Si osserva che il confronto tra le tre diverse soluzioni non produce effetti fortemente discordanti, ma le variazioni sono minime. Con le modifiche 1 e 2 introdotte si riduce il danno arrecato in fase di costruzione rispettivamente dello 0,82% e dello 0,14% rispetto allo stato attuale. La Tabella mostra il punteggio singolo in Pt e % con cui la fase di costruzione incide sulle categorie di danno nelle tre ipotesi valutate, per il metodo Eco-indicator
2° Fase: fase di esercizio - Metodo Eco-indicator 99
Dal confronto tra le tre diverse soluzioni si evince il vantaggio raggiunto: con le modifiche 1 e 2 introdotte si riduce il danno arrecato in fase di esercizio rispettivamente dell’11,5% e del 12,1% rispetto allo stato attuale. Queste riduzioni sono graficamente rappresentate nella figura sottostante: le categorie di danno valutate per lo stato attuale e per le due modifiche.
Con la modifica 1 il danno arrecato alla salute umana si riduce rispetto allo stato attuale del 9,1%, mentre con la modifica 2 la riduzione è del 9,5%. Per la qualità dell’ECOSISTEMA le riduzioni registrate sono rispettivamente pari al 6,3% e 6,6%. Le riduzioni maggiori sono a vantaggio delle risorse e rispettivamente pari all’11,8% e al 12,5%.
3°Fase: Dismissione
Dal confronto tra le tre diverse soluzioni si evince il vantaggio raggiunto: con le modifiche 1 e 2 introdotte si riduce il danno arrecato in fase di dismissione rispettivamente dell’4% e del 5,4% rispetto allo stato attuale. La seguente tabella di confronto mostra il punteggio singolo in Pt e % di riduzione del danno apportata dall’introduzione delle modifiche rispetto allo stato attuale.
Con le modifiche 1 e 2 il danno arrecato alla salute umana si riduce, anche se di una percentuale modesta, così come debolmente aumenta il danno arrecato alla qualità dell’ECOSISTEMA. Quanto alle risorse si osserva un aumento del danno evitato (riduzione del danno che si ottiene con il riciclaggio di alcuni materiali utilizzati), contributo pari al 24,8% per la modifica 1 e pari al 32% per la modifica 2.
4° fase Confronto LCA Stato Attuale –LCA Modifica1 – LCA Modifica2 - Metodo Eco-indicator 99
Dal confronto tra le tre soluzioni alternative si evince il vantaggio raggiunto: con l’introduzione delle modifiche 1 e 2 si riduce il danno arrecato nell’intero ciclo di vita rispettivamente dell’8,8% e del 9% rispetto allo stato attuale.
Con la modifica 1 il danno arrecato alla salute umana si riduce rispetto allo stato attuale del 4,1%, mentre con la modifica 2 la riduzione è del 4,2%. Per la qualità dell’ECOSISTEMA le riduzioni registrate sono rispettivamente pari al 1,6% e 1,5%. Infine le riduzioni maggiori sono a vantaggio delle risorse essendo rispettivamente pari all’10,1% e al 10,4%.
Il settore dell’industria delle costruzioni, in tutte le sue fasi, ha un ruolo molto importante sulle emissioni di GAS SERRA; le analisi energetico-ambientali dei sistemi edilizi si devono pertanto basare su di una metodologia che consenta di tener conto della complessità del prodotto. Le norme ISO 14040 costituiscono uno strumento riconosciuto a livello internazionale e su tali norme si è basata e descritta la metodologia usata per condurre l’analisi del ciclo di vita di un edifico unifamiliare. Si è utilizzato il metodo Ecoindicator 99, implementato nel codice di calcolo Sima Pro, e si sono valutati gli impatti in fase di collocazione del materiale, esercizio dell’edifico, dismissione finale dello stesso. Si sono quindi introdotte alcune ottimizzazioni energetiche dell’edificio e se ne sono valutati i relativi impatti in termine di ciclo di vita. L’interesse, durante la realizzazione di questo studio, si è concentrato non tanto sui risultati che pure si è avuto modo di valutare, quanto piuttosto sulla metodologia e soprattutto sulla fase preliminare di raccolta dei dati.
Raggiungere un elevato livello di dettaglio nella preparazione dell’inventario va a discapito della possibile diffusione futura di questa metodologia, in quanto l’operazione di analisi d’inventario può diventare troppo gravosa per il valutatore.
Le analisi di ciclo di vita sono senza dubbio un valido strumento per diffondere maggiormente la cultura del costruire sostenibile, e realizzare edifici eco-compatibili nel massimo rispetto per l’ambiente. Affinché il metodo possa diffondersi nel nostro paese ed essere impiegato dai progettisti, è tuttavia auspicabile che si affermi una metodologia univoca e semplificata e che venga realizzata una banca dati che possa costituire una fonte accessibile di informazioni di origine certificata.
co-Autori: Giorgio Baldinelli, Manuele Battisti, Catia Baldassarri
Atti dell'8° Congresso Nazionale CIRIAF, Perugia, aprile 2008