Università a Basso Consumo: Il Segreto è nell’Involucro Esterno

Ciao a tutti! Oggi voglio parlarvi di qualcosa che mi appassiona molto e che, credetemi, ha un impatto enorme sulle nostre vite (e sulle bollette!): l’efficienza energetica degli edifici, in particolare quelli universitari. Sapete, le università sono luoghi pieni di vita, di studio, di ricerca… ma anche di un consumo energetico pazzesco! Pensate che rappresentano una fetta importante del consumo totale di energia della società. E indovinate un po’ qual è uno dei maggiori “colpevoli” di questa fame di energia? Proprio lui, l’involucro esterno dell’edificio: muri, tetti, finestre.

Perché l’involucro è così importante?

Beh, è semplice: l’involucro è la “pelle” del nostro edificio. È la barriera tra il comfort interno che desideriamo e le bizze del clima esterno. Se questa pelle non performa bene, il calore scappa via d’inverno e il caldo torrido entra d’estate. Risultato? Impianti di riscaldamento e condizionamento che lavorano a pieno regime, consumando energia a palate. Si stima che oltre il 70% dell’energia consumata in un edificio universitario durante il suo ciclo di vita sia dovuta proprio alle perdite (o guadagni indesiderati) di calore attraverso l’involucro. C’è un potenziale di risparmio energetico enorme, che può arrivare anche al 58% in alcuni casi!

Molti edifici universitari, poi, non sono proprio di primo pelo. Sono strutture magari affascinanti, ma costruite quando l’attenzione all’isolamento termico non era quella di oggi. Quindi, studiare come migliorare l’involucro di questi edifici, tenendo conto delle condizioni reali e dei materiali disponibili, è fondamentale per renderli più efficienti e sostenibili.

La nostra indagine: come abbiamo “spiato” l’energia

Nel mio studio, ci siamo concentrati proprio su questo: capire come le prestazioni termiche dell’involucro esterno influenzano la domanda di energia negli edifici universitari, che hanno caratteristiche operative uniche (pensate alle aule affollate, agli uffici, ai laboratori, e ai periodi di vacanza in cui i consumi cambiano drasticamente). Abbiamo preso un tipico edificio universitario adibito a uffici e aule a Chengdu, in Cina – una zona con estati calde e inverni freddi, un po’ come alcune aree italiane – e lo abbiamo “messo sotto la lente”.

Abbiamo usato un potente strumento di simulazione numerica, chiamato EnergyPlus (una specie di “laboratorio virtuale” per l’energia negli edifici), per ricreare il comportamento energetico dell’edificio. Abbiamo inserito tutti i dati reali: le condizioni climatiche locali, i materiali da costruzione utilizzati, gli orari di funzionamento degli impianti di riscaldamento e condizionamento (che nelle università cinesi seguono il calendario accademico, con pause estive e invernali), l’affollamento delle aule e degli uffici, l’illuminazione, persino il calore prodotto dalle persone!

Per essere sicuri che il nostro modello virtuale fosse affidabile, lo abbiamo validato confrontando i risultati delle simulazioni con misurazioni reali prese direttamente nell’edificio. Abbiamo installato sensori per misurare temperature, umidità, radiazione solare, velocità del vento… e i risultati combaciavano alla perfezione! Questo ci ha dato la certezza che le nostre analisi successive sarebbero state accurate.

Isolamento delle pareti: dove metterlo fa la differenza!

Una delle prime cose che abbiamo analizzato è stata la posizione dell’isolante nelle pareti esterne. Esistono diverse configurazioni: isolamento esterno (cappotto), interno, o “a sandwich” (dentro la muratura). Abbiamo confrontato queste opzioni con pareti auto-isolanti (fatte con materiali già isolanti di per sé).

I risultati per il clima di Chengdu sono stati chiari: l’isolamento termico interno si è rivelato il più efficace per ridurre il carico termico annuale totale. Perché? Principalmente perché blocca molto bene la fuoriuscita del calore dall’interno durante l’inverno, riducendo significativamente il bisogno di riscaldamento. Certo, d’estate trattiene un po’ di più il calore interno, ma l’effetto benefico sul riscaldamento invernale (che a Chengdu è comunque una voce importante) supera questo svantaggio. Parliamo di un risparmio sul carico di riscaldamento fino al 10% rispetto ad altre configurazioni!

Spessore e tipo di isolante: più spesso è sempre meglio?

Poi ci siamo chiesti: quanto isolante serve? E quale materiale è meglio usare? Abbiamo simulato l’aggiunta di diversi spessori (da pochi millimetri fino a oltre 10 cm) di materiali isolanti comuni – come polistirene espanso (EPS), schiuma poliuretanica, perlite espansa – a una parete esterna (in questo caso, abbiamo considerato l’isolamento a cappotto per praticità costruttiva, anche se l’interno era risultato leggermente migliore nel caso specifico).

Le scoperte sono state interessanti:

• L’impatto sul carico di raffrescamento estivo è minimo, quasi trascurabile.
• L’impatto sul carico di riscaldamento invernale è invece molto significativo: più isolante metti, meno devi riscaldare.
• Tuttavia, l’effetto non è infinito! Aumentando lo spessore, il risparmio energetico cresce sempre meno. Dopo circa 100 mm di isolante, il tasso di risparmio energetico sul carico totale annuale si stabilizza intorno al 20%, e aggiungere ulteriore spessore diventa poco conveniente, a volte persino controproducente.
• Materiali diversi hanno prestazioni diverse a parità di spessore. Ad esempio, per ottenere lo stesso risparmio del 50% sul riscaldamento, bastano 25 mm di poliuretano, ma servono ben 60 mm di perlite espansa!

Questo ci dice che non basta dire “mettiamo più isolante possibile”. Bisogna scegliere il materiale giusto e lo spessore ottimale in base al clima, ai costi e agli obiettivi di risparmio.

Il colore conta: l’importanza dell’assorbimento solare

Un altro fattore cruciale, spesso sottovalutato, è il colore (o meglio, il coefficiente di assorbimento della radiazione solare, ρs) dei materiali di rivestimento esterno di muri e tetti. Un materiale scuro assorbe più calore dal sole, uno chiaro ne riflette di più.

Cosa abbiamo scoperto?

• Un alto assorbimento solare (materiali scuri) riduce il bisogno di riscaldamento in inverno (perché il sole “aiuta” a scaldare le pareti).
• MA, lo stesso alto assorbimento aumenta drasticamente il bisogno di raffrescamento in estate! E questo aumento è molto più grande della riduzione ottenuta in inverno.

Nel clima di Chengdu, dove il raffrescamento estivo è una voce importante, la conclusione è netta: per risparmiare energia sull’intero anno, è molto meglio scegliere materiali di rivestimento con un basso coefficiente di assorbimento solare (cioè colori chiari) sia per le pareti che per il tetto.

Finestre: non solo luce, ma anche scambio termico

Le finestre sono un punto debole (o di forza!) dell’involucro. Influenzano sia la perdita/guadagno di calore (tramite il coefficiente di trasferimento termico, Kwin) sia l’apporto di calore gratuito dal sole (tramite il fattore solare, o SHGC).

Le nostre analisi hanno indicato che per gli edifici universitari a Chengdu:

• Il valore ottimale per il Kwin si situa tra 2.5 e 3.5 W/(m²·K). Un Kwin troppo basso (finestre super isolanti) può essere controproducente d’estate, mentre uno troppo alto fa disperdere troppo calore d’inverno.
• Il range ottimale per l’SHGC è tra 0.1 e 0.5. Un SHGC troppo alto fa entrare troppo calore solare d’estate, aumentando il carico di raffrescamento.

Anche qui, si tratta di trovare il giusto equilibrio in base al clima.

Il tetto: l’ultima frontiera dell’isolamento

Simile alle pareti, anche per il tetto abbiamo visto che un basso coefficiente di trasferimento termico (Kroof) e un basso coefficiente di assorbimento solare (ρs) sono la scelta migliore per il clima di Chengdu, considerando il bilancio energetico annuale. Un tetto ben isolato e di colore chiaro contribuisce significativamente a mantenere fresco l’edificio d’estate e a non disperdere troppo calore d’inverno.

Non solo tecnica, ma anche economia: lo spessore giusto conviene!

Finora abbiamo parlato di prestazioni termiche. Ma quanto costa tutto questo? Ha senso mettere 20 cm di isolante se poi la spesa non viene ripagata dai risparmi in bolletta in un tempo ragionevole? Per rispondere, abbiamo usato un modello di Valutazione Economica del Ciclo di Vita (LCEE). Questo modello considera non solo il costo iniziale del materiale isolante, ma anche il costo dell’energia risparmiata durante la vita utile dell’edificio.

Il risultato? Per ogni tipo di materiale isolante, esiste uno spessore economico ottimale! È lo spessore che minimizza il costo totale (costo materiale + costo energetico nel tempo). Aumentare lo spessore oltre questo punto fa salire il costo totale perché la spesa extra per l’isolante non è compensata da un risparmio energetico sufficiente. Sorprendentemente, abbiamo visto che il materiale con le migliori prestazioni termiche (come il poliuretano) non è necessariamente quello con il costo totale più basso al suo spessore ottimale, perché magari costa molto di più al metro cubo. Quindi, la scelta deve bilanciare prestazioni, costo iniziale e risparmi futuri.

La ricetta per Chengdu: una strategia ottimizzata

Mettendo insieme tutti questi risultati, considerando la fattibilità costruttiva, i costi dei materiali e i tassi di risparmio energetico, abbiamo proposto una strategia di ottimizzazione specifica per gli edifici universitari aule-uffici a Chengdu, utilizzando materiali comunemente disponibili.

Questa strategia prevede:

• Pareti con isolamento interno (o comunque ben performante).
• Uno spessore di isolante ottimizzato economicamente.
• Materiali di rivestimento esterni (pareti e tetto) con basso assorbimento solare (colori chiari).
• Finestre con valori di Kwin e SHGC nei range ottimali identificati.
• Tetto con basso K e basso assorbimento solare.

E i risultati? Applicando questa strategia ottimizzata al nostro edificio campione, abbiamo calcolato un risparmio energetico notevole rispetto alla situazione attuale:

• -18% sul carico di riscaldamento
• -33% sul carico di raffrescamento
• -28% sul carico totale annuale!

Conclusioni: un approccio su misura per un futuro sostenibile

Cosa ci insegna tutto questo? Che non esiste una soluzione unica per tutti. L’ottimizzazione dell’involucro edilizio è una scienza affascinante che richiede un approccio olistico, considerando il clima specifico, la funzione dell’edificio, i materiali disponibili e i costi.

Per gli edifici universitari, con le loro peculiarità, intervenire sull’involucro esterno offre un potenziale di risparmio energetico davvero significativo. Scegliere la giusta configurazione di isolamento, lo spessore economicamente ottimale, i colori giusti per le superfici esterne e le finestre adatte può fare una differenza enorme, riducendo i consumi, tagliando i costi e contribuendo a un futuro più sostenibile per i nostri campus. È una sfida complessa, ma i risultati che si possono ottenere sono la prova che ne vale assolutamente la pena!

Fonte: Springer