Esempio di analisi LCA e valutazione di impatto ambientale: ecco un caso studio

Esempio di analisi LCA e valutazione di impatto ambientale, in un caso studio confrontate le diverse soluzioni costruttive al fine di migliorare le caratteristiche di sostenibilità


Nel processo di riduzione dei carichi ambientali e minimizzazione dei rifiuti da costruzione e demolizione, un ruolo fondamentale è svolto anche attraverso l’applicazione delle tecniche di valutazione del ciclo di vita, LCA, (Vedi art. “Valutazione carichi ambientali con la metodologia LCA“).

La metodologia LCA, da molti anni applicata al settore edilizio, costituisce infatti il metodo scientificamente riconosciuto di valutazione quantitativa dei danni ambientali dovuti ad un prodotto-edificio-servizio.

Essa consente, in pratica, di acquisire consapevolezza del danno ambientale in ognuna delle fasi che compongono il ciclo di vita di un prodotto (e quindi anche di un edificio): dalla produzione, trasporto, uso, riciclo, riuso fino alla dismissione.

Metodologie per la determinazione dei carichi e degli impatti ambientali, definizione di scopi e obiettivi di una LCA

L’analisi LCA ha per oggetto la valutazione degli impatti ambientali relativi alla struttura di riferimento, descritta in dettaglio in uno specifico Rapporto Tecnico di computo metrico.

L’edificio preso in considerazione è di tipo residenziale, presenta una pianta rettangolare e si sviluppa su tre piani. Su ogni livello sono presenti 8 appartamenti per un totale di 24 unità abitative. I dati climatici relativi alla località sono riportati nella seguente tabella e le principali caratteristiche dell’edificio sono illustrate nella figura successiva.

Tabella con i dati climatici della località: Comune di Napoli

Dati della località
Comune Altitudine Latitudine Longitudine Gradi giorno Zona climatica
Napoli (NA) 17 m slm 40°51′ nord 14°16′ est 1034 C

La struttura rappresenta sia per l’aspetto architettonico che strutturale una tipologia tipica del territorio campano, e come tale viene assunta quale manufatto edilizio di riferimento per l’analisi per il progetto VinCES.

Stimati i carichi ambientali ed i relativi danni sull’ambiente e sulla salute umana imputabili a questo edificio VinCES, si definiranno poi alcune alternative costruttive con l’obiettivo di migliorare le caratteristiche di sostenibilità. Si individueranno, cioè, materiali e tecniche costruttive in grado di minimizzare gli impatti ambientali e accrescere il livello di sostenibilità della struttura di riferimento.

Si svilupperanno quindi differenti analisi LCA per le strutture edilizie riprogettate, utilizzando di volta in volta i materiali e le tecniche costruttive individuate, per poterne confrontare le prestazioni ambientali, attraverso l’applicazione iterativa della tecnica LCA.

Lo scopo dello studio è, quindi, la quantificazione delle prestazioni ambientali di soluzioni progettuali alternative rispetto a quelle (standard pur se aggiornate) dell’edificio di riferimento nonché l’individuazione e lo sviluppo di tipologie edilizie efficaci per il contenimento delle emissioni in atmosfera e la riduzione dei danni sull’uomo e sull’ecosistema.

I principali obiettivi dello studio possono essere così sintetizzati:

  • analisi ambientale del sistema edificio di riferimento
  • identificazione e quantificazione dei carichi ambientali prima, e degli impatti ambientali poi, ad esso associati
  • identificazione degli aspetti cruciali dal punto di vista ambientale di materiali e sistemi utilizzati, lungo l’intero ciclo di vita, e sviluppo di nuovi scenari progettuali alternativi
  • individuazione dello scenario progettuale più sostenibile

 

Pianta del piano terra dell'edificio VinCES

Pianta del piano terra dell’edificio VinCES

Il primo passo dell’analisi LCA è la definizione della funzione del sistema in esame e l’individuazione dell’unità funzionale.

La funzione di un sistema edilizio è fornire all’utente un determinato livello di comfort e di qualità della vita, rispettando requisiti di sicurezza, fruibilità ed igiene, secondo quanto previsto dalla norma UNI 82903.
Una corretta progettazione deve, quindi, garantire una piacevole ed uniforme temperatura interna, un’ottima qualità dell’aria, un’umidità regolare e costante e al contempo garantire i requisiti di sicurezza strutturale, affidabilità e durabilità. Il benessere psicofisico e la salvaguardia della vita degli utenti si considereranno garantiti da opportune condizioni, ipotesi e scelte tecniche, sia su materiali e sistemi che su processi costruttivi relativi alla progettazione ed alla realizzazione dell’edificio di volta in volta in esame.

L’unità funzionale, come già detto, deve essere coerente con scopi ed obiettivi dello studio e deve individuare in modo chiaro e misurabile il riferimento a cui tutti i dati di input e di output devono essere normalizzati.

Nel settore edile, nonostante diversi tentativi di standardizzazione, essa è definita in molte maniere (m2 di superficie interna utile; m3 di volume interno utile, numero di occupanti; tonnellate di materiale usato; etc.). Considerato lo scopo del progetto VinCES, e quindi la necessità di confrontare soluzioni costruttive diverse per uno stesso edificio di riferimento, si ritiene opportuno definirla come la superficie utile totale dell’edificio VinCES, quindi pari a 1562 m2 di superficie interna utile.

Per quanto riguarda i confini del sistema edificio, bisognerà tenere ovviamente in conto l’intero ciclo di vita (from cradle to grave), dall’estrazione delle materie prime alla fase di dismissione dell’edificio e di smaltimento dei residui. Si opererà però con una ulteriore suddivisione in stadi successivi, illustrata nella seguente figura:

 Confini del sistema in esame: stadi successivi del ciclo di vita dell'edificio

Confini del sistema in esame: stadi successivi del ciclo di vita dell’edificio

In maggior dettaglio, si possono distinguere una fase di “pre-uso”, una fase di “uso” ed una fase di “fine vita”.

La fase di pre-uso comprende le fasi tecniche from cradle to entry gate (fasi di estrazione e processazione) e from entry gate to exit gate (fase produzione del prodotto/servizio). In questa fase rientreranno quindi l’estrazione di materie prime e la produzione dei materiali (o prodotti), compresi i trasporti dal luogo di produzione al cantiere e le relative messe in opera. I siti di produzione e distribuzione della maggior parte dei materiali da costruzione saranno ubicati preferenzialmente sul territorio campano.

From cradle to entry gate (produzione dei materiali)
Si valuteranno i carichi ambientali collegati ai soli materiali utilizzati per il sistema in esame, includendo l’estrazione e l’eventuale utilizzo di materiale riciclato, il trasporto alle industrie di trattamento e la lavorazione. Mediante analisi di contributo si individueranno quindi i materiali o processi che implicano i maggiori impatti ambientali.
Lo scopo è quello di analizzare i materiali dello scenario standard, definire una banca dati ad essi relativa (caratteristiche tecniche ed ambientali), individuare l’elemento o gli elementi che incidono maggiormente sul profilo ambientale del sistema totale ed infine individuare nuove soluzioni che ne migliorino le caratteristiche di sostenibilità.

A tal fine l’edificio di riferimento è stato scomposto in due macrosistemi suddivisi in unità costitutive:

  • involucro edilizio: include tutte le componenti edilizie messe in opera per la realizzazione dell’involucro edilizio, divise a loro volta in componenti e sub-componenti. Nella prima categoria rientreranno gli elementi strutturali (piastra, pilastri, travi, solaio, setti e scale) e non strutturali (tamponature esterne, divisorie e tramezzature), mentre nella seconda i materiali edili utilizzati per realizzare il componente dell’edificio a cui essi si riferiscono (calcestruzzo, acciaio, etc.). Gli elementi strutturali sono realizzati principalmente in calcestruzzo armato, per la modellazione di tale materiale si utilizzerà la norma ISO 133156 in cui sono riportate tutte le fasi del ciclo di vita, nonché gli input e gli output ad esso relativi.
  • impiantistica dell’edificio: indica le componenti impiantistiche dell’edificio, riconducibili agli impianti elettrici, termici ed idrico sanitari

Le tabelle riportate di seguito sintetizzano i sottoinsiemi edilizi dell’involucro e degli impianti con i relativi materiali costitutivi.

Tabella relativa involucro dell’edificio

Unità costruttive Materiali
Piastra di fondazione calcestruzzo C25/30; ferri d’armatura (acciaio per reti B450C)
Struttura portante calcestruzzo per pilastri C28/35; calcestruzzo per travi C25/30; ferri d’armatura (acciaio B450C)
Scale calcestruzzo C25/30;  ferri d’armatura (acciaio B450C); ringhiere in ferro
Solai calcestruzzo per lastra predalle tipo C35 /45; ferri d’armatura (acciaio B450C); calcestruzzo di completamento C25/30; blocchi di alleggerimento in polistirene
Tamponature e tramezzature Tamponatura tipo M1: pittura, lastra di cemento rinforzata,
barriera al vapore, profilato in acciaio, lana di roccia,
cartongesso.
Tramezzi tipo M3 ed M4: pittura, pannello di gesso, lana di
roccia, profilato in acciaio.
Rivestimenti solai Rivestimento piastra: collante, massetto autolivellante, massetto alleggerito, barriera al vapore.
Rivestimento 1° e 2° solaio: collante, massetto autolivellante, massetto alleggerito, isolamento acustico in gomma, rasante, pittura.
Rivestimento solaio di copertura: guaina impermeabilizzante,
pannelli di isolamento termico, barriera al vapore, rasante.
Rivestimento ballatoi e balconi: collante, massetto
autolivellante, guaina impermeabilizzante, spianamento di calce, pannello di isolamento termico, barriera al vapore, rasante, pittura.
Infissi Infissi interni: legno, gomma, ferro

Infissi esterni: vetro, alluminio, EPDM, ferro

Pavimentazione Gres porcellanato

 

Tabella relativa impiantistica dell’edificio

Impianti Materiali
Idrico-sanitario Tubi di adduzione in PVC, tubi di scarico in PVC, caldaia
Termico Tubo in rame, collettori in ottone, caldaia, radiatori
Elettrico Cavi elettrici, prese e interruttori
Smaltimento acque piovane Canali di gronda, pluviali, scossaline, bocchettoni (tutti gli elementi sono in rame)

From entry gate to exit gate (messa in opera dei materiali)
In questo stadio si analizzerà la messa in opera dei materiali, nonché la produzione del sistema edificio. Si includerà il trasporto dall’azienda di produzione al sito di costruzione, l’assemblaggio dei componenti, nonché l’operazione di scavo.
In altri termini, si considereranno i dati relativi ai materiali e ai consumi energetici, come dedotti dal computo metrico e dagli elaborati di progetto, che si riferiscono alle seguenti tipologie:

  • quantità dei diversi materiali e le relative percentuali di scarto dovute a sfridi di lavorazione e ad eventuali danneggiamenti in fase di trasporto e in cantiere
  • trasporto dei materiali costituenti l’edificio dai siti di produzione/distribuzione fino al cantiere
  • trasporto degli operai al cantiere
  • trasporto e consumi energetici, quali l’alimentazione dei macchinari da cantiere, l’illuminazione e la movimentazione di macchine nel sito

La restante fase del from exit gate to grave (uso del prodotto/servizio, riciclo e smaltimento finale) è qui adattata al caso specifico delle costruzioni.

Essa comprende una fase di uso ed una fase di fine vita.

La fase di uso, comprende tutte le attività relative:

  • all’utilizzo dell’edificio da parte degli utenti, valutato su un arco temporale di 60 anni. Si stimerà, in particolare, il consumo di acqua e di energia relativo agli impianti di condizionamento ambientale, di produzione di acqua calda sanitaria, di cottura dei cibi e di illuminazione, tutti correlati alla soluzione costruttiva di riferimento nonché stimati per le successive soluzioni implementate;
  • alla manutenzione sia ordinaria che di gestione di eventi inattesi. La prima prevede quelle operazioni che sono ripetute ciclicamente nel tempo, al fine di garantire l’utilizzo della struttura per lo scopo per cui è stata progettata, inserendo in tal caso il quantitativo dei materiali necessari, nonché la relativa messa in opera. Sono, invece, operazioni di ripristino straordinarie quelle poco frequenti, necessarie in caso di eventi imprevedibili (sisma, incendio, frane ed alluvioni) per ristabilire la funzionalità del manufatto.

Per quanto concerne la sostituzione dei singoli materiali la cui vita utile è inferiore ai 60 anni stimati per l’intero edificio, si provvederà in fase di analisi di inventario ad introdurre un fattore di life span, indicativo del numero di sostituzioni previste per il particolare elemento considerato. I dati relativi a questa fase, dalle prestazioni strutturali, funzionali, energetiche ed ambientali dei materiali da costruzione, alla costruzione/manutenzione stessa dell’edificio saranno desunti dagli elaborati di progetto.

La fase di fine vita, include la demolizione dell’edificio e il trasporto dei materiali di risulta dal cantiere allo stabilimento dove possono essere riciclati, riusati o conferiti in discarica.

Il modello del fine vita della struttura in esame prevederà una prima operazione di smontaggio ed allontanamento di alcune componenti edilizie prima dell’abbattimento con martelloni idraulici e pinze meccaniche e successivo trasporto ai siti di trattamento per il riciclaggio dei materiali, oppure presso la discarica come rifiuti non riutilizzabili.

Si prevedranno a tal proposito tre differenti modalità di smaltimento di rifiuti: riciclo diretto, riciclo parziale previa selezione e separazione dei materiali idonei e disposizione in discarica.

  • Per i dati relativi alle operazioni di demolizione/decostruzione si farà riferimento all’esperienza acquisita in altri cantieri di demolizione, oppure, alle pubblicazioni scientifiche che affrontano l’argomento in termini di LCA.
  • Nel riciclo diretto, il materiale verrà separato presso l’edificio in corso di demolizione e trasportato presso idonei siti di raccolta: sarà questo il caso del vetro, dell’acciaio e della plastica.
  • Nel riciclo parziale, invece, il materiale verrà trasportato presso un impianto di separazione e trattamento e successivamente presso siti di riciclaggio. Si ipotizzerà questa modalità per il calcestruzzo e calcestruzzo armato.
  • Si sceglierà, infine, il trasporto in discarica per quei materiali che non potranno essere riciclati per scarsa qualità (materiali mescolati e/o non separabili) o per assenza di mercato del prodotto riciclato.

Valutazione carichi ambientali e metodologia LCA, analisi di inventario

Per i dati necessari alla modellazione di tutte le fasi del ciclo di vita si farà riferimento al database Ecoinvent, associando ai componenti e sub-componenti costituenti l’edificio i materiali ed i processi presenti in tale database, da cui si ricaveranno i relativi carichi ambientali diretti, indiretti ed evitati. In tale fase, nonostante il database sia di buona qualità, si introdurranno inevitabilmente approssimazioni e ipotesi, poiché i dati riguardano situazioni standard, basate per lo più su dati di origine media europea. Nei limiti imposti dalle disponibilità di tempo e di risorse, si provvederà comunque a modificare o integrare il database con dati primari, raccolti sul campo.
In altri termini, le informazioni dal database saranno utilizzate solo per modellare lo scenario standard, al fine di tracciare il profilo ambientale di ogni singolo elemento. Successivamente, sui materiali che più risulteranno incidere sulle prestazioni ambientali, saranno raccolti e processati dati primari, provenienti cioè da rilevamenti diretti, con l’ausilio di aziende ed esperti del settore.

Valutazione carichi ambientali e metodologia LCA, analisi ed interpretazione degli impatti ambientali

Per quantificare le emissioni nell’ambiente e le categorie di impatto ad asse associate si utilizzerà sia il metodo Global Warming Potential (GWP) che il metodo IMPACT 2002+.

Il GWP consente di quantificare e valutare gli effetti prodotti sul clima da parte dei cosiddetti gas serra (anidride carbonica (CO2), metano (CH4), ossido nitroso ( N2O), il gruppo degli idrofluorocarburi (HFCs), dei perfluorocarburi (PFCs) e l’esafluoruro di zolfo (SF6) generati da un prodotto/processo. Rappresenta, in particolare, il rapporto fra il riscaldamento causato da un gas ad effetto serra in uno specifico intervallo di tempo (20, 100 o 500 anni) e il riscaldamento causato nello stesso periodo dalla CO2 nella stessa quantità, essendo la tonnellata di anidride carbonica equivalente (tCO2eq) l’unità di misura alla base di tale metodologia.

Il metodo di valutazione ambientale IMPACT 2002+ consente, invece, di quantificare gli impatti ambientali secondo gli approcci midpoint-oriented (basato sulle categorie di impatto) e damage-oriented (orientato alla valutazione per categorie di danno). I risultati desunti dalle analisi d’inventario possono, infatti, essere espressi sia in quindici categorie di impatto che in quattro categorie di danno.

Le categorie di danno utilizzate da IMPACT 2002+ sono:

  • Humn Health, misurata in DALY (Disability Adjusted Life Years) e derivata dalle sei categorie di impatto Carcinogens, Non carcinogens, Respiratory inorganics, Ionizing radiation, Ozone layer depletion, Respiratory organics;
  • Ecosystem quality, misurata in PDF*m2*yr (Potentially Disappeared Fraction) derivata dalle categorie di impatto Aquatic ecotoxicity, Terrestrial ecotoxicity, Terrestrial acidification/nutriphication, Aquatic acidification, Aquatic eutrophication e Land occupation;
  • Climate Change, misurata in kg di CO2 equivalente in aria, derivata all’unica categoria di impatto Global Warming (misurata su un arco temporale di 500 anni);
  • Resources, in MJ, elaborata a partire dalle categorie di impatto Non renewable energy e Mineral extraction.

Valutate le emissioni e i danni, seguirà la fase di interpretazione dei risultati. Saranno anche condotte analisi di sensibilità, analisi di incertezza e analisi contributive con l’obiettivo di verificare l’accuratezza dei dati e della metodologia scelta e la loro influenza sul risultato finale.
Tali procedure consentiranno non solo di calcolare il livello di incertezza dei dati utilizzati, ma anche di individuare quale elemento o processo produttivo incide maggiormente sulla valutazione ambientale.

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