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TECNOLOGIE INNOVATIVE PER L’EFFICIENZA ENERGETICA il solare termico nel condizionamento edifici
PROBLEMATICHE TECNICHE ED ECONOMICHE DEGLI IMPIANTI ALIMENTATI CON ENERGIE
RINNOVABILI: ALCUNE CASISTICHE
Mercoledì 10 dicembre 2014 Environment Park – Centro congressi Via Livorno, 60 TORINO
GIORGIO BO Prodim -‐ EP&S
Delegato territoriale AiCARR Piemonte e Valle d’ Aosta
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2
IL D.LGS 3 MARZO 2011, N° 28
36%
54%
10%
Obiettivi del PAN al 2010 nei tre macro-settori applicativi delle fonti rinnovabili,
Mtep finali
Riscaldamento e raffreddamento
Elettricità
Trasporti
46%
38%
11%
5% Obiettivi del PAN al 2020 nei tre macro-settori applicativi delle fonti rinnovabili, Mtep finali
Riscaldamento e raffreddamento
Elettricità
Trasporti
Trasferimento atteso di FER da altri Stati membri e paesi terzi
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ART. 11 D. LGS. 3 MARZO 2011, N.28 Obbligo di integrazione delle fonN rinnovabili negli edifici di nuova costruzione e negli edifici esistenN soPoposN a ristruPurazioni rilevanN.
Allegato 3 due condizioni Gli impianN termici devono garanNre la contemporanea copertura, tramite fonte rinnovabile del: 1) 50 % acqua calda sanitaria
2) 20% à 31/05/2012 35% à 01/01/2014
50% à 01/01/ 2017
Somma dei consumi previsN per ACS, riscaldamento, raffrescamento
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L’ APPLICAZIONE DEL DECRETO
• Abbiamo cercato di valutare: ü Quali sono le soluzioni impianNsNche di norma uNlizzabili (soluzioni
semplici, di basso costo per un possibile largo impiego) ü Quali sono metodi di calcolo applicabili ü Quali sono gli ordini di grandezza (“regole del pollice”) dei parametri in
gioco con cui dobbiamo incominciare a prendere confidenza
• Due esempi applicaNvi in solo regime di riscaldamento: 1. Casa unifamiliare (170 m2) 2. Condominio da 29 appartamenN (2.600 m2)
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5
LE FONTI ENERGETICHE RINNOVABILI
ü Art. 1 comma 3 Legge 10/91 • Definizione superata per quanto riguarda le fonN “assimilate” alle rinnovabili (cogenerazione, calore recuperato, risparmi di energia conseguibili con intervenN sull’ involucro edilizio e sugli impianN
ü Art. 2 D.Lgs n° 387/2003 e art. 2 D.Lgs n° 28/2011 • «energia da fonN rinnovabili»: energia proveniente da fonN rinnovabili non fossili, vale a dire energia eolica, solare, aerotermica, geotermica, idrotermica e oceanica, idraulica, biomassa, gas di discarica, gas residuaN dai processi di depurazione e biogas;
Matteo Bo, Giorgio Bo - Prodim srl, Torino
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6
LE FONTI ENERGETICHE RINNOVABILI
RES TECNOLOGIA ENERGIA PRODOTTA
SOLARE PANNELLI FOTOVOLTAICI ENERGIA ELETTRICA PANNELLI SOLARI TERMICI ENERGIA TERMICA
EOLICA AEROGENERATORI A TURBINA ENERGIA ELETTRICA IDRAULICA CENTRALI IDROELETTRICHE ENERGIA ELETTRICA GEOTERMIA ALTA ENTALPIA
CENTRALI GEOTERMOELETTRICHE (per es. Lardarello)
ENERGIA ELETTRICA
OCEANICA SISTEMI PER LO SFRUTTAMENTO DELLE ONDE, DELLE CORRENTI E DELLE MAREE
ENERGIA ELETTRICA
BIOMASSA GENERATORI DI CALORE ENERGIA TERMICA
AEROTERMICA POMPE DI CALORE aria/acqua ENERGIA TERMICA
IDROTERMICA POMPE DI CALORE acqua/acqua ENERGIA TERMICA
GEOTERMICA POMPE DI CALORE acqua/acqua ENERGIA TERMICA
Matteo Bo, Giorgio Bo - Prodim srl, Torino
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7
LE TECNOLOGIE DI PIÙ FACILE UTILIZZO
PANNELLI SOLARI TERMICI
POMPE DI CALORE ARIA-‐ACQUA
CALDAIE A CIPPATO O PELLETS
Matteo Bo, Giorgio Bo - Prodim srl, Torino
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8
PROCEDURA DI CALCOLO PER SOLARE TERMICO
Fabbisogni energeXci mensili per riscaldamento e ACS
UNI TS 11300 ParX 1 e 2
Calcolo irradianza solare UNI TR 11328-‐1 e UNI 10349
Algoritmo di calcolo
Metodo F-‐Chart UNI TS 11300 Parte 4
Energia rinnovabile prodo`a
Matteo Bo, Giorgio Bo - Prodim srl, Torino
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PROCEDURA DI CALCOLO PER POMPE DI CALORE ARIA/ACQUA Fabbisogni energeXci mensili per
riscaldamento e ACS UNI TS 11300 ParX 1 e 2
Determinazione profilo giornaliero (giorno medio del mese) temperatura dell’ aria
esterna e profilo di carico ACS (Appendice G UNI TS 11300 – 4)
Andamento COP in funzione temperatura esterna (N.B.PROBLEMA ACQUISIZIONE DEI
DATI)
Energia annualmente prodo`a e assorbita dalla
pompa di calore Calcolo SPF SPF > 2,875
Energia rinnovabile prodo`a
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POMPE DI CALORE -‐ PROFILI GIORNALIERI APPENDICE G UNI TS 11300 -‐4
0,00
1,00
2,00
3,00
4,00
5,00
6,00
7,00
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23
Pote
nza
[kW
]
Ore [h]
Potenze villa unifamiliare Milano mese di gennaio
Potenza per riscaldamento
Potenza per produzione ACS
Potenza totale
-1
0
1
2
3
4
5
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 Tem
pera
tura
[°C
]
Ore [h]
Temperature esterne Milano mese di gennaio
Temperature esterne
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POMPE DI CALORE ARIA/ACQUA
)SPF11(EE cRES −=
875,215,1EE
SPFanno,s
anno,c =>=η
ERES
anno,sanno,cRES EEE −=
NON SI CONSIDERA LA TRASFORMAZIONE DELL’ ENERGIA ELETTRICA IN ENERGIA PRIMARIA
Energia rinnovabile
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12
CALDAIE A PELLETS CARICAMENTO AUTOMATICO ü 100 % energia rinnovabile ü Rendimento termico = 90%
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CALDAIE A PELLETS CARICAMENTO AUTOMATICO
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CASI STUDIO Villa unifamiliare S=170 m2
Condominio 29 appartamenX da 90 m2
Fabbisogni energetici [kWh/a]
Milano Roma Palermo
kWh/a % kWh/a % kWh/a %
Riscaldamento 11.285 73% 4.290 51% 1.425 26%
ACS 4.070 27% 4.070 49% 4.070 74%
Totale 15.355 100% 8.360 100% 5.495 100%
Fabbisogni energetici [kWh/a]
Milano Roma Palermo
kWh/a % kWh/a % kWh/a %
Riscaldamento 125.462 64% 50.577 42% 16.755 19%
ACS 70.563 36% 70.563 58% 70.563 81%
Totale 196.025 100% 121.140 100% 87.318 100%
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CRITERI UTILIZZATI PER LE VALUTAZIONI ECONOMICHE
ü CosN degli impianN valutaN in prima approssimazione con sNme di Npo budgePario
ü Parametri di calcolo uNlizzaN per le analisi economiche: § Soluzione base di riferimento: caldaia a condensazione § Rendimento termico caldaia a condensazione = 1 § Potere calorifico inferiore gas metano = 9,6 kWh/Sm3
§ Costo gas metano = 0,79 €/Sm3
§ Costo energia elePrica = 0,18 €/kWh § Rendimento caldaia a pellets = 0,9 § Potere calorifico pellets = 4,9 kWh/kg § Costo pellets = 0,25 €/kg
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VILLA UNIFAMILIARE
Su = 170 m2
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COLLETTORI SOLARI PIANI
MILANO 50% ACS 20% Totale 35% Totale 50% Totale
Superficie colle`ori solari piani [mq]
3,2 6,7 20 54
Percentuale superficie colle`ori solari -‐ superficie dell' edificio [%]
1,8 3,8 11,4 30,7
Copertura del fabbisogno energeXco [5]
50% ACS 20% Totale 35% Totale 50% Totale
Incremento di costo budge`ario [euro]
5.000,0 9.000,0 20.000,0 54.000,0
Incremento di costo/m2 [euro/m2]
27 52 115 306
Tempo di ritorno semplice [anni]
28 36 45 84
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ROMA 50% ACS 20% Totale 35% Totale 50% Totale
Superificie colle`ori solari piani [mq]
2 2 3,6 8,1
Percentuale superficie colle`ori solari -‐ superficie dell' edificio [%]
1,1 1,1 2,0 4,6
Copertura del fabbisogno energeXco [5]
50% ACS 30% Totale 35% Totale 50% Totale
Incremento di costo budge`ario [euro]
3.000,0 3.000,0 5.500,0 11.000,0
Incremento di costo/m2 [euro/m2]
17 17 30 61
Tempo di ritorno semplice [anni]
18 18 22 31
COLLETTORI SOLARI PIANI
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PALERMO 50% ACS 20% Totale 35% Totale 50% Totale
Superificie colle`ori solari piani [mq]
1,8 1,8 1,8 3,2
Percentuale superficie colle`ori solari -‐ superficie dell' edificio [%]
1,0 1,0 1,0 1,8
Copertura del fabbisogno energeXco [5]
50% ACS 37% Totale 37% Totale 50% Totale
Incremento di costo budge`ario [euro]
2.700,0 2.700,0 2.700,0 5.000,0
Incremento di costo/m2 [euro/m2]
15
15
15
27
Tempo di ritorno semplice [anni]
16
16
16
21
COLLETTORI SOLARI PIANI
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0
10
20
30
40
50
60
MILANO ROMA PALERMO
Are
a co
lletto
ri [m
2 ]
Copertura 50% ACS e 50% totale Varia l’ insolazione e il fabbisogno energeNco
0
0,5
1
1,5
2
2,5
3
3,5
MILANO ROMA PALERMO
Are
a co
lletto
ri [m
2]
Copertura 50% ACS Varia solo l’ insolazione
• Milano 40° 1430 kWh/m2 • Roma 40° 1780 kWh/m2 • Palermo 40° 1950 kWh/m2
COLLETTORI SOLARI PIANI
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28
36
45
84
18 18 22
31
16 16 16 21
-
10
20
30
40
50
60
70
80
90
50% ACS 20% Totale 35% Totale 50% Totale
Ann
i
Tempo di ritorno semplice dell' investimento Villetta unifamiliare
MILANO ROMA PALERMO
COLLETTORI SOLARI PIANI
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POMPE DI CALORE ARIA/ACQUA A MEDIA E AD ALTA TEMPERATURA
Impiego di pompe di calore in grado di consenNre il funzionamento con doppio set point di regolazione (per es. riscaldamento 40°C, produzione ACS 60°C) ü Pompe di calore “mulNfunzione” con doppi scambiatori di calore uno per
riscaldamento e uno per produzione ACS ü Pompe di calore con produzione ACS in priorità mediate valvola deviatrice a
tre vie (soluzione meno correPa se la pompa di calore a inversione di ciclo viene uNlizzata in estate come gruppo frigorifero )
Le pompe di calore devono essere idonee per produzione ACS, così dePe pompe di calore a media (55°) e ad alta temperatura (60÷65°C)
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POMPE DI CALORE ARIA/ACQUA DOPPIO SCAMBIATORE
Scambiatore ACS
Scambiatore climaXzzazione
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POMPA DI CALORE ARIA/ACQUA: VALVOLA A TRE VIE
Valvola a tre vie
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COP POMPE DI CALORE
y = 0,0423x + 2,7202
y = 0,0701x + 3,7924
0
1
2
3
4
5
6
-15 -10 -5 0 5 10 15 20
CO
P
Temperatura esterna [°C]
Esempio variazione COP (compressore scroll - R407C - con iniezione di vapore)
COP condensazione 60°C
COP condensazione 40 °C
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26
POMPA DI CALORE -‐ 100% DEL CARICO
LOCALITA' Potenza nominale pompa di calore
[kW]
Incremento di costo budge`ario
[euro]
Tempo di ritorno semplice [anni]
MILANO 30 12.000 24 ROMA 20 10.000 38
PALERMO 20 10.000 64
LOCALITA' Temperatura condensazione
unica = 60 °C
Temperatura condensazione produzione ACS = 60°C riscaldamento = 40°C
SPF verifica REP %RES SPF verifica REP %RES
MILANO 2,7 NEGATIVA 1,1% 0,00% 3,58 POSITIVA 1,43 72,07%
ROMA 3,15 POSITIVA 1,3% 68,24% 3,54 POSITIVA 1,42 71,77%
PALERMO 3,19 POSITIVA 1,3% 68,66% 3,19 POSITIVA 1,28 68,66%
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VILLA UNIFAMILIARE: CONFRONTO NEL CASO COPERTURA MINIMA FABBISOGNI 50% (ANNO 2017)
(1) Naturalmente l’ extracosto e gli anni al punto di pareggio si azzerano se la pompa di calore viene uNlizzata in estate come gruppo frigorifero
LOCALITA'
CALDAIA A CONDENSAZIONE COLLETTORI SOLARI POMPA DI CALORE
( Potenza 100%) (1) CALDAIA A PELLETS (Potenza 100%)
costo C.T. [€]
costo C.T./m2
[€/m2]
costo C.T. [€]
costo C.T./m2
[€/m2]
P.B.P [anni]
costo C.T. [€]
costo C.T./m2
[€/m2]
P.B.P [anni]
costo C.T. [€]
costo C.T./m2
[€/m2]
P.B.P [anni]
MILANO 5.000
28 59.000
335
84
17.000
97
24
23.000
131
43
ROMA 5.000
28
16.000
91
31
15.000
85
38
20.000
114
65
PALERMO 5.000
28 10.000
57
21
15.000
85
64
20.000
114
85
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CONDOMINIO
Su = 2.600 m2
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COLLETTORI SOLARI PIANI
MILANO 50% ACS 20% Totale 35% Totale 50% Totale
Superificie colle`ori solari piani [mq]
46 62 178 440
Percentuale superficie colle`ori solari -‐ superficie dell' edificio [%]
1,8 2,4 6,8 16,8
Copertura del fabbisogno energeXco [5]
50% ACS 20% Totale 35% Totale 50% Totale
Incremento di costo budge`ario [euro]
46.000,0 62.000,0 178.000,0 440.000,0
Incremento di costo/m2 [euro/m2]
17,8 23,6 68,1 169,8
Tempo di ritorno semplice [anni]
16 19 32 54
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COLLETTORI SOLARI PIANI
ROMA 50% ACS 20% Totale 35% Totale 50% Totale
Superificie colle`ori solari piani [mq]
34 34 43 86
Percentuale superficie colle`ori solari -‐ superficie dell' edificio [%]
1,3 1,3 1,6 3,3
Copertura del fabbisogno energeXco [5]
50% ACS 29% Totale 35% Totale 50% Totale
Incremento di costo budge`ario [euro]
34.000,0 34.000,0 43.000,0 86.000,0
Incremento di costo/m2 [euro/m2]
13,2 13,2 16,4 32,8
Tempo di ritorno semplice [anni]
12 12 12 17
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PALERMO 50% ACS 20% Totale 35% Totale 50% Totale
Superificie colle`ori solari piani [mq]
31 31 31 40
Percentuale superficie colle`ori solari -‐ superficie dell' edificio [%]
1,2 1,2 1,2 1,5
Copertura del fabbisogno energeXco [5]
50% ACS 45% Totale 45% Totale 50% Totale
Incremento di costo budge`ario [euro]
30.800,0 30.800,0 30.800,0 40.000,0
Incremento di costo/m2 [euro/m2]
11,8 11,8 11,8 15,2
Tempo di ritorno semplice [anni]
9 9 9 11
COLLETTORI SOLARI PIANI
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0 50
100 150 200 250 300 350 400 450 500
MILANO ROMA PALERMO
Are
a co
lletto
ri [m
2 ]
Copertura 50% ACS e 50% totale
0
10
20
30
40
50
MILANO ROMA PALERMO
Are
a co
lletto
ri [m
2]
Copertura 50% ACS
Varia solo l’ insolazione • Milano 40° 1430 kWh/m2 • Roma 40° 1780 kWh/m2 • Palermo 40° 1950 kWh/m2
Varia l’ insolazione e il fabbisogno energeNco
COLLETTORI SOLARI PIANI
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16 19
32
54
12 12 12
17
9 9 9 11
-
10
20
30
40
50
60
50% ACS 20% Totale 35% Totale 50% Totale
Ann
i
Tempo di ritorno semplice dell' investimento Condominio
MILANO ROMA PALERMO
COLLETTORI SOLARI PIANI
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MILANO
20% Totale 35% Totale 50% Totale Potenza nominale [kW] (te = 7°C ; t AC = 40/45 °C)
10 15 30
% RES 24,9 35,3 53,3
Incremento costo budge`ario [€]
12.000 14.000 17.000
Incremento costo/m2 [€/m2] 4,6 5,4 6,5
Tempo di ritorno semplice [anni]
5,2 3,9 3,1
POMPA DI CALORE
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ROMA
20% Totale 35% Totale 50% Totale Potenza nominale [kW] (te = 7°C ; t AC = 40/45 °C)
10 10 15
% RES 36,8 36,8 50,2
Incremento costo budge`ario [€]
12.000 12.000 14.000
Incremento costo/m2 [€/m2]
4,6 4,6 5,4
Tempo di ritorno semplice [anni]
5,8 5,8 4,4
POMPA DI CALORE
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PALERMO 20% Totale 35% Totale 50% Totale
Potenza nominale [kW]
(te = 7°C ; t AC = 40/45 °C)
10 10 16
% RES 44,9 44,9 58,3
Incremento costo budge`ario [€]
12.000 12.000 14.000
Incremento costo/m2
[€/m2] 4,6 4,6 5,4
Tempo di ritorno semplice [anni]
6,7 6,7 5,2
POMPA DI CALORE
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CONDOMINIO -‐ COPERTURA MINIMA FABBISOGNI 50% (ANNO 2017)
LOCALITA'
CALDAIA A CONDENSAZIONE COLLETTORI SOLARI POMPA DI CALORE CALDAIA A PELLETS (100%
FABBISOGNI) costo C.T. [€]
costo C.T./m2
[€/m2]
costo C.T. [€]
costo C.T./m2
[€/m2]
P.B.P [anni]
costo C.T. [€]
costo C.T./m2
[€/m2]
P.B.P [anni]
costo C.T. [€]
costo C.T./m2
[€/m2]
P.B.P [anni]
MILANO 28.000
11 468.000
179
54
29.700
11
3
90.000
34
12
ROMA 25.000
10
111.000
42
17
39.000
15
4
84.000
32
19
PALERMO 22.000
8 62.000
24
11
36.000
14
5
72.000
28
22
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CONSIDERAZIONI FINALI
• Seppur la presente analisi sia stata per il momento limitata alle casisNche più semplici (solo riscaldamento di piccole unità abitaNve si possono fare le seguenN considerazioni: ü L’ applicazione del decreto non potrà se non comportare rilevanX
ripercussioni nel sePore delle costruzioni sia in termini tecnici, sia in termini economici.
ü Le unità abitaXve più piccole sono maggiormente sfavorite dal punto di vista economico per problemi di taglia delle apparecchiature installabili
ü Il solare termico specie nel lungo periodo può essere preso in considerazione solo nel centro e sud Italia dove l’ insolazione è maggiore e dove i fabbisogni energeNci sono minori
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ü Le pompe di calore sono la soluzione più interessante, che diventa di gran lunga la soluzione base se è previsto anche il raffrescamento esNvo.
ü Sono da approfondire e diffondere le conoscenze relaNve all’ impiego dei sistemi a biomassa oggi poco note in quanto tali soluzioni impianNsNche sono poco diffuse. In parNcolare sono da approfondire gli aspeq legaN all’ inquinamento ambientale.
ü Le problemaNche relaNve al rispePo del decreto diventano sicuramente molto più complesse nel caso di edifici dotaN di impianto di condizionamento, per i quali quasi certamente si renderà necessario cercare di coprire tuPa la quota RES in inverno, essendo molto più difficile e oneroso produrre RES in estate.
CONSIDERAZIONI FINALI
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ü Per determinaN edifici molto energivori specie in regime esNvo (per es. centri commerciali, ospedali, palazzi uffici) la soluzione del problema potrebbe risultare molto molto difficile. Sarebbe pertanto interessante se si cominciassero a fare verifiche in tal senso “prima che sia troppo tardi”….
ü Vi è infine certamente l’ esigenza di definire procedure di calcolo certe e uguali per tuq, in assenza delle quali i possibili diversi modelli di simulazione adoPabili potrebbero portare a risultaN anche fortemente disomogenei, il che è incompaNbile in un ambito di rispePo legislaNvo.
CONSIDERAZIONI FINALI