- Ordine Architetti di Como

Le basi del bilancio energetico del sistema
edificio-impianto termico
Mario Butera
QUADRO GENERALE
Il Rapporto 2007 dell’IPCC (Intergovernamental Panel on Climate Change)
Secondo il Rapporto 2007 dell’IPCC la concentrazione di CO2 è passata negli ultimi 200 anni da
280 al livello record di 380 ppm nel 2006, dato che rappresenta un incremento di oltre il 35%
nonché il livello più alto degli ultimi 650 anni.
• Entro la fine del secolo le temperature potranno aumentare mediamente da 1,8°C a 4°C, con possibilità ,
nell’ipotesi più pessimistica, di un incremento fino a 6,4°C;
• l’Europa entro il 2050 potrebbe perdere buona parte dei suoi ghiacciai;
• entro il 2100 il livello delle acque si innalzerà da un minimo di 19 a un massimo di 58 centimetri;
• entro il 2100 il 30% delle specie animali e vegetali rischia l’estinzione;
• in Africa, entro il 2020, fra i 75 e i 250 milioni di persone saranno colpite da una grave penuria di acqua;
• nell’Amazzonia orientale, la foresta tropicale sarà gradualmente sostituita dalla savana;
• nel nord America aumenterà il rischio di incendi nelle foreste e si registreranno temperature torride nelle città.
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Consumo di energia imputabile al settore residenziale in Europa
(EUROSTAT 2002)
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BILANCIO ENERGETICO - Definizione
Per bilancio energetico si intende l’analisi quantitativa dei flussi di
energia all’interno di un sistema definito
Il B.E. esplica una funzione conoscitiva evidenziando “quanta” e che “tipo” di
energia è stata consumata in un dato periodo di tempo (ad esempio un anno) e
“come” essa è stata “prodotta”, “reperita” sui mercati, “trasformata” e “consumata”
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L’EDIFICIO
Per fare il bilancio energetico di un edificio bisogna ricorrere alla
fisica ed al suo linguaggio.
Il mondo reale ed il mondo fisico risultano essere per molti la stessa cosa. In
realtà il mondo fisico si discosta dal mondo reale. Esso non è che un modo
attraverso il quale si cerca di spiegare i fenomeni che ci circondano mediante
l’uso della matematica, delle sue leggi e delle sue relazioni
In particolare, una specifica branca della fisica si occupa proprio delle
trasformazioni che hanno a che fare con l’energia termica: la termodinamica.
Le sue leggi costituiscono la base di partenza per interpretare i fenomeni che ci
interessano. Le astrazioni del modello scientifico ci permetteranno di ottenere il
nostro obiettivo.
L’edificio va quindi considerato come un sistema complesso
che interagisce con l’ambiente esterno mediante flussi di
materia ed energia.
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Le principali categorie di interazione che possiamo considerare sono le
interazioni luminose, acustiche e termiche. In questi caso ci limiteremo a
studiare le interazioni termo-igrometriche che condizionano e determinano
il micro-clima all’interno dell’edificio.
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L’ENERGIA
Abbiamo affermato che attraverso un’astrazione concettuale
consideriamo l’edificio come un sistema termodinamico che scambia
massa ed energia con l’ambiente esterno. Se il concetto di massa è
sperimentalmente chiaro, come definire l’energia?
Il dizionario della lingua italiana DeVoto-Oli la definisce così: attitudine a compiere
lavoro che un corpo o un sistema possiede in conseguenza di determinate
caratteristiche, o che cede o acquista al cambiare di queste; se posseduta da
un sistema può essere dovuta al movimento (energia cinetica), alla posizione
(energia potenziale o di posizione, secondo le forze in gioco, gravitazionale, elastica,
elettrostatica, magnetostatica), all′azione fra correnti elettriche (energia mutua), al
passaggio di queste (energia elettrica), alle forze che uniscono le particelle
subatomiche (energia di legame); se ceduta o acquistata può essere legata ad
agitazione termica (energia termica o calore), a reazioni chimiche (energia chimica),
a reazioni nucleari (energia nucleare o energia atomica), a radiazioni
elettromagnetiche (energia raggiante), a suono (energia sonora)
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Nessun organismo o macchina “crea” o “consuma” energia: tutti, per
funzionare, trasformano o trasferiscono certe forme di in energia in
altre forme di energia.
Principio di conservazione dell’energia totale: in un
sistema che non scambi energia con l’esterno la quantità
totale di energia (la somma cioè delle quantità di energia
presenti nel sistema sotto diverse forme) si conserva.
Fonte primaria
Forma di energia disponibile
Processo
di
trasformazione
diretta o trasferimento di energia
Energia Chimica
Combustione e fermentazione
Energia meccanica
Variazione di energia potenziale
Calore geotermico
Energia termica
Scambio termico
Sole
Energia raggiante
Irraggiamento
Nuclei atomici
Energia nucleare
Fissione o fusione
Petrolio
Carbone
Gas naturale
Biomasse
Corsi e salti d’acqua
Maree
Vento
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UNITÀ DI MISURA
Nello studio di un fenomeno è importante saper individuare quali
siano le caratteristiche essenziali e quali invece gli aspetti
accidentali. L’informazione relativa ad un fenomeno deve risultare
completa e deve essere quantitativa.
Le grandezze fisiche sono parametri quantitativi: a ciascuna di esse si
deve assegnare un valore numerico espresso in una sua propria unità di
misura.
Il metodo scientifico è basato sulla misurazione, ovvero sul modo di
determinare il valore numerico delle grandezze di interesse
Le unità di misura sono delle grandezze fisiche prese come
campioni di riferimento ed usate per esprimere le altre grandezze
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Nel 1875 fu istituito a Parigi un Ufficio Internazionale Pesi e Misure
Nell’ottobre del 1960 la Commissione ha approvato
il Sistema Internazionale delle Unità di Misura (SI)
Il sistema SI è basato su sette grandezze fondamentali e
due grandezze supplementari ed è un sistema assoluto.
Le unità derivate sono ricavate in modo coerente dalle
unità fondamentali.
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L’energia è l’attitudine a compiere lavoro
F [N] = m · a [kg · m/s]
La forza di 1 Newton (simbolo N) è quella forza che determina
una accelerazione unitaria (1 m/s) quando è applicata a una
massa unitaria (1 kg)
L [J] = F · d [N · m]
Il lavoro fatto da una forza F per spostare di uno spazio d un oggetto
(ovvero l’energia occorrente per spostarlo) si misura in Joule (simbolo J)
Per mezzo di un esperimento Joule
determinò un valore dell'equivalente
meccanico del calore pari a 4.18 J/cal,
valore di straordinaria precisione per i tempi.
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Tabella : Unita’ di misura per l’energia e fattori di conversione
Unita di misura e
simbolo
cal
J
kWh
TEP
TEC
BTU
eV
caloria
(cal)
1
4,18
1,16. 10-6
1. 10-10
1,4. 10-10
3,97. 10-3
2,6. 1019
joule
(J)
0,239
1
2,8. 10-7
2,3. 1011
3,42. 10-11
9,5. 10-4
6,2. 1016
kilowattora
(kWh)
8,6. 105
3,6. 106
1
8,3. 10-5
1,23. 10-4
3,41. 103
2,25. 1025
Tonnellate
equivalenti di
petrolio
(TEP)
1,03. 1010
4,35. 1010
1,2. 104
1
1,49
3,97. 107
2,7. 10-27
Tonnellate
equivalenti di
carbone
(TEC)
6,95. 109
2,92. 1010
8,08. 103
0,67
1
2,7. 107
1,8. 1029
British Termal
Unit
(BTU)
2,53. 102
1,055. 103
2,93. 10–4
2,52. 10-8
3,7. 10–11
1
6,6. 1021
elettronVolt
(eV)
3,8. 10–20
1,6. 10–19
4,5. 10-26
3,7. 10–30
5,5. 10–30
1,5. 10–22
1
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Prefissi del Sistema Internazionale
•
•
•
•
•
•
•
•
•
Fattore
1018
1015
1012
109
106
103
102
101-1
Prefisso
exapetateragigamegakilohectodekadeci-
Simbolo
E
P
T
G
M
k
h
da
d
•
•
•
•
•
•
•
10-2
10-3
10-6
10-9
10-12
10-15
10-18
centimillimicronanopicofemtoatto-
c
m
m
n
p
f
a
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POTENZA ED ENERGIA
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Il sole trasforma in energia una massa
(E = m٠c2) di 4 milioni di tonnellate
(4 ٠ 109 kg) ogni secondo e irradia
nello spazio un’energia totale di
3,6 ٠ 1026 J ogni secondo
3,6 • 1026 W
Sole
Terra
Consumo normalizzato
mondiale di energia:
1,33 • 1013 W
Sulla Terra arrivano 1,72 • 1017 W
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La potenza è definita come il lavoro (L) compiuto nell'unità di tempo (t):
In base al principio di uguaglianza tra lavoro ed energia, la potenza
misura anche la quantità di energia scambiata nell'unità di tempo
All'inverso, l'energia trasformata durante un processo, si ottiene dalla potenza
sviluppata moltiplicandola per la sua durata.
Nel sistema internazionale di unità di misura la potenza si misura
coerentemente in watt (W), come rapporto tra unità di energia in Joule (J)
e unità di tempo in secondi (s):
W = J/s
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Il Sole trasforma in energia una massa (E = mּc2) di 4 milioni di
tonnellate = 4 • 109 kg ogni secondo ed irradia nello spazio
un’energia totale di 3,6 • 1026 J ogni secondo
Una grande centrale elettrica può produrre circa 109 J/s (1000 MW)
Su ogni m2 della superficie terrestre incide un’energia solare
media di 600 J/s, equivalente a circa 107 J al giorno
Un essere umano, per sopravvivere, ha bisogno di 2000-2500
kcal/giorno (2300-2900 Wh; cioè circa 8-10 MJ) sotto forma di cibo
ingerito
100 g di zucchero forniscono un’energia di circa 2 • 106 J
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L'energia può essere suddivisa in categorie in base all'ordine della sua utilizzazione.
Per energia primaria s'intende il potenziale energetico presentato dai vettori
energetici nella loro forma naturale, ad esempio il petrolio, il gas naturale, il
carbone, l'uranio naturale, l'acqua e altre fonti energetiche rinnovabili.
L'energia secondaria è energia ricavata da energia primaria attraverso un
processo di trasformazione e con una perdita di energia (ad esempio coke,
mattonelle di carbone e catrame, elettricità, calore a distanza, idrogeno, olio
combustibile o benzina).
L'energia finale è la forma di energia utilizzata direttamente dai consumatori,
ad esempio l'olio combustibile o la benzina nel serbatoio, il gas naturale dalla
condotta, l'elettricità dall'azienda elettrica, gli agglomerati di legno, il calore a
distanza, ecc.
L'energia fornita al consumatore è energia finale trasformata in energia utile
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IL CALORE
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Come detto per effettuare un bilancio energetico di un edificio valuteremo
principalmente flussi di energia termica, ci occuperemo cioè della forma di energia
usualmente chiamata calore.
Il calore è una forma di energia trasferita da un corpo (o da un
sistema) ad un altro a temperatura differente.
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Principali grandezze che definiscono quantità di calore:
calore specifico [ J / kg · K]: quantità di calore da fornire all’unità di massa
di un corpo per variare di 1°C la sua temperatura Q = m c (Tf – Ti)
Il prodotto tra calore specifico di un corpo e massa del corpo stesso prende
il nome di capacità termica del corpo Q = C (Tf – Ti)
calore latente: quantità di calore da fornire all’unità di massa di un corpo
dall’inizio alla fine di un suo passaggio di stato (fusione,
evaporazione/ebollizione, sublimazione)
calore di reazione: quantità di calore sviluppata o assorbita durante una
reazione chimica. Esso ha un valore diverso se misurato a pressione
costante o a volume costante. Un caso particolare è il calore di
combustione, che è la quantità di calore sviluppata dalla combustione
completa dell’unità di massa di una sostanza
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Il processo mediante il quale avviene lo scambio di energia è noto come
trasmissione del calore.
Come già accennato, la branca della scienza che si occupa delle
relazioni tra il calore e le altre forme di energia è la termodinamica
il primo principio della termodinamica afferma sostanzialmente che
l’energia non può essere creata né distrutta, ma solo trasformata da
una forma all’altra ∆U = Q - L
Questo principio governa quantitativamente ogni trasformazione di energia, ma non pone
alcuna restrizione al verso della trasformazione
il secondo principio della termodinamica afferma invece che non è
possibile alcuna trasformazione il cui unico risultato sia il passaggio di
calore da una regione a temperatura minore verso una regione a
temperatura maggiore
Tutti i processi di trasmissione del calore comportano lo scambio e la conversione di
energia e devono quindi obbedire al primo ed al secondo principio della termodinamica
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REGIME STAZIONARIO
Nella soluzione di problemi di trasmissione del calore, non basta
individuare i meccanismi di scambio termico in gioco, ma è anche
necessario stabilire se il processo avviene o meno in regime stazionario
(detto anche regime permanente)
Si parla di regime stazionario quando la potenza termica in un
sistema non varia nel tempo e la temperatura in ciascun punto non
cambia. In qualsiasi punto del sistema, la potenza termica entrante è
pari esattamente a quella uscente e non si ha alcuna variazione
dell’energia interna.
Quando, invece, la temperatura in qualche punto varia nel tempo, allora
si dice che la trasmissione del calore nel sistema avviene in condizioni
di regime non stazionario (detto anche regime transitorio): poiché una
variazione di temperatura sta ad indicare una variazione di energia
interna, è evidente che l’accumulo di energia è tipico del flusso non
stazionario.
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LA TRASMISSIONE DEL CALORE
Il calore può fluire da un corpo ad un altro secondo tre
meccanismi
CONDUZIONE
L’energia termica si propaga per contatto attraverso un
mezzo solido, liquido o gassoso
CONVENZIONE
Un fluido interposto tra i corpi si mette in moto e trasporta
energia trai corpi stessi
IRRAGGIAMENTO
Il calore viene emesso o assorbito sotto forma di radiazione
elettromagnetica
E’ bene sottolineare che, nella maggior parte dei fenomeni naturali, il calore fluisce
secondo più meccanismi contemporaneamente.
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CONDUZIONE
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La "conducibilità" o "conduttività termica",
indicata con λ, è la quantità di calore
trasferito in una direzione perpendicolare ad
una superficie di area unitaria, a causa di un
gradiente di temperatura, nell'unità di tempo
e in condizioni stabili. [W / m · K]
In termini semplici, è l'attitudine di una
sostanza a trasmettere il calore.
Φ = Q/t
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Parete Monostrato
Parete Multistrato
s2, λ2
s3, λ3
t1
t2
s1, λ1
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CONVEZIONE
Si ha quando un fluido (come l'acqua o l'aria) entra in contatto con un corpo
la cui temperatura è maggiore di quella del fluido stesso.
La convezione non è rigorosamente conforme alla definizione di scambio termico, in quanto
essa dipende anche dal trasporto di materia.
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Φ = hc S (tp – ta)
Dove hc rappresenta il
coefficiente di scambio
convettivo in W / m2 · K
tp
ta
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IRRAGGIAMENTO
L'irraggiamento è un fenomeno che si presenta ad ogni temperatura e
interessa ogni aggregato materiale, non importa se solido, liquido o
gassoso.
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La quantità di calore emessa da un corpo per irraggiamento è
proporzionale a T4, cioè alla quarta potenza della sua temperatura
A basse temperature l'irraggiamento è responsabile di una frazione
trascurabile del flusso di calore rispetto alla convezione e alla conduzione,
ma al crescere della temperatura la sua importanza aumenta rapidamente
fino a diventare il principale artefice della trasmissione del calore per
temperature medio-alte.
Φ = ε · σ · S · T4
Dove ε rappresenta il coefficiente di
emissione o emissività ed è una misura
della capacità di un materiale di irraggiare
energia e σ è la costante di Boltzmann che
vale 5,7 x 10-8 [W / m2 K4]
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TRASMITTANZA
Nei casi correnti è possibile unificare le tre forme di propagazione del
calore derivando un’unica espressione
regime stazionario (flusso di calore costante nel tempo)
parete piana di estensione infinita
materiale componente perfettamente omogeneo ed isotropo
le due facce esterne della parete sono considerate come superfici isoterme
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La trasmittanza U (o K) si definisce come il flusso di calore che attraversa
una superficie unitaria sottoposta a differenza di temperatura pari ad 1°C ed
è legata alle caratteristiche del materiale che costituisce la struttura e alle
condizioni di scambio termico liminare e si assume pari all’inverso della
sommatoria delle resistenze termiche degli strati
S
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Data una generica parete
edilizia multistrato il flusso
termico che attraversa la
parete in condizioni
stazionarie è proporzionale
alla differenza di temperatura
fra i due ambienti ed alla
superficie della parete stessa
IL BILANCIO ENERGETICO di un EDIFICIO
Negli edifici vi è una domanda di servizi, non di energia
La scelta della fonte energetica per soddisfare una certa esigenza è
funzione del costo dell’energia, della disponibilità e dell’innovazione
tecnologica, e da qualche anno anche dell’impatto sull’ambiente
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FABBISOGNO DI CALORE DELL’EDIFICIO
Nel calcolo dei consumi energetici si prendono in considerazione anche
gli apporti gratuiti
Gli apporti gratuiti però non vengono utilizzati completamente ma vanno
ridotti
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ENERGIA DISPERSA durante la stagione di
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riscaldamento
Temperatura
media esterna
Trasmittanza
Fattore correttivo
H = coefficiente di dispersione termica [W/K]
GG = gradi giorno [K]
t = durata stagione di riscaldamento in giorni
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APPORTI di CALORE durante la stagione di
riscaldamento
Apporti solari QS = Σ [IS · AS · (FS · FC · FF) · g]
IS = Radiazione solare incidente per unità di superficie [kWh/m2]
AS = Area lorda del serramento [m2]
FS, FC, FF = Coefficienti correttivi (ombreggiamenti, tendaggi, telaio)
g = fattore solare del vetro
Apporti interni QI = a · AU
a = Apporti interni per unità di superficie di pavimento [kWh/m2]
AU = Superficie utile di pavimento [m2]
Coefficiente di utilizzazione degli apporti ηU
Aumenta al diminuire del rapporto tra apporti e dispersioni (QG / QL)
Aumenta all’aumentare della capacità termica dell’edificio
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IMPIANTO TERMICO
L’impianto può essere schematizzato mediante quattro sub-sistemi
1) SISTEMA DI PRODUZIONE
2) SISTEMA DI DISTRIBUZIONE
3) SISTEMA DI EMISSIONE
4) SISTEMA DI REGOLAZIONE
Ognuno di questi sistemi avrà delle perdite e quindi dei rendimenti
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RENDIMENTI DI IMPIANTO
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IL PROGETTO DELL’IMPIANTO TERMICO
Bilancio di potenze termiche [W]
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Potenze disperse in condizioni di progetto [W]
Ti = temperatura dell’aria interna = 20 °C
Te = temperatura dell’aria esterna di progetto
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IL BILANCIO ENERGETICO SECONDO LA
UNI EN ISO 13790
Il bilancio di energia viene definito includendo le seguenti quantità
(si considera solo il calore sensibile)
- dispersione termica per trasmissione e ventilazione
dall’ambiente riscaldato verso l’ambiente esterno;
- scambio termico per trasmissione e ventilazione tra zone adiacenti;
- apporti termici interni;
- apporti solari;
- perdite di generazione, distribuzione, emissione e
regolazione dell’impianto di riscaldamento;
- energia assorbita dall’impianto di riscaldamento.
Il bilancio di energia può anche considerare l’energia recuperata da sorgenti varie.
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TERMINI PRINCIPALI DEL B.E.
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PROCEDIMENTO DI CALCOLO
Definire i confini dell’ambiente riscaldato e, se appropriato, delle differenti
zone ed ambienti non riscaldati
Nel caso di riscaldamento intermittente o ventilazione intermittente,
definire, all’interno del periodo di calcolo, i periodi aventi modalità differenti
di riscaldamento e ventilazione
Per una zona termica singola o per un calcolo multi-zona, calcolare il
coefficiente di dispersione termica dell’ambiente riscaldato
Per il calcolo stagionale, definire o calcolare la durata e i dati climatici della
stagione di riscaldamento
Per ciascun periodo di calcolo (mese o stagione di riscaldamento):
calcolare la temperatura interna corretta per ciascun periodo
calcolare la dispersione termica, QL
calcolare gli apporti termici interni, Qi
calcolare gli apporti solari, Qs
calcolare il fattore di utilizzazione degli apporti termici, η
calcolare il fabbisogno termico, Qh, per tutti i periodi di calcolo
calcolare il fabbisogno termico annuale, Qh
calcolare il fabbisogno di energia per il riscaldamento, tenendo in considerazione
le perdite dell’impianto di riscaldamento
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CONCLUSIONI
Lo scopo del sistema edificio-impianto è il comfort
Il risparmio energetico non deve essere perseguito a
scapito del comfort
Un edificio può avere un alto consumo energetico,
ma una scarsa qualità ambientale
Il comfort non è garantito soltanto dalle condizioni
termo-igrometriche, ma anche dalla qualità dell’aria,
dell’ambiente interno, dell’illuminazione e dalla
protezione dai rumori
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L’AMBIENTE ESTERNO e L’EDIFICIO
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L’evoluzione dell’architettura è stata condizionata dall’esigenza
primaria di consentire la vita dell’uomo all’interno dell’edificio
Un architetto non può prescindere dal considerare l’edificio come un
sistema vitale nel quale si sommano effetti fisici determinati
dall’interazione dello stesso edificio con l’ambiente esterno
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