Efficienza degli impianti termici

Ing. Laurent SOCAL
Efficienza degli impianti termici
Modellizzazione di sistemi impiantistici
Analisi sottosistemi e rendimenti impiantistici
Procedura UNI/TS 11300
1
31/01/2011
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I servizi da fornire
SERVIZI CONSIDERATI DALLA DIRETTIVA
Riscaldamento
Acqua calda sanitaria
Ricambio d’aria
Condizionamento
Illuminazione
ALTRI SERVIZI NON COMPRESI
Ascensori
Cancelli automatici
…
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2
1
Procedura generale di calcolo
Definizione del servizio …20°C …26°C …X l/gg m²
Calcolo del fabbisogno dell’involucro (energia)
+ Dispersioni, consumo, carichi… (intrinseci nel servizio)
- Apporti “gratuiti” (non vengono dall’impianto)
= Fabbisogno di energia utile = energia che deve essere fornita dall’impianto
Analisi dell’impianto per sottosistemi
Somma delle perdite dei sottosistemi
– Somma dei fabbisogni di energia ausiliaria
… per emissione, regolazione, distribuzione, accumulo, ESCLUSO GENERAZIONE
–
Distribuzione del carico fra i generatori disponibili (priorità…)
Calcolo dei generatori: fabbisogno di energia per vettore energetico
Combustibile, energia elettrica, biomassa, calore da teleriscaldamento…
Somma pesata dell’energia entrante (fattori di conversione in energia primaria),
rapporto ai m² ed espressione del risultato finale.
Ripetere il calcolo mese per mese e sommare i risultati
Complicazioni: sistemi con più sistemi di generazione e/o utenze, interazioni fra impianti
per servizi diversi…
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3
3
Il fabbisogno di energia utile
Energia teorica richiesta
dall’involucro edilizio per
ottenere il servizio desiderato
Dipende da:
– qualità dell’involucro edilizio
– esigenze di servizio
Ci possono essere
dispersioni ed apporti gratuiti
Non dipende dagli impianti
Espresso in kWh/m² di energia utile
(Casaclima)
QH
L’INVOLUCRO EDILIZIO E’ CARATTERIZZATO DAL SUO
FABBISOGNO DI ENERGIA UTILE QH
RIFERITO AD UN SERVIZIO STANDARDIZZATO
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4
2
I sottosistemi dell’impianto di riscaldamento
Generazione:
Conversione del vettore energetico
Accumulo:
Disaccoppiamento temporale
di generazione ed utilizzo del calore
Distribuzione:
Trasporto del calore nell’edificio
ENERGIA
Emissione:
Trasferimento del calore in ambiente
Regolazione:
Decidere quando, dove e quanto calore emettere in ambiente
Non ha nulla a che vedere con la regolazione del generatore
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5
L’effetto dell’impianto
dell’impianto
Compito: fornire l’energia utile richiesta dall’involucro
Costo: richiede il consumo di
energia sotto forma di
vettori energetici
(combustibile ed elettricità)
UN IMPIANTO E’ CARATTERIZZATO
DAL SUO RENDIMENTO η:
RAPPORTO FRA
ENERGIA UTILE FORNITA E
ENERGIA CONSUMATA
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ENERGIA
6
3
La prestazione energetica
La prestazione energetica di
un sistema edificio/impianto
è data dall’energia primaria
richiesta all’ingresso
dell’impianto per la fornitura
del servizio standard
Si misura in kWh/m²
di energia primaria
PRESTAZIONE
ENERGETICA
EP
UN SISTEMA EDIFICIO/IMPIANTO È CARATTERIZZATO
DALLA SUA “PRESTAZIONE ENERGETICA” EP,
CIOÈ FABBISOGNO DI ENERGIA PRIMARIA
ALL’INGRESSO DEL SISTEMA EDIFICIO/IMPIANTO
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7
Fonti e vettori energetici
Fonte energetica: “pozzo” dal quale
si può prelevare energia
– Non rinnovabili: petrolio, gas naturale, carbone
– Rinnovabili: energia idrica (bacini idroelettrici),
sole, vento, geotermia (Larderello)
Vettore energetico: forma nella quale
l’energia viene trasportata
– Combustibili commerciali, idrogeno,
calore (temperatura ?)
– Energia elettrica (rete)
– Energia radiante (sole)
Criteri di valutazione di fonti e vettori energetici
– Disponibilità (c’è quando serve)
– Emissioni inquinanti (locali ed alla produzione)
– Costo unitario
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8
4
L’ENERGIA PRIMARIA
L‘impianto consuma vettori energetici…
– Secondo il primo principio della termodinamica (portafoglio)
…. tutte le energie sembrano uguali …
– In realtà, non tutti i vettori energetici sono uguali
(secondo principio della termodinamica)
MEGLIO 1 LITRO DI ACQUA A 100 °C O 80 LITRI A 21 °C ???
Per confrontarli si fa riferimento al loro contenuto di
“energia primaria”
Riferimento italiano per l’energia primaria:
combustibile fossile disponibile all’impianto
– Energia elettrica: 2,17
– Combustibile fossili: 1
– Biomasse: 0 (?)
– Fonti rinnovabili: 0
– Teleriscaldamento 0 … 2,5 (dipende dall’origine del calore)
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Concetto di energia primaria
1 kWh
VETTORI
ENERGETICI
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1 kWh
FONTE
10
5
Prestazione energetica
ENERGIA PRIMARIA
EP = ∑ Qdel,i ⋅ f p,i
i
FATTORE DI CONVERSIONE
IN ENERGIA PRIMARIA
ENERGIA CONSEGNATA kWh
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11
Prestazione energetica
200 kWh elettrici x 2,17
energia primaria 434 kWh
1000 m³ di metano x 9,6 kWh m³
9600 kWh di metano
9600 kWh metano x 1,00
energia primaria 9600 kWh
-----------------------------------------------------Energia primaria totale 10034 kWh
Superficie utile: 80 m²
10034 kWh / 80 m² 125 kWh/m²
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12
6
L’effetto dell’impianto
Compito: fornire l’energia utile richiesta dall’involucro
Costo: richiede il consumo di
energia sotto forma di
vettori energetici
(combustibile ed elettricità)
QH
UN IMPIANTO E’ CARATTERIZZATO
DAL SUO RENDIMENTO η:
RAPPORTO FRA
Qh ENERGIA UTILE FORNITA E
Ep ENERGIA PRIMARIA CONSUMATA
EP
QH
η=
EP
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13
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Consumo energetico
L‘impianto consuma vettori energetici…
Riferimento italiano per l’energia primaria:
combustibile fossile disponibile all’impianto
Fattori di conversione in energia primaria
Italia
Lombardia
Gas, gasolio, GPL
1,00
1,00
Energia elettrica
2,174
2,18
Teleriscaldamento
Fornitore
Fornitore
1,20 (*)
Legna, biomassa
0,00
0,50
RSU
0,50
Fonti rinnovabili, solare termico
0,00
0,00
(*) In assenza di dati dal fornitore
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7
Emissione di CO2
L‘impianto consuma vettori energetici…
Ogni vettore energetico, per essere prodotto, provoca l’emissione di un certo
quantitativo di CO2 per ogni kWh
Fattore di emissione per ciascun vettore energetico manca nella legislazione nazionale
Esempio teorico:
1 Stm³CH4
1 Stm³CO2 1,96 kgCO2
9,6 kWh
1,96 kg/CO2 0,204 kgCO2/kWh
Riferimento italiano per i fattori di emissione:
Coefficienti utilizzati per l’inventario delle emissioni UNFCCC
(applicazione delle Direttiva Emission Trading)
–
–
–
–
–
Fattore di conversione dei vettori energetici espressi in kgCO2/kWh
Gas naturale
0,201
GPL
0,236
Gasolio
0,255
Olio combustibile
0,277
Biomasse
0
Fonti rinnovabili
0
Energia elettrica
Lombardia 0,433, Piemonte 0,470…
Teleriscaldamento
Dipende dalla fonte…
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EDIFICIO O IMPIANTO?
PRESTAZIONE ENERGETICA
=
PRESTAZIONE DELL’EDIFICIO
(ENERGIA UTILE RICHIESTA)
X
PRESTAZIONE DELL’IMPIANTO
(FATTORE DI SPRECO MEDIO STAGIONALE = 1/η)
1
E P = Q h ⋅  
η
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16
8
Come sprecare
Casa passiva
Qh = 25 kWh/m²
↓↓↓↓
Riscaldamento
elettrico diretto
…tanto è
pochissima energia…
↓↓↓↓
Ep = 60 kWh/m²
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Condominio
esistente
Ep = 150 kWh/m²
↓↓↓↓
Cambio le finestre, cappotto
in assenza di sistema di
regolazione
↓↓↓↓
Ep = 150 kWh/m²
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Dispersioni per ventilazione
Coefficiente di scambio equivalente HV [W/K]
.
3
ρ
⋅
c
=
0
,
34
Wh
/
m
⋅K
a
a
H = ρ ⋅ c ⋅V
V
a
a
Le perdite per ventilazione sono calcolate
nel residenziale, con 0,3 ricambi/ora riferiti al volume netto
non residenziale: come da norma UNI 10339 con indici di affollamento pari al
60% di quanto riportato nella norma stessa
(la UNI 10339 rappresenta una condizione di progetto, non media)
Ventilazione meccanica: portata di progetto (x 0,6 se igroregolata)
Ventilazione doppio flusso: si tiene conto del recuperatore
Stanza 4x4 V = 4m x 4m x 2,7m = 43 m³ V’ = 43 m³ x 0,3 h-1 = 13 m³/h
Hv = 13 m³/h x 0,34 Wh·m³/K = 4,4 W/K equivalenti a 11 m² di parete a 0,4 W/m² K
0,3 h-1 x 43 m³ x 2400 °C gg x 24 h/gg x 0,34 Wh/m³·K / 16 m² = 17,6 kWh/ m²
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9
Costo energia elettrica
Energia elettrica: prendi uno, paghi due!
100 W continui 0,1 kW
Durata stagione di riscaldamento:
180 gg x 24 h =
4320 h
Energia elettrica stagionale:
4320 h x 0,1 kW = 432 kWh
Energia primaria stagionale:
432 kWh x 2,17 =
940 kWh
Incidenza su prestazione energetica
940 kWh / 100 m² = 9,4 kWh/m²
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Flusso di calcolo
Fabbisogno
edificio
⇓
Perdite impianto
⇓
Fabbisogno
energia primaria
Flusso di energia
Ambiente
⇑
Edificio
⇑
Impianto
⇑
Combustibile
Energia elettrica
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31/01/2011
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Ing. SOCAL - Rendimenti impianti
20
20
10
Procedura di calcolo per gli impianti di riscaldamento
Fabbisogno di calore dell’edificio (involucro) EN 13790
Qh
UNI-TS
11300-1
+ Dispersioni dell’edificio
- Apporti (sole, illuminazione, metabolismo, apparecchiature)
Correzione del fabbisogno per recuperi perdite, contabilizzazione
Perdite dell’impianto (UNI-TS 11300-2 – EN15316) ed energia ausiliaria
– Perdite di emissione
–
–
–
–
EN 15316-2-1
Perdite di regolazione
EN 15316-2-1
Perdite di distribuzione
EN 15316-2-3
Eventuali perdite di accumulo (sistemi solari …)
Perdite di generazione
EN 15316-4-X (Caso dei sistemi multipli)
Fabbisogno di combustibile ed energia elettrica Qc, Qe (+ altri…)
Conversione in energia primaria EN 15603 o emissione CO2
Espressione del risultato finale
…con indicatori specifici per ogni passo del procedimento
PROCEDIMENTO ANALOGO ANCHE PER GLI ALTRI SERVIZI
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UNI-TS 11300-2
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I sottosistemi dell’impianto dell’acqua calda sanitaria
ENERGIA
ELETTRICA
T
40°C
RICIRCOLO
DISTRIB.
FINALE
DISTRIBUZIONE
COMBUSTIBILE
EROGAZIONE
Energia
primaria
GENERAZIONE
ACCUMULO
DISTRIBUZIONE
PRIMARIA
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Ing. SOCAL - Rendimenti impianti
FABBISOGNO DI
ENERGIA UTILE
22
11
Procedura di calcolo per l’acqua calda sanitaria
Fabbisogno di calore per la produzione di acqua calda
sanitaria (EN 15316-3-1)
residenziale
Superficie utile
non residenziale Unità di riferimento e fattore di occupazione
– Temperatura dell’acqua fredda sanitaria
Rendimento e perdite dell’impianto
–
–
–
–
Perdite di erogazione
Perdite di distribuzione
Perdite di accumulo
Perdite di generazione
(EN 15316-3-2)
(EN 15316-3-2)
(EN 15316-3-2)
(EN 15316-3-3)
UNI-TS 11300-2
– Tipologia di utenza
Fabbisogno di combustibile ed energia elettrica
Fabbisogno di energia primaria ed emissione CO2
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Metodo di calcolo dell’impianto
Principio di calcolo: somma delle perdite (EN 15316-1)
Partendo dai fabbisogni di energia utile, per ogni sottosistema (EN 15316-X-X):
– calcolare le perdite totali e le perdite recuperabili
– calcolare i fabbisogni di energia ausiliaria e l’en. aux recuperata
– eseguire il bilancio del sottosistema: out + perdite – aux. recuperata = input
fino a risalire ai consumi di energia termica ed elettrica
Per ogni sottosistema vengono proposti più metodi
– Metodi analitici
Il calcolo delle prestazioni è effettuato in base a dati descrittivi delle
condizioni di marcia dell’impianto
es: rendimento di generazione
– Metodi tabellari:
le prestazioni del sottosistema vengono fornite come coefficienti fissi in base
alle sue caratteristiche descrittive
es: rendimento di emissione, fattori di perdita, …
Alla fine si convertono i consumi in energia primaria (EN 15603)
I rendimenti vengono usati solo per scopi informativi
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Ing. SOCAL - Rendimenti impianti
24
12
Dettaglio di un sottosistema
Energia ausiliaria
totale e recuperata
Bilancio generale
Qin = Qout + Ql − k ⋅We
Perdite totali
e recuperabili
(per riscaldamento)
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Dettaglio di un sottosistema
DATO INIZIALE: Qout
DATI FINALI: Qin, Ql, Ql,rec, W
Formule semplificate (per metodi tabellari)
Qout
Rendimento
Qin =
Fattore di spreco
Qin = a ⋅ Qout
η
 1
 1− f
Fattore di perdita Qin = Qout + f ⋅ Qin = Qout ⋅ 
Fattore elettrico
…..



We = k ⋅ Qout
Bilancio generale
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Qin = Qout + Ql − kel ⋅ We
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26
13
Schema con calcolo esplicito del recupero delle perdite
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Calcolo esplicito delle perdite recuperate
Perdite recuperate, metodo proposto (EN 15603)
Sommare le perdite recuperate ai guadagni
Ricalcolare il fattore di utilizzazione dei guadagni
Ricalcolare Qh
Ricalcolare le perdite del sistema di riscaldamento
E’ sufficiente 1 max 2 iterazioni
Limiti del metodo:
–
–
–
–
– Le perdite non sono casuali ma ci sono quando l’impianto sta funzionando
maggiore probabilità di recupero
– Le perdite vengono recuperate solo se c’è un dispositivo di regolazione in
grado di interrompere l’erogazione del calore minore probabilità di
recupero
– La ricuperabilità delle perdite dipende dalla loro localizzazione. Fare una
somma unica è un’approssimazione.
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Ing. SOCAL - Rendimenti impianti
28
14
Metodo semplificato perdite recuperabili
UNI-TS 11300 e DGR
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29
Scelta del metodo di calcolo
Metodi
semplificati tabellari:
– ammessi quando sono soddisfatte TUTTE le
condizioni al contorno esplicitate
Metodo
dettagliato
– utilizzabile sempre
– utilizzato per calcolare i valori da riportare nelle
tabelle dei metodi semplificati specificando le
condizioni al contorno
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Ing. SOCAL - Rendimenti impianti
30
15
Lo snodo fra distribuzione e generazione
Fino ad oggi: si considerava un solo sistema di generazione
Ora possono essere disponibili più sistemi di generazione.
Occorre risolvere la questione caso per caso, distribuendo il carico fra i
vari generatori nei vari periodi
–
Nella norma EN ci sono metodologie solo per alcuni casi particolari: ad esempio, nelle
pompe di calore si calcola l’energia richiesta al generatore di supporto (back-up heater)
Prima si considerano i generatori con potenza limitata per ragioni
–
–
costruttive o fisiche (solare, pompe di calore)
di convenienza economica (cogenerazione)
Il saldo si attribuisce ai sistemi che fanno da back-up (caldaie)
Procedura:
– Determinare i fabbisogni totali
– Determinare la produzione sistemi preferenziali
– Calcolare il saldo per i sistemi di integrazione
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ΣQHW,dis
QW,gen,sol,out
QHW,gen,out
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Fabbisogno a.c.s.
QW
500 kWh
Fabbisogno zona 1
QH,Z1
1.000 kWh
Fabbisogno zona 2
QH,Z2
2.000 kWh
Erogazione
Qer,ls,W
25 kWh
Emissione
Qem,ls,Z1
40 kWh
Emissione
Qem,ls,Z2
120 kWh
Qer,in,W
Qem,in,Z1
Qem,in,Z2
525 kWh
1.040 kWh
Regolazione
Qctr,ls,Z1
146 kWh
Qctr,in,Z1
1.186 kWh
Regolazione
Qctr,ls,Z2
85 kWh
Qctr,in,Z2
2.205 kWh
Accumulo
Qacc,ls,W
400 kWh
Distribuzione
Qdis,ls,Z1
150 kWh
Distribuzione
Qdis,ls,Z2
110 kWh
Qacc,in,W
Qdis,in,Z1
Qdis,in,Z2
Caldaia
η
66,9%
2.315 kWh
Vettori energetici
Qgen,sol,out
520 kWh
Qgen,sol,out
4.108 kWh
Tipo
Totale
Fattore
conv.
Pannelli solari
1.336 kWh
3.500 kWh
2.120 kWh
Distribuzione
Qctr,ls,W
53 kWh
Qctr,in,W
578 kWh
978 kWh
Energia
utile
Egen,sol,in
20 kWh
Egen,cmb,in
164 kWh
Elettricità
184 kWh
2,17
400 kWh
Qgen,cmb,in
4.833 kWh
Combustibile
4.833 kWh
1,0
4.833 kWh
Rinnovabile
1.196 kWh
0,0
0 kWh
Qgen,sol,in
1.196 kWh
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Ing. SOCAL - Rendimenti impianti
Energia primaria
5.233 kWh
32
16
ENERGIA PRODOTTA
Fabbisogno a.c.s.
QW
500 kWh
Fabbisogno zona 1
QH,Z1
1.000 kWh
Fabbisogno zona 2
QH,Z2
2.000 kWh
Erogazione
Qer,ls,W
25 kWh
Qer,in,W
525 kWh
Emissione
Qem,ls,Z1
40 kWh
Qem,in,Z1
1.040 kWh
Emissione
Qem,ls,Z2
120 kWh
Qem,in,Z2
2.120 kWh
Distribuzione
Regolazione
Qctr,ls,Z1
53Fabbisogno
kWh
146
kWh
zona
2
Energia
utile
578 Q
kWh
Q
1.186
kWh
2.000
kWh
H,Z2
ctr,in,Z1
Regolazione
Qctr,ls,Z2
85 kWh
3.500 kWh
Qctr,in,Z2
2.205 kWh
Energia
utile
3.500 kWh
η
66,9%
520 kWh – 2,17 x 20 kWh =
= 476,6 kWh
fsol = 0,53
Fabbisogno a.c.s.
QW
500 kWh
Qctr,ls,W
Fabbisogno zona
1
QH,Z1
1.000QkWh
ctr,in,W
Erogazione
Qer,ls,W
25 kWh
Emissione
Emissione
Accumulo
Distribuzione
Qem,ls,Z1
40 Q
kWh
120 kWh
Qdis,ls,Z1
em,ls,Z2
400QkWh
150 kWh
acc,ls,W
Distribuzione
Qdis,ls,Z2
110 kWh
Q er,in,W
Qem,in,Z1
Qdis,in,Z2
Distribuzione
Qctr,ls,W
53 kWh
Qctr,in,W
578 kWh
1.040QkWh
acc,in,W
2.120 Q
kWh
dis,in,Z1
1.336 kWh
Regolazione
Regolazione
Qctr,ls,Z1
Q ctr,ls,Z2
146 kWh
85 kWh Caldaia
Pannelli solari
Qctr,in,Z1
Qctr,in,Z2
1.186
kWh
2.205
Qgen,sol,out
QkWh
520 kWh
4.108 kWh
gen,sol,out
Egen,sol,in
Distribuzione
Qdis,ls,Z1
150QkWh
gen,sol,in
Qacc,in,W
Qdis,in,Z1
1.336 kWh
Egen,cmb,in
20 kWh
Qgen,cmb,in
Distribuzione
1.196
Qdis,ls,Z2
kWh
110 kWh
Qdis,in,Z2
2.315 kWh
Vettori energetici
59,9%
η
Accumulo
Qacc,ls,W
400 kWh
978 kWh
em,in,Z2
978QkWh
Tipo
Totale
Fattore
conv.
525 kWh
Energia primaria
164 kWh
Elettricità
184 kWh
2,17
400 kWh
4.833 kWh
Combustibile
4.833 kWh
1,0
4.833 kWh
Rinnovabile
1.196 kWh
0,0
0 kWh
5.233 kWh
2.315 kWh
COPERTURA ENERGIA
PRIMARIA
Caldaia
Qgen,sol,out
0 kWh
Egen,sol,in
0 kWh
Qgen,sol,in
Qgen,sol,out
Vettori energetici
4.628 kWh
Tipo
Totale
Fattore
conv.
Pannelli solari
Egen,cmb,in
185 kWh
Elettricità
185 kWh
2,17
402 kWh
Qgen,cmb,in
5.445 kWh
Combustibile
5.445 kWh
1,0
5.445 kWh
Rinnovabile
0 kWh
0,0
0 kWh
0 kWh
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Copertura 49,7%
33
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Fabbisogno zona 1
QH,Z1
1.000 kWh
Fabbisogno zona 2
QH,Z2
2.000 kWh
Erogazione
Qer,ls,W
25 kWh
Emissione
Qem,ls,Z1
40 kWh
Emissione
Qem,ls,Z2
120 kWh
Qer,in,W
Qem,in,Z1
Qem,in,Z2
1.040 kWh
Regolazione
Qctr,ls,Z1
146 kWh
Qctr,in,Z1
1.186 kWh
Regolazione
Qctr,ls,Z2
85 kWh
Qctr,in,Z2
2.205 kWh
Accumulo
Qacc,ls,W
400 kWh
Distribuzione
Qdis,ls,Z1
150 kWh
Distribuzione
Qdis,ls,Z2
110 kWh
Qacc,in,W
Qdis,in,Z1
Qdis,in,Z2
3.500 kWh
η
Qgen,cmb,out
1.228 kWh
Qgen,hp,out
3.400 kWh
Tipo
Totale
Egen,cmb,in
37 kWh
Egen,hp,in
971 kWh
Elettricità
1.008 kWh
2,5
2.521 kWh
Qgen,cmb,in
1.445 kWh
Combustibile
1.445 kWh
1,0
1.445 kWh
Rinnovabile
2.429 kWh
0,0
0 kWh
Caldaia
Pompa di calore
Qgen,hp,in
31/01/2011
Ing. SOCAL - Rendimenti impianti
2.429 kWh
Vettori energetici
Ing. SOCAL - Rendimenti impianti
88,3%
2.315 kWh
Fattore
conv.
1.336 kWh
Energia utile
2.120 kWh
Distribuzione
Qctr,ls,W
53 kWh
Qctr,in,W
578 kWh
978 kWh
(1235 = 5847 x 978 / 4628)
5.847 kWh
Fabbisogno a.c.s.
QW
500 kWh
525 kWh
5847– 5233 = 614 kWh
A.c.s. senza rinn. 1235 kWh
Energia primaria
Energia primaria
3.966 kWh
34
17
Fabbisogno a.c.s.
QW
500 kWh
Fabbisogno zona 1
QH,Z1
1.000 kWh
Fabbisogno zona 2
QH,Z2
2.000 kWh
Erogazione
Qer,ls,W
25 kWh
Emissione
Qem,ls,Z1
40 kWh
Emissione
Qem,ls,Z2
120 kWh
Qer,in,W
Qem,in,Z1
Qem,in,Z2
525 kWh
1.040 kWh
2.120 kWh
Distribuzione
Qctr,ls,W
53 kWh
Regolazione
Qctr,ls,Z1
146 kWh
Regolazione
Qctr,ls,Z2
85 kWh
Qctr,in,W
Qctr,in,Z1
Qctr,in,Z2
578 kWh
1.186 kWh
Distribuzione
Qdis,ls,Z1
150 kWh
Distribuzione
Qdis,ls,Z2
110 kWh
Qacc,in,W
Qdis,in,Z1
Qdis,in,Z2
Qgen,hp,out
4.628 kWh
Tipo
Totale
Eel,in
80 kWh
Elettricità
80 kWh
2,5
200 kWh
Egen,dh,in
4.723 kWh
Calore da rete
4.723 kWh
0,90
4.250 kWh
Rinnovabile
0 kWh
0,0
0 kWh
Teleriscaldamento
31/01/2011
78,6%
2.315 kWh
Fattore
conv.
1.336 kWh
η
2.205 kWh
Accumulo
Qacc,ls,W
400 kWh
978 kWh
Energia utile
3.500 kWh
Vettori energetici
Energia primaria
Ing. SOCAL - Rendimenti impianti
4.450 kWh
35
Perdite di emissione
Q = energia dispersa dal locale Re = rendimento di emissione
A = situazione ideale: il radiatore mantiene a 20 °C ogni punto del locale Q=QA
B = situazione reale: il radiatore mantiene a 20 °C il punto di misura
Q=QB
31/01/2011
Ing. SOCAL - Rendimenti impianti
Ing. SOCAL - Rendimenti impianti
Re =
QA
QB
36
18
Perdite di emissione
Cause fisiche di maggior perdita:
–
–
UNI-TS 11300: metodo tabellare articolato in base a
–
–
–
Surriscaldamento locale: trasferimento di calore dall’emettitore a tutto il locale
Emettitori integrati in strutture disperdenti: emissione diretta all’esterno
tipologia di emettitori (radiatori, pannelli, …)
fattore di carico medio degli emettitori
altezza del locale (per fascie)
Ql ,e = Qh ⋅
1 −ηe
ηe
Energia elettrica calcolata solo ai fini del fabbisogno elettrico,
il recupero è già compreso nei valori tabellati
EN 15316-2-1:
Calcolo delle maggiori perdite delle strutture se è noto l’aumento di temperatura
Calcolo analitico delle dispersioni dirette all’esterno o verso il suolo per emettitori incorporati
nelle strutture disperdenti
– Metodi tabellari con rendimenti, fattori di perdita, ecc.
Acqua calda sanitaria (riscaldamento iniziale tubi ed accessori):
– UNI-CTI perdite fisse di erogazione 5%
– prEN 15316-3-2: vari metodi che tengono conto della tipologia delle tubazioni terminali, non
interessate da ricircolo. All’atto dell’erogazione occorre riscaldare queste tubazioni e dopo si
disperde il calore accumulato.
–
–
31/01/2011
Ing. SOCAL - Rendimenti impianti
37
15316--2 – Concetti base
15316
SURRISCALDAMENTO / STRATIFICAZIONE
Qem,str =Σ A . Uinc (θi,inc - θi).t
EMISSIONE DIRETTA ALL’ESTERNO
Qi = U i ⋅ A ⋅ (θ m − θ i ) ⋅ t
Qe = U e ⋅ A ⋅ (θ m − θ e ) ⋅ t
Qe U e ⋅ A ⋅ (θ m − θ e ) ⋅ t U e (θ m − θ e )
=
=
⋅
Qi U i ⋅ A ⋅ (θ m − θ i ) ⋅ t U i (θ m − θ i )
31/01/2011
Ing. SOCAL - Rendimenti impianti
Ing. SOCAL - Rendimenti impianti
38
19
Perdite di emissione 2
Q
Re = A
QB
Per effetto della stratificazione, il calore QB dissipato nel caso reale B
è molto superiore a quello QA dissipato nel caso ideale (temperatura
uniforme) A
31/01/2011
Ing. SOCAL - Rendimenti impianti
39
Emissione in UNIUNI-TS 11300 locali fino a 4 m
<4
Tipo di terminale di erogazione
Radiatori su parete esterna isolata (*)
Radiatori su parete interna
Ventilconvettori (**) valori riferititi a tmedia acqua = 45 °C
Termoconvettori
Bocchette in sistemi ad aria calda (°)
Pannelli isolato annegato a pavimento
Pannelli annegati a pavimento
Pannelli annegati a soffitto
Pannelli a parete
0,97
0,96
0,96
0,94
0,94
0,99
0,98
0,97
0,97
Carico termico medio annuo W/m3 (*)
4-10
ηe
0,96
0,95
0,95
0,93
0,92
0,98
0,96
0,95
0,95
>10
0,93
0,92
0,94
0,92
0,90
0,97
0,94
0,93
0,93
* Per parete riflettente, si incrementa il rendimento di 0,01
** I consumi elettrici non sono considerati e devono essere calcolati separatamente
° Per quanto riguarda i sistemi di riscaldamento ad aria calda i valori si riferiscono a impianti con:
- griglie di ripresa dell’aria posizionate ad un’altezza non superiore a 2,00 m rispetto al livello del pavimento
- bocchette o diffusori correttamente dimensionati in relazione alla portata e alle caratteristiche del locale
- corrette condizioni di funzionamento (generatore di taglia adeguata, corretto dimensionamento della portata di aspirazione
- buona tenuta all’aria dell’involucro e della copertura
Carico termico in base a: Qh, ore di utilizzo, volume lordo
31/01/2011
Ing. SOCAL - Rendimenti impianti
Ing. SOCAL - Rendimenti impianti
40
20
Installazione radiatori
31/01/2011
Ing. SOCAL - Rendimenti impianti
41
31/01/2011
Ing. SOCAL - Rendimenti impianti
42
Ing. SOCAL - Rendimenti impianti
21
UNI--TS 11300 locali oltre 4 m
UNI
<4
Descrizione
6
10
14
Carico termico (W/m3)
4 - 10
Altezza del locale
6
10
14
>10
6
10
14
Generatore d'aria calda singolo a
0,97 0,96 0,95 0,95 0,94 0,93 0,93 0,92 0,91
basamento (non canalizzato)
…
0,96 0,95 0,94 0,94 0,93 0,92 0,92 0,91 0,90
Aerotermi ad acqua a parete
…
0,99 0,98 0,97 0,97 0,97 0,96 0,96 0,96 0,95
Pannelli a pavimento (isolati)
* I dati forniti non tengono conto delle perdite di calore non recuperate dal pavimento verso il terreno; queste perdite vanno
calcolate separatamente ed utilizzate per adeguare il valore del rendimento.
Carico termico in base a: Qh, ore di utilizzo, volume lordo
Separatamente sono illustrate le condizioni di corretta installazione
che devono essere verificate affinchè la tabella sia applicabile
31/01/2011
Ing. SOCAL - Rendimenti impianti
43
Energia elettrica emissione
Tenere conto del fattore di carico per i terminali con arresto del ventilatore
31/01/2011
Ing. SOCAL - Rendimenti impianti
Ing. SOCAL - Rendimenti impianti
44
22
31/01/2011
Ing. SOCAL - Rendimenti impianti
45
Perdite di regolazione
In assenza di una regolazione locale per locale, nel locale B la temperatura supera i 20 °C e le
perdite attraverso le pareti aumentano in proporzione al ∆T rispetto all’esterno.
Ogni grado in più causa ≅ 7% più di consumo di combustibile.
Il bilanciamento richiesto all’impianto cambia in funzione delle condizioni meteo e di utilizzo dei locali
31/01/2011
Ing. SOCAL - Rendimenti impianti
Ing. SOCAL - Rendimenti impianti
46
23
Perdite di regolazione
Ipotesi di partenza:
in tutti i locali deve essere garantito il servizio (20 °C)
Cause di maggior perdita: il calore non viene immesso
SOLO dove serve e quando serve
ma ANCHE anche dove e quando non serve.
Esempi:
– Se non viene fatto il bilanciamento dell’impianto vengono
surriscaldati i locali favoriti
– Anche se viene eseguito il bilanciamento ma questo è fisso, il
bilanciamento ottimale dipende dall’andamento climatico e dagli
apporti gratuiti.
31/01/2011
Ing. SOCAL - Rendimenti impianti
47
Cause di perdita di regolazione
Sbilanciamento iniziale dell’impianto
– Bilanciamento all’italiana
Funzionamento con portate molto elevate
Piccole differenze di temperatura fra radiatori anche in caso di forti
sbilanciamenti di portata
Bilanciamento controllato dalle superfici dei radiatori
Sbilanciamento continuo dovuto alla variazione delle
Uso improprio di sistemi di compensazione climatica
condizioni climatiche e degli apporti gratuiti
– Occorre un sistema in grado di ribilanciare automaticamente
l’impianto al variare della quantità e distribuzione degli
apporti gratuiti
al posto di sistemi di regolazione della temperatura ambiente
31/01/2011
Ing. SOCAL - Rendimenti impianti
Ing. SOCAL - Rendimenti impianti
48
24
Bilanciamento corretto
Se le portate sono corrette (cioè quanto basta!),
lo sbilanciamento idraulico ha effetti disastrosi
31/01/2011
Ing. SOCAL - Rendimenti impianti
49
Bilanciamento all’italiana
Se le portate sono molto elevate, anche se la portata
nel radiatore di destra si riduce a poco più della metà,
lo sbilanciamento idraulico ha effetti modesti
31/01/2011
Ing. SOCAL - Rendimenti impianti
Ing. SOCAL - Rendimenti impianti
50
25
Sbilanciamento continuo
Casa “passiva”: ampie finestre a sud
Con il sole
il locale a sud è caldo
31/01/2011
Senza sole
il locale a sud è freddo
Ing. SOCAL - Rendimenti impianti
51
Regolatore a retroazione
Regolazione ad anello chiuso
Dimmi quanto sbagli e ti dico cosa fare.
Il regolatore :
– Va a vedere cosa succede nell’impianto: misura della variabile
–
–
–
–
controllata
Confronta con quello che si vorrebbe che succedesse.
Confronto del valore misurato con il set-point:
la differenza è l’errore.
Decide cosa fare: elabora il segnale di errore in base alle sue
regole (On-Off, a stadi, PID) e tarature (soglie di scatto, banda
proporzionale, tempo integrale, tempo derivativo)
Esegue: genera il comando per l’attuatore che esegue la
correzione
Ricomincia da capo
31/01/2011
Ing. SOCAL - Rendimenti impianti
Ing. SOCAL - Rendimenti impianti
52
26
Retroazione
31/01/2011
Ing. SOCAL - Rendimenti impianti
53
Compensazione
Regolazione ad anello aperto
Dimmi cosa succede e ti dico cosa fare.
Il regolatore :
– Va a vedere cosa succede nell’impianto: misura del disturbo
(prelievo di vapore, consumo di acqua, temperatura esterna)
– Calcola l’azione necessaria per compensare l’azione del disturbo
in base alle sue regole (On-Off, a stadi, proporzionale, con
funzione matematica, ecc.) e tarature (soglie di scatto, fattore di
proporzionalità, curva di linearizzazione)
– Esegue: genera il comando per l’attuatore che esegue la
correzione
– Ricomincia da capo
Il regolatore è cieco: è come un guidatore che avesse il
parabrezza oscurato e solo una piantina
31/01/2011
Ing. SOCAL - Rendimenti impianti
Ing. SOCAL - Rendimenti impianti
54
27
Compensazione
31/01/2011
Ing. SOCAL - Rendimenti impianti
55
Valutazione del rendimento di regolazione
Ipotesi: il locale più sfavorito è a 20°C surriscaldamenti
Metodo semi-tabellare: UNI-TS 11300 (tabella “furba”)
Discriminante: il sistema di regolazione sente la temperatura
interna dell’edificio e come è in grado di reagire?
– NO: …metà degli apporti gratuiti sono persi
ηc = 1 - 0,6 · ηu · γ = 1 - 0,6 · 0,3…0,5 = 0,82…0,70
– SI ma non in tutti i locali
93-96%
– SI, in tutti i locali e modulante 96-99%
–
Le regolazioni di zona e per singolo ambiente devono essere integrate da una
compensazione climatica per evitare sovratemperature ai bassi carichi (mezze stagioni)
– L’inerzia del sistema (sensore + attuatore) deve essere minima
Trascurato l’eventuale sbilanciamento dell’impianto
Valore apparente migliore perché qualcuno non usufruisce del servizio
(cioè gode di temperatura inferiore a 20 °C)
EN15316-2-1: metodi tabellari, fattori di perdita in base al carico medio ed alla tipologia
di emettitori
31/01/2011
Ing. SOCAL - Rendimenti impianti
Ing. SOCAL - Rendimenti impianti
56
28
UNI-TS
11300
Tipo di
regolazione
Solo Climatica
Solo zona
Solo per
singolo
ambiente
Zona
+
climatica
Per singolo
ambiente
+
climatica
31/01/2011
Caratteristica
regolatore
ambiente
K – 0,6 ηu γ
0n off
P banda prop. 2 °C
P banda prop. 1 °C
P banda prop. 0,5 °C
PI o PID
0n off
P banda prop. 2 °C
P banda prop. 1 °C
P banda prop. 0,5 °C
PI o PID
0n off
P banda prop. 2 °C
P banda prop. 1 °C
P banda prop. 0,5 °C
PI o PID
0n off
P banda prop. 2 °C
P banda prop. 1 °C
P banda prop. 0,5 °C
PI o PID
Sistemi a bassa
inerzia termica
Sistemi ad elevata inerzia termica
Radiatori, convettori,
ventilconvettori,
strisce radianti ed
aria calda (*)
Pannelli integrati nelle
strutture edilizie e
disaccoppiati
termicamente
Pannelli annegati
nelle strutture edilizie
e non disaccoppiati
termicamente
K=1
K=0,98
K=0,94
0,93
0,94
0,98
0,99
0,995
0,94
0,95
0,97
0,98
0,99
0,96
0,96
0,97
0,98
0,995
0,97
0,97
0,98
0,99
0,995
0,91
0,92
0,97
0,98
0,99
0,92
0,93
0,95
0,96
0,97
0,94
0,95
0,96
0,97
0,98
0,95
0,96
0,97
0,98
0,99
0,87
0,88
0,95
0,96
0,97
0,88
0,89
0,91
0,92
0,93
0,92
0,93
0,94
0,95
0,96
0,93
0,94
0,95
0,96
0,97
Ing. SOCAL - Rendimenti impianti
57
Rendimento di regolazione, prescrizioni di legge
DPR 412/93: Obbligo regolazione per singolo ambiente con apporti > 20% nel
mese a maggior insolazione = sempre! Ammesse le zone solo raggruppando
locali con stessa esposizione e stesso utilizzo. Obbligo di giustificazione della
mancanza di detti dispositivi nella relazione tecnica
Di fatto: obbligo valvole termostatiche o sistemi equivalenti
Art 7 DPR 412/93:
7 Al fine di non determinare sovrariscaldamento nei singoli locali di una unità immobiliare
per effetto degli apporti solari e degli apporti gratuiti interni è opportuna l'installazione di
dispositivi per la regolazione automatica della temperatura ambiente nei singoli locali o
nelle singole zone aventi caratteristiche di uso ed esposizioni uniformi. L'installazione di detti
dispositivi è aggiuntiva rispetto ai sistemi di regolazione di cui ai precedenti commi 2, 4, 5 e 6,
ove tecnicamente compatibile con l'eventuale sistema di contabilizzazione, ed è prescritta nei
casi in cui la somma dell'apporto termico solare mensile, calcolato nel mese a maggiore
insolazione tra quelli interamente compresi nell'arco del periodo annuale di esercizio
dell'impianto termico, e degli apporti gratuiti interni convenzionali sia superiore al 20% del
fabbisogno energetico complessivo calcolato nello stesso mese.
8 L'eventuale non adozione dei sistemi di cui al comma 7 deve essere giustificata in sede
di relazione tecnica di cui al comma 1 dell'art. 28 della legge 9 gennaio 1991, n. 10; in
particolare la valutazione degli apporti solari e degli apporti gratuiti interni deve essere effettuata
utilizzando la metodologia indicata dalle norme tecniche UNI di cui al comma 3 dell'art. 8.
31/01/2011
Ing. SOCAL - Rendimenti impianti
Ing. SOCAL - Rendimenti impianti
58
29
Rendimento di regolazione, prescrizioni di legge
Dlgs 311/06: Obbligo regolazione per singolo ambiente. Ammesse le zone solo
per locali con stessa esposizione. Obbligo di giustificazione della mancanza di
detti dispositivi nella relazione tecnica
Di fatto: obbligo valvole termostatiche o sistemi equivalenti
Obbligo termoregolazione con sonda esterna e due livelli di temperatura sopra i
35 kW.
La regolazione climatica può essere ad un solo livello se vi sono regolatori
ambiente a due livelli con sonda interna.
Scopo: limitare la potenza erogata e fornire una prima regolazione quando non
vi sia un punto di misura rappresentativo.
Obbligo programmatori orari dove sia prevedibile l’utilizzo discontinuo.
Obbligo due livelli temperatura ambiente nelle 24 ore anche per impianti
unifamiliari.
NOTA: L’intermittenza ha effetti limitati sul consumo
perché il fabbisogno di calore si riduce solo in ragione della temperatura media
effettiva dei locali riscaldati (cfr. EN 832 – 13790)
31/01/2011
Ing. SOCAL - Rendimenti impianti
59
Rendimento di regolazione : cosa fare
La funzione principale è la regolazione in funzione della
temperatura ambiente: deve sempre essere presente.
La funzione accessoria è la compensazione climatica
Migliorare la classe di regolazione: andare verso la
regolazione locale per locale (valvole termostatiche)
L’intervento ha tempi di ritorno di 2…8 anni
– La riduzione di consumi può essere inferiore al previsto perché la
migliore regolazione comporta spesso un aumento del servizio
(eliminazione delle utenze sfavorite)
– La riduzione può essere superiore al previsto in caso di forti
sbilanciamenti iniziali
Le valvole termostatiche sono sinergiche con le caldaie a
condensazione
La riduzione di portata e l’aumento del ∆T portano una
riduzione dei consumi elettrici
31/01/2011
Ing. SOCAL - Rendimenti impianti
Ing. SOCAL - Rendimenti impianti
60
30
DUE …
E’ MEGLIO DI UNO!
31/01/2011
PANNELLO RADIANTE
A PARETE…
AUTOADATTANTE
Ing. SOCAL - Rendimenti impianti
61
Sottotetto non isolato
Superficie: 100 m² Trasmittanza: 1,9 W/m²K 190 W/K
Energia dispersa annua: 190 W/K x 9 K x 4300 h = 7350 kWh
Rendimento impianto 65 % Consumo annuo 11000 kWh
Costo combustibile : 11000 kWh x 0,65 €/m³ / 9,6 kWh/m³ = 745 €
31/01/2011
Ing. SOCAL - Rendimenti impianti
Ing. SOCAL - Rendimenti impianti
62
31
STATO INIZIALE
RETE SBILANCIATA,
SOTTOTETTO MAL
ISOLATO
LAMENTELE PER BASSA
TEMPERATURA
ALL’ULTIMO PIANO
FINESTRE APERTE AL
PIANO INTERMEDIO
31/01/2011
63
Ing. SOCAL - Rendimenti impianti
ISOLAMENTO DEL
SOTTOTETTO,
RISPARMIO TEORICO SUI
CONSUMI -20%
RISPARMIO REALE
MOLTO INFERIORE
SENZA RIBILANCIARE LA
RETE ED IN ASSENZA DI
REGOLAZIONE PER
ZONA O PER SINGOLO
AMBIENTE NON SI PUO’
RIDURRE LA CURVA
CLIMATICA…
31/01/2011
Ing. SOCAL - Rendimenti impianti
Ing. SOCAL - Rendimenti impianti
64
32
ISOLAMENTO DEL
SOTTOTETTO E VALVOLE
TERMOSTATICHE
LA REGOLAZIONE PER
SINGOLO AMBIENTE
PERMETTE CHE
L’INTERVENTO DI
RIDUZIONE DELLE
DISPERSIONI SI
TRASFORMI IN UNA
RIDUZIONE DEI CONSUMI
L’OBBIETTIVO NON E’
RIDURRE LE DISPERSIONI
MA IL CONSUMO DI
ENERGIA PRIMARIA
31/01/2011
65
Ing. SOCAL - Rendimenti impianti
PER CONVINCERE AD
UTILIZZARE LE VALVOLE
TERMOSTATICHE CI VUOLE
LA CONTABILIZZAZIONE
IL RENDIMENTO
DELL’IMPIANTO NON
AUMENTA
SI RIDUCE IL FABBISOGNO
E QUINDI I CONSUMI
(MA SOLO IN UN CALCOLO
DI DIAGNOSI)
31/01/2011
Ing. SOCAL - Rendimenti impianti
Ing. SOCAL - Rendimenti impianti
66
33
Perdite di distribuzione
Rd =
Qg + ηp ⋅ Ed − Qdnr − k ⋅ Qdr
E
Qg + d
ηsen
Rd = rendimento di distribuzione
Qg = calore utile prodotto dal generatore
ηp = rendimento pompa
Ed = energia elettrica pompa
31/01/2011
Qdnr = calore non recuperabile
Qdr = calore recuperabile
k = fattore persa del calore recuperabile
ηsen = rendimento del sistema elettrico
Ing. SOCAL - Rendimenti impianti
67
Valutazione del sottosistema di distribuzione
COSTI
Wdis,aux Energia ausiliaria
Qdis,in
Qdis,out
EFFETTO
UTILE
Perdite Qdis,ls
EFFETTO
INUTILE
31/01/2011
Ing. SOCAL - Rendimenti impianti
Ing. SOCAL - Rendimenti impianti
68
34
Calcolo delle perdite di distribuzione
UNI TS 11300-2 tabellare: basato su tipologia, numero di piani ed epoca di costruzione.
–
–
–
UNI TS 11300-2 analitico, da adottare obbligatoriamente per edifici nuovi e se non sono
rispettate TUTTE le condizioni sottostanti le tabelle
–
–
–
–
–
–
I valori si riferiscono al solo utilizzo invernale, con rete a temperatura variabile.
I valori tengono già conto del recupero di perdite (2/3) con diminuzione delle perdite totali
Si fanno errori molto grossolani applicando indiscriminatamente questi valori
Metodo analitico sulla base di lunghezze, diametri, isolamento, tipo di installazione,
temperature interna ed esterna
Consente di evidenziare le perdite recuperabili
E’ sempre preferibile un calcolo approssimato con lunghezze stimate sulla base delle
dimensioni principali dell’edificio piuttosto che utilizzare i rendimenti tabellati
Per reti isolate, le dispersioni sono controllate dallo strato coibente e dai tratti di
tubazione non coibentati
Per reti non isolate occorre tenere conto delle modalità di incasso nelle strutture
Si deve tenere conto di componenti non isolati e staffaggi
Occorre tenere conto dell’energia assorbita dalle pompe:
la potenza media non è la potenza di targa
Uso del metodo analitico obbligatorio per i tratti di tubazione del sistema di
distribuzione dell’acqua calda sanitaria interessati da ricircolo
31/01/2011
69
Ing. SOCAL - Rendimenti impianti
Impianto a circolazione naturale
Impianto a colonne
montanti, a circolazione
naturale (“termosifone”)
a vaso aperto.
Non necessita di
circolatori.
A volte la rete veniva
costruita a vista
all’interno dei locali
riscaldati.
Radiatori normalmente
abbondanti
31/01/2011
Ing. SOCAL - Rendimenti impianti
Ing. SOCAL - Rendimenti impianti
70
35
Impianto a pioggia
Evoluzione dell’impianto a
circolazione naturale.
Questo circuito consente un
migliore bilanciamento delle
portate nei radiatori.
E’ un accorgimento analogo
al “ritorno inverso”.
31/01/2011
Ing. SOCAL - Rendimenti impianti
71
Impianto a zone – distribuzione orizzontale
Tipologia resa obbligatoria
dagli anni ’90
(DPR 412/93).
Poco frequente perché in
quel periodo vi era il boom
degli impianti autonomi.
La distribuzione
orizzontale può essere
monotubo o bitubo
31/01/2011
Ing. SOCAL - Rendimenti impianti
Ing. SOCAL - Rendimenti impianti
72
36
Distribuzione bitubo/
bitubo/monotubo
CALDAIA O
CASSETTA DI ZONA
Le reti “monotubo” furono proposte per “semplificare l’installazione degli impianti
termici. Sono molto difficili da bilanciare ed incompatibili con la condensazione.
Oggi sono praticamente abbandonate e si usano normali circuiti bitubo
31/01/2011
Ing. SOCAL - Rendimenti impianti
73
Impianto a moduli termici a 2 tubi
Schema molto in
voga negli ultimi
tempi.
Presenta diversi
limiti prestazionali
in sanitario e soffre
spesso di elevate
perdite dalla rete di
distrbuzione
31/01/2011
Ing. SOCAL - Rendimenti impianti
Ing. SOCAL - Rendimenti impianti
74
37
Rete di distribuzione a 4 tubi
31/01/2011
75
Ing. SOCAL - Rendimenti impianti
Tabelle
Valori in base
– alle tipologie di rete (autonomo, a zone, a colonne montanti)
– all’isolamento qualitativo della rete di distribuzione
Esempio per impianti autonomi:
Grado isolamento e periodo
Legge 10/91 dopo il 1993
Discreto
1977…1993
Medio
1961…1976
Insufficiente
fino al 1961
rendimento
0,99
0,98
0,969
0,958
Sottinteso
Tutta la rete è
all’interno
dell’isolamento
principale
Tabelle riferite a reti con temperatura di progetto 80/60 °C
Ulteriore correzione in relazione al regime termico
70/55 85% radiatori abbondanti,
55/45 60% ventilconventtori
35/30 25% impianto a pannelli
31/01/2011
Ing. SOCAL - Rendimenti impianti
Ing. SOCAL - Rendimenti impianti
76
38
ηd = 99%?
Sottinteso
Tutta la rete è
all’interno
dell’isolamento
principale
31/01/2011
77
Ing. SOCAL - Rendimenti impianti
Impianto a circolazione naturale
Impianto a colonne
montanti, a circolazione
naturale (“termosifone”)
a vaso aperto.
Non necessita di
circolatori.
A volte la rete veniva
costruita a vista
all’interno dei locali
riscaldati.
Radiatori normalmente
abbondanti
31/01/2011
Ing. SOCAL - Rendimenti impianti
Ing. SOCAL - Rendimenti impianti
78
39
In funzione di:
• Isolamento nel cantinato
• Isolamento montanti
• Numero piani
(incidenza relativa)
31/01/2011
Ing. SOCAL - Rendimenti impianti
79
31/01/2011
Ing. SOCAL - Rendimenti impianti
80
Ing. SOCAL - Rendimenti impianti
40
ηd = 98%??
Sottinteso
Tutta la rete è
all’interno
dell’isolamento
principale
31/01/2011
Ing. SOCAL - Rendimenti impianti
81
Metodo analitico (EN + UNIUNI-TS 11300)
si determinano le trasmittanze lineiche Ui degli elementi del sottosistema di
distribuzione, espresse in W/m·K, tenendo conto di diametro, spessore e conduttività
del coibente, tipologia di installazione;
si determinano le lunghezze Li degli elementi del sottosistema di distribuzione;
si determinano le temperature interna θw,i ed esterna θa,i degli elementi;
si determina la durata delle perdite ti;
si determina il fattore di riduzione delle perdite totali krl,i per tener conto delle perdite
recuperabili
si calcolano le perdite totali Qd,l come somma delle perdite dei singoli tratti
Qd ,l = ∑i Li ⋅ U i ⋅ (θ w,i − θ a ,i ) ⋅ t i ⋅ k d ,i
si calcola l’energia ausiliaria totale W d;
si determina l’eventuale energia elettrica recuperata kw,d·W d;
si calcola la quantità di calore richiesta alla generazione
Qd ,in = Q d ,out + Qd ,l − k w, d ⋅ Wd
31/01/2011
Ing. SOCAL - Rendimenti impianti
Ing. SOCAL - Rendimenti impianti
DATI CRITICI
• FATTORE DI
RIDUZIONE PER
PERDITE
RECUPERABILI
• TEMPERATURA
INTERNA IN
FUNZIONE DELLA
DURATA DI
ACCENSIONE
82
41
I fattori critici…
TEMPERATURA DELL’ACQUA
Calcolata sulle 24 ore per la
certificazione
FATTORE DI RECUPERO
Dipende dalla posizione della
tubazione nella struttura
Qd ,l = ∑i Li ⋅U i ⋅ (θ w,i − θ a ,i )⋅ ti ⋅ k rl ,i
k rl ,i
31/01/2011
Ue
=
⋅ k rh
Ui + Ue
Tubazione non isolata
corrente in aria
Tubazione isolata
singolarmente corrente in aria
U p ,air = 3,24 ⋅ π ⋅ d ⋅ (θ w − θ e )
0, 3
31/01/2011
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83
Ing. SOCAL - Rendimenti impianti
U p , air =
Ing. SOCAL - Rendimenti impianti
π
1
D
1
⋅ ln +
2 ⋅ λD
d α air ⋅ D
 W 
m⋅ K 


84
42
Tubazioni isolate singolarmente incassate nella muratura
U p,g =
π
1
di
1
4⋅ z
1
4⋅ z2
⋅ ln
+
⋅ ln
+
⋅ ln 1 + 2
∑
d i −1 2 ⋅ λG
d n 2 ⋅ λG
E
i =1 2 ⋅ λi
n
 W 
m⋅ K 


COIBENTAZIONE
TUBAZIONE
INCASSO TUBAZIONE
VICINANZA SECONDA
TUBAZIONE
31/01/2011
Ing. SOCAL - Rendimenti impianti
85
Esempio
Tubazione da 2” , λ = 0,038 W/m·K
– S = 40 mm, singola in aria: 0,24 W/K
– S = 40 mm, coppia incassata a muro: 0,25 W/K
– S = 0 mm in aria: 1,8…2,3 W/K (40…80°C)
– S = 0 mm, coppia incassata a muro: 2,2 W/K
Con 0,25 W/K ∆T = 30 °C per 4000 ore/anno
30 kWh 3 m³ di metano 2,10 €/anno
31/01/2011
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Ing. SOCAL - Rendimenti impianti
86
43
Allegato A - particolarità
Lunghezze equivalenti di tubazione scoperta per
componenti non isolati
Possibile calcolare separatamente le perdite
recuperabili
Temperature di default interne ed esterne alla rete
Tabelle di trasmittanze precalcolate
Formule di calcolo rapido delle trasmittanze lineiche
per isolamenti secondo DPR 412/93
31/01/2011
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87
31/01/2011
Ing. SOCAL - Rendimenti impianti
88
Ing. SOCAL - Rendimenti impianti
44
Temperature interne ed esterne della rete
Temperature interne
In generale, calcolo analitico oppure…
Radiatori alta temperatura
52 °C
Radiatori bassa temperatura
46 °C
SONO VALORI ELEVATI,
Ventilconvettori
38 °C
MOLTO CONSERVATIVI
Pannelli radianti annegati
27 °C
Circuiti primari a temperatura costante 70 °C
Circuiti primari a temperatura variabile la più elevata dei secondari
Temperature esterne alla rete
tubazioni all'interno od in murature affacciate all'interno
20 °C
tubazioni affacciate all'esterno
temperatura esterna media mensile o
annua;
tubazioni affacciate su locali non riscaldati: calcolo con b
tubazioni in centrale termica: esterna + 5°C
tubazioni interrate: temperatura media stagionale annua.
31/01/2011
Ing. SOCAL - Rendimenti impianti
89
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Ing. SOCAL - Rendimenti impianti
90
Ing. SOCAL - Rendimenti impianti
45
Perdite di una rete
a colonne montanti
per 9 appartamenti
Rete con montanti non isolati
annegati nella muratura.
La rete lavora a temperatura
media variabile: 27…49 °C
Calore trasportato
2600 … 22400 kWh/mese
Perdite di distribuzione
1000…6000 kWh/mese
Perdite nette
240…1710 kWh/mese
Resa media 92%
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Ing. SOCAL - Rendimenti impianti
91
E’ SEMPRE VERO?
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Ing. SOCAL - Rendimenti impianti
92
46
PERDITE DELLA
RETE
100 MWh/anno
250 m³ di
metano
per ogni unità
immobiliare
40 UNITA IMMOBILARI
ηd = 90…35%
TELERISCALDAMENTO
31/01/2011
Ing. SOCAL - Rendimenti impianti
93
Un esempio pratico
Edificio progettato nel 1999 e realizzato nel 2000
– Fonte di calore: teleriscaldamento di quartiere
– Rete interna:
Scambiatore
Rete a circolazione permanente
Satelliti di utenza con valvole a 3 vie per il circuito riscaldamento e
scambiatore per la produzione istantanea di acqua calda sanitaria
Valore di rendimento di distribuzione dichiarato e sottoscritto con la
dichiarazione di rispondenza del progetto: 0,96…0,97
La realtà, dopo aver ricalcolato le perdite con UNI 10347 e tenuto conto
in maniera analitica delle perdite recuperate :
– Rendimento di distribuzione nel funzionamento invernale: < 0,90
– Rendimento di distribuzione nel funzionamento estivo: < 0,35
(nel funzionamento estivo equivale ad un ricircolo)
Se si tiene conto anche dei consumi elettrici, altro –3% nel funzionamento
invernale…
31/01/2011
Ing. SOCAL - Rendimenti impianti
Ing. SOCAL - Rendimenti impianti
94
47
Energia elettrica distribuzione UNIUNI-TS 11300
Energia = tempo x fattore variazione velocità x potenza di progetto
Fv = 1,0 oppure 0,6 se la pompa è a velocità variabile
Potenza di progetto = potenza idraulica / rendimento pompa
Potenza idraulica [W] = densità [kg/dm³] x portata [dm³/h] x prevalenza [m] x coeff. Dim
portata: potenza di progetto DT 10 °C … prevalenza 5 m c.a.
Ing. SOCAL - Rendimenti impianti
31/01/2011
31/01/2011
95
95
Prestazioni pompe secondo modello CTI
1.000
0,5
Potenza elettrica
Potenza idraulica
0,4
Rendimento
600
0,3
400
0,2
200
0,1
0
0,0
0
5.000
10.000
15.000
Rendimento
Potenza elettrica W
800
20.000
Portata d'acqua m³/h
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Ing. SOCAL - Rendimenti impianti
Ing. SOCAL - Rendimenti impianti
96
48
POTENZA DI TARGA
PUNTO DI PROGETTO
CONDIZIONE MEDIA
31/01/2011
Ing. SOCAL - Rendimenti impianti
97
Circuito di distribuzione a miscelazione
•
La temperatura di mandata agli emettitori è inferiore alla temperatura di
mandata dal collettore
•
La temperatura di ritorno al collettore è uguale alla temperatura di ritorno dagli
emettitori
•
La temperatura media della rete si riduce al diminuire della potenza trasportata
31/01/2011
Ing. SOCAL - Rendimenti impianti
Ing. SOCAL - Rendimenti impianti
98
49
Circuito di distribuzione a by-pass locale
•
La temperatura di mandata agli emettitori è uguale alla temperatura di
mandata dal collettore
•
La temperatura di ritorno al collettore è maggiore della temperatura di
ritorno dagli emettitori
•
La temperatura media della rete aumenta al diminuire della potenza
assorbita dal carico
•
Sostituire con una valvola a due vie e pompa a giri variabili
31/01/2011
Ing. SOCAL - Rendimenti impianti
99
Rete di distribuzione, prescrizioni di legge
Obbligo zone ove vi siano diversi fattori di occupazione
Obbligo zone ove vi siano più unità immobiliari (per consentire
la contabilizzazione)
Legge 10/91, art.26, comma3: Gli edifici pubblici e privati, qualunque ne
sia la destinazione d'uso, e gli impianti non di processo ad essi associati
devono essere progettati e messi in opera in modo tale da contenere al
massimo, in relazione al progresso della tecnica, i consumi di energia
termica ed elettrica.
DPR 412/93: Isolamento, come minimo, come da allegato B
–
–
–
–
–
Spessore minimo come da tabella, in funzione di diametro e λ isolante
Separato per tubazioni a temperatura diversa: mandata e ritorno
Montanti verticali all’interno dell’isolamento principale, spessori dimezzati
Solo per tubazioni affacciate su locali riscaldati: spessore per 0,3
Canali d’aria: spessori come per tubi 20-39
311/06: indicare nella relazione tecnica spessori e materiali isolamento
31/01/2011
Ing. SOCAL - Rendimenti impianti
Ing. SOCAL - Rendimenti impianti
100
50
Spessore coibente della rete
Valutazione economica dello spessore dell’isolante
Dipende da
Carico applicato all’isolante espresso in gradi-ora
annuali, corretti con il fattore di recupero
(perdite recuperabili eccessive potrebbero non essere
recuperate)
Tasso di interesse per attualizzare gli importi
Costo e potere calorifico del combustibile
Costo al m³ dell’isolante
Conduttività dell’isolante
31/01/2011
101
Ing. SOCAL - Rendimenti impianti
Coibentazione minima rete di distribuzione
Conduttività
termica
W/m· °C
0,030
0,032
0,034
0,036
0,038
0,040
0,042
0,044
0,046
0,048
0,050
Diametro tubazione (mm)
<20
3/8
13
14
15
17
18
20
22
24
26
28
30
20-39
1/2-1"
19
21
23
25
28
30
32
35
38
41
44
40-59
1"1/4-1"1/2
26
29
31
34
37
40
43
46
50
54
58
60-79
2"-2"1/2
33
36
39
43
46
50
54
58
62
66
71
80-99
3"
37
40
44
47
51
55
59
63
68
72
77
>100
4"
40
44
48
52
56
60
64
69
74
79
84
Spessore x 0,5 montanti verticali all’interno dell’isolamento principale
Spessore x 0,3 per tubazioni entro strutture interne
(non affacciate né sull’esterno né su locali non riscaldati)
31/01/2011
Ing. SOCAL - Rendimenti impianti
Ing. SOCAL - Rendimenti impianti
102
51
Esempio
Tubazione da 2” , λ = 0,038 W/m·K
– S = 40 mm, singola in aria: 0,24 W/K
– S = 40 mm, coppia incassata a muro: 0,25 W/K
– S = 0 mm in aria: 1,8…2,3 W/K (40…80°C)
– S = 0 mm, coppia incassata a muro: 2,2 W/K
Con 0,25 W/K ∆T = 30 °C per 4000 ore/anno
30 kWh 3 m³ di metano 2,10 €/anno
31/01/2011
103
Ing. SOCAL - Rendimenti impianti
Trasmittanza lineica W/mK
2,0
3"
1,5
1" 1/2
1"
1,0
1/2"
0,5
0,0
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
Spessore isolante mm
λ=0,040 W/mK
31/01/2011
Ing. SOCAL - Rendimenti impianti
Ing. SOCAL - Rendimenti impianti
104
52
Energia dispersa kWh/m anno
100
90
3"
80
70
60
1" 1/2
1"
50
40
30
20
1/2"
10
0
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
Spessore isolante
Sollecitazione isolante: 4000 ore x 25 °C – Rendimento impianto 75%
λ=0,040 W/mK
31/01/2011
105
Ing. SOCAL - Rendimenti impianti
Costo energia dispersa, €/m anno
15,0
3"
12,5
1" 1/2
10,0
7,5
1"
5,0
1/2"
2,5
0,0
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
Spessore isolante
Sollecitazione isolante: 4000 ore x 25 °C – Rendimento impianto 75%
λ=0,040 W/mK - Gas 0,65 €/Stm³
31/01/2011
Ing. SOCAL - Rendimenti impianti
Ing. SOCAL - Rendimenti impianti
106
53
Tempo di ritorno, anni
25,0
3"
20,0
1" 1/2
15,0
1"
10,0
1/2"
5,0
0,0
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
Spessore isolante
Sollecitazione isolante: 4000 ore x 25 °C – Rendimento impianto 75%
λ=0,040 W/mK - Costo isolante 1200 €/m³ - Tasso di interesse 2% - Gas 0,65 €/Stm³
31/01/2011
Ing. SOCAL - Rendimenti impianti
107
Rendimento di distribuzione, cosa fare
Coibentare le tubazioni accessibili
Evitare gli anelli a portata costante
– si alza la temperatura media al ridursi del carico
– la potenza elettrica è sempre quella massima
Evitare schemi ad alta temperatura costante
Evitare di uscire dallo spazio riscaldato
Preferire i sistemi ad elevato ∆T
Scegliere correttamente il circuito di distribuzione:
preferire le regolazioni a miscelazione rispetto a quelle a
by-pass
(interazione con la produzione di acqua calda sanitaria)
31/01/2011
Ing. SOCAL - Rendimenti impianti
Ing. SOCAL - Rendimenti impianti
108
54
Sottosistema di generazione a combustione
Metodo analitico (indiretto) derivato da UNI 10348
– con generatori modulanti
– con generatori a condensazione
Tabelle di rendimenti precalcolati con condizioni al contorno
specifiche
Metodo diretto basato su dati da Direttiva rendimento caldaie
31/01/2011
109
Ing. SOCAL - Rendimenti impianti
Calcolo della generazione a combustione
RISULTATO
COMBUSTIBILE ED EN. EL
INIZIO DEL CALCOLO
FABBISOGNO DISTRIBUZIONE
CALDAIA
PERDITE
31/01/2011
Ing. SOCAL - Rendimenti impianti
BRUCIATORE
GENERATORE
Ing. SOCAL - Rendimenti impianti
110
55
Perdite a bruciatore acceso
Rendimento di
combustione:
ηc = 100 – PCH,ON
Rendimento utile (***): ηu = 100 – PCH,ON – Pgn,env
31/01/2011
Ing. SOCAL - Rendimenti impianti
111
Perdite a bruciatore spento
Perdite a vuoto
P0 = Pgn,env + Pch,OFF
31/01/2011
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Ing. SOCAL - Rendimenti impianti
112
56
31/01/2011
Ing. SOCAL - Rendimenti impianti
113
Rendimento di produzione ed intermittenza
31/01/2011
Ing. SOCAL - Rendimenti impianti
Ing. SOCAL - Rendimenti impianti
114
57
I RENDIMENTI DI UN GENERATORE
Rendimento di combustione
– Tiene conto solo delle perdite per calore sensibile nei fumi
– Parametri da misurare
Tenore di O2: massa di fumi per unità di combustibile
Temperatura fumi: entalpia fumi
– Misura in opera: norma UNI-CTI 10348
Rendimento utile (stelle): si tiene conto anche delle perdite al mantello
Rendimento medio stagionale: si tiene conto anche delle perdite a vuoto
AI FINI DEI CONSUMI CONTA IL RENDIMENTO MEDIO STAGIONALE
Relazione empirica fra il rendimento istantaneo di combustione Rc d’un generatore
ed il suo rendimento utile medio stagionale Rms.
ηms ≅ η c – S · P0
31/01/2011
Ing. SOCAL - Rendimenti impianti
115
Metodo di calcolo analitico - 1
Simulazione di accensioni e spegnimenti
– Generatore caratterizzato da 3 fattori di perdita
Al camino, a bruciatore acceso
Al camino, a bruciatore spento
All’involucro
– I coefficienti vanno dati in condizioni di riferimento (costruttore o tabelle di
default della norma) e devono essere corretti in base alle condizioni di
effettivo funzionamento (temperature ed FC)
– Calcolo iterativo per determinare FC
Generatori modulanti
– Se sotto minimo di modulazione = monostadio (con parametri min)
– Altrimenti si determina la potenza media e si calcolano i fattori di perdita
(dati al min e max) per interpolazione
Condensazione: “bonus” sulle perdite al camino, calcolabile con
metodo in basato su:
– Produzione specifica di condensa, raccomandazione UNI-CTI 03/03
– ∆T finale acqua / fumi EN 15316-4-1 e 15378, UNI-TS 11300
31/01/2011
Ing. SOCAL - Rendimenti impianti
Ing. SOCAL - Rendimenti impianti
116
58
Rendimento di produzione, metodo di calcolo analitico
Fattore di carico del generatore FC (al focolare)
– Consente di distinguere fra
bruciatore acceso e spento
– Può essere misurato molto
semplicemente mettendo un
contaore sulla valvola di I stadio
FC =
tON
tON
=
t1
tON + tOFF
Perdite al camino a bruciatore acceso Pf (1…15%, tipico 10%)
Calcolate come perdite nominali P’f corrette
Sono il complemento all’unità del rendimento di combustione
Possono essere misurate
Vanno corrette per tener conto della temperatura effettiva dell’acqua θmn,av
n varia da 0,05 a 0,1 a 0,15 passando da bassa ad alta inerzia termica della
caldaia (murali acciaio ghisa)
–
–
–
–
–
[
]
Pch,on = P'ch,on +(θ gn,av − θ gn,test )⋅ 0,045 ⋅ FC n
31/01/2011
117
Ing. SOCAL - Rendimenti impianti
Rendimento di produzione, metodo di calcolo analitico
Perdite al camino a bruciatore spento Pch,off
– Calcolate come perdite nominali P’ch,off corrette
– Vanno corrette per tener conto della
Pch,off = P ' ch,off ⋅
(θ
m ,a
− θ ins )
temperatura effettiva dell’acqua θma rispetto
50
alla temperatura del locale di installazione θins
– In generale m vale 0. Se la pompa di circolazione dell’impianto viene spenta
insieme al bruciatore dal termostato ambiente, allora m dipende dall’ inerzia
termica della caldaia (murali 0,5 acciaio 0,4 ghisa 0,3)
– Possono essere misurate approssimativamente per mezzo di un anemometro
piazzato nel camino, poiché si tratta di perdite di calore per convezione.
– In mancanza di dati forniti dal costruttore, i valori di default per P’ch,off sono
Generatori con chiusura dell’aria comburente all’arresto
Generatori a gas dotati di ventilatore, scarico a parete
Generatori con ventilatore prima del focolare
Generatori a gas atmosferici
31/01/2011
Ing. SOCAL - Rendimenti impianti
Ing. SOCAL - Rendimenti impianti
⋅ FC m
0,2%
0,4 %
0,8 % (1,0 % se H>10m)
1,0 % (1,4 % se H>10m)
118
59
Rendimento di produzione, metodo di calcolo analitico
Perdite al mantello Pgn,env
– Calcolate come perdite nominali P’gn,env corrette
– Vanno corrette per tener conto della
(θ
m,a
− θ ins )
⋅ FC m
temperatura effettiva dell’acqua θma rispetto
50
alla temperatura del locale di installazione θins
– In generale m vale 0. Se la pompa di circolazione dell’impianto viene spenta
insieme al bruciatore dal termostato ambiente, allora m dipende dall’ inerzia
termica della caldaia (murali 0,5 acciaio 0,4 ghisa 0,3)
– Il fattore kgn,env effettua una riduzione delle perdite per tener conto della quota di
calore disperso recuperato:
generatori nell’ambente abitato
generatori installati in una centrale termica
Generatori installati all’aperto
Pgn ,env = P' gn ,env ⋅k gn ,env ⋅
0,1
0,7
1,0
(0,2 se di tipo atmosferico)
– In mancanza di dati forniti dal costruttore, i valori di default per P’gn,env sono
Generatori nuovi, ben coibentati, ad alto rendimento
1,72 – 0,44⋅log(Φn)
Generatori ben coibentati e manutenuti
3,44 – 0,88⋅log(Φn)
Vecchi generatori, coibentazione media
6,90 – 1,76⋅log(Φn)
Vecchi generatori, coibentazione degradata
8,36 – 2,20⋅log(Φn)
Vecchi generatori, non coibentati
10,35 – 2,64·log(Φn)
31/01/2011
Ing. SOCAL - Rendimenti impianti
119
Sottosistema di produzione, ausiliari elettrici
Per tutti gli ausiliari elettrici, si devono conoscere:
– Il tempo di accensione ti (in funzione o meno del fattore di carico FC)
– La potenza Φi
L’energia elettrica totale consumata è data da
Wg = ∑i Φ i ⋅ ti
L’energia assorbita dagli ausiliari a monte della camera di combustione (ad
es. bruciatore) dipende dal fattore di carico FC ed è data quindi da
Wbr = ∑i Φ i ⋅ tON = ∑i Φ i ⋅ FC ⋅ t gn
L’energia assorbita dagli ausiliari a valle della camera di combustione (ad
es. pompa primaria) non dipende dal fattore di carico ed è data quindi da
W p 0 = ∑i Φ i ⋅ t gn
31/01/2011
Ing. SOCAL - Rendimenti impianti
Ing. SOCAL - Rendimenti impianti
120
60
Schema impianto di
combustione con
caldaia atmosferica
a tiraggio naturale
31/01/2011
Ing. SOCAL - Rendimenti impianti
121
Ing. SOCAL - Rendimenti impianti
122
Caldaia atmosferica a
tiraggio naturale
31/01/2011
Ing. SOCAL - Rendimenti impianti
61
Caldaia
atmosferica
condominiale
31/01/2011
Ing. SOCAL - Rendimenti impianti
123
Schema di caldaia atmosferica “stagna” (tipo C)
a tiraggio forzato (aspirata)
dette anche “Turbo”
31/01/2011
Ing. SOCAL - Rendimenti impianti
Ing. SOCAL - Rendimenti impianti
124
62
Bruciatore ad aria
soffiata
31/01/2011
Ing. SOCAL - Rendimenti impianti
125
Schema di caldaia con
bruciatore ad aria
soffiata
31/01/2011
Ing. SOCAL - Rendimenti impianti
Ing. SOCAL - Rendimenti impianti
126
63
Caldaie con bruciatore ad
aria soffiata
31/01/2011
Ing. SOCAL - Rendimenti impianti
127
Caldaie premiscelate
31/01/2011
Ing. SOCAL - Rendimenti impianti
Ing. SOCAL - Rendimenti impianti
128
64
Caldaie a condensazione
premiscelate
murale ed a basamento
31/01/2011
Ing. SOCAL - Rendimenti impianti
129
Generatori per impianti centralizzati
Caldaia atmosferica
condominiale
200 kW
31/01/2011
Ing. SOCAL - Rendimenti impianti
Caldaia + bruciatore
250 kW
Ing. SOCAL - Rendimenti impianti
130
65
Generatori per impianti centralizzati
Generatore integrato
a premiscelazione
116 kW
31/01/2011
Generatori modulari
(armadio da esterno)
360 kW
Ing. SOCAL - Rendimenti impianti
131
Generatori a stadi e modulanti
Generatore ON-OFF (monostadio) 0 / 30 kW
può solo essere acceso o spento
Generatore a stadi
0 / 10 / 30 kW
può essere spento, acceso a potenza ridotta o acceso a potenza massima
Generatore modulante
0 / 10…30 kW
può essere spento oppure acceso con qualsiasi potenza compresa fra
minimo e massimo
E’ una caratteristica del bruciatore
Generatori modulanti secondo EN 15316-4-1 + UNI-TS 11300
– Si effettua il calcolo come se fosse un generatore monostadio avente potenza
pari al minimo di modulazione
– Se risulta FC < 1 fine del calcolo
– Se risulta FC > 1 si calcola la potenza
media effettiva
– Si deve effettuare un’interpolazione lineare dei parametri che caratterizzano il
generatore al minimo ed al massimo di modulazione
31/01/2011
Ing. SOCAL - Rendimenti impianti
Ing. SOCAL - Rendimenti impianti
132
66
Ciclo di accensione di un
bruciatore bistadio
Ciclo di accensione di un
bruciatore modulante
31/01/2011
Ing. SOCAL - Rendimenti impianti
133
Perdite a potenza intermedia
31/01/2011
Ing. SOCAL - Rendimenti impianti
Ing. SOCAL - Rendimenti impianti
134
67
Generatori a condensazione
NUOVO METODO EN + UNI-TS 11300
Si tiene conto della condensazione con un termine R, calcolato in base a
TEMPERATURA DEI FUMI E DEL TENORE DI OSSIGENO
TEMPERATURA DI SCARICO DEI FUMI:
Temperatura dell’acqua di ritorno in caldaia impianto
DT finale fra acqua di ritorno e fumi caratteristica caldaia
– Tenore di ossigeno caratteristica del bruciatore
–
Calcolo di R: tiene conto delle caratteristiche del combustibile
R può essere ricalcolato a potenza minima, massima ed intermedia
Sono separate le caratteristiche del combustibile e della caldaia
Si può affrontare il calcolo anche per generatori modulanti,
tenendo conto correttamente dell’effetto della variazione di carico
OCCORRE CALCOLARE LA TEMPERATURA DI RITORNO IN CALDAIA
31/01/2011
135
Ing. SOCAL - Rendimenti impianti
Caldaia a condensazione
DA
2…8 °C
A
10…60
°C
Caldaia a condensazione
Il focolare è in alto, nella
zona ad alta temperatura
Da potenza
minima a
massima
Scambiatore in
controcorrente
I fumi si raffreddano
mentre scendono
L’acqua di ritorno si
riscalda mentre sale.
La condensa
cade sul fondo
31/01/2011
Ing. SOCAL - Rendimenti impianti
136
Ing. SOCAL -slide
Rendimenti
impianti
68
Ad ognuno il suo ruolo…
Temperatura e composizione dei fumi
CONDENSAZIONE
EFFETTO DELLA CALDAIA
AUMENTO DELLA TEMPERATURA
RISPETTO ALL’ACQUA DI RITORNO
EFFETTO DELL’IMPIANTO
Temperatura di ritorno dell’acqua
in caldaia
31/01/2011
137
Ing. SOCAL -slide
Rendimenti
impianti
Rendimento di produzione: cascata
Concetto generale:
–
–
–
–
bisogna ridurre le perdite a vuoto
non ci deve mai essere un generatore fermo in temperatura
si devono evitare continue accensioni e spegnimenti
IL CRITERIO CAMBIA CON I GENERATORI A CONDENSAZIONE
POSSIBILI STATEGIE
Bisogna inserire i generatori solo quando strettamente necessario
(tutti al massimo prima di inserirne uno nuovo)
Bisogna disinserire i generatori solo quando si spengono
(tutti al minimo prima di disinserirne uno)
È necessario isolare idraulicamente i generatori non in servizio
31/01/2011
Ing. SOCAL - Rendimenti impianti
Ing. SOCAL - Rendimenti impianti
138
69
Rendimento di produzione: cascata
Sono state distinte tre tipologie (nel metodo analitico)
1.
2.
3.
Sistemi modulari senza intercettazione idraulica dei moduli
Sistemi modulari con intercettazione idraulica dei moduli e inserimento del
numero minimo possibile di moduli in relazione al fattore di carico
Sistemi modulari con intercettazione idraulica dei moduli e inserimento del
numero massimo possibile di moduli in relazione al fattore di carico
La procedura prevede di:
Determinare il numero di generatori Nf realmente in servizio
(sulla base di FC in un primo tentativo)
CON LA POTENZA MASSIMA DI UN MODULO, si determina il minimo numero di
moduli accesi
– CON LA POTENZA MINIMA DI UN MODULO, si determina il massimo numero di
moduli accesi
–
Correggere i fattori di perdita (esempio):
P’d = Pd·Nf/Ntot P’fbs = Pfbs·Nf/Ntot FC’ = FC·Ntot/Nf (max 1)
Effettuare il calcolo utilizzando il metodo dei generatori modulanti
31/01/2011
139
Ing. SOCAL - Rendimenti impianti
Valori precalcolati
PRINCIPIO: RENDIMENTO = VALORE DI BASE + FATTORI DI CORREZIONE PERTINENTI
ELENCO DEI FATTORI CORRETTIVI (ADDITIVI)
F1 rapporto fra la potenza del generatore installato e la potenza di progetto richiesta.
Per generatori modulanti, F1 si determina con riferimento alla potenza minima regolata.
F2 installazione all’esterno
F3 camino di altezza maggiore di 10 m
F4 temperatura media di caldaia maggiore di 65 °C in condizioni di progetto.
F5 generatore monostadio
F6 camino di altezza maggiore di 10 m in assenza di chiusura dell’aria comburente all’arresto (non applicabile ai
premiscelati)
F7 temperatura di ritorno in caldaia nel mese più freddo
Generatori di calore atmosferici tipo B classificati **
Valore di base riferito a: caldaia a due stelle, sovradimensionamento 1 riferito al minimo di modulazione, installazione
all’interno, camino alto meno di 10 m, temperatura di mandata in condizioni di progetto < 65 °C
F1
Valore di
base
1
2
4
90
0
-2
-6
31/01/2011
Ing. SOCAL - Rendimenti impianti
F2
F3
F4
-9
-2
-2
Ing. SOCAL - Rendimenti impianti
140
70
Metodo diretto EN 15316
Le caratteristiche del generatore sono date come:
– Perdite alla massima potenza
(dai dati di direttiva caldaie)
– Perdite al 30%
(dai dati di direttiva caldaie)
– Perdite ad erogazione di potenza nulla
(aggiuntivo rispetto ai dati da direttiva caldaie)
Si calcola la potenza media e si effettua l’interpolazione lineare (o quadratica)
delle perdite
Meno laborioso per i calcoli, adatto a sostituire le tabelle
Inadatto a descrivere i generatori a condensazione
Inadatto a descrivere generatori con forte rapporto di modulazione
Utilizzabile con difficoltà su generatori esistenti
31/01/2011
141
Ing. SOCAL - Rendimenti impianti
2 – DATI CORRETTI
IN CONDIZIONI DI ESERCIZIO
4 – PERDITE VERE
1 – DATI DI PROVA IN
CONDIZIONI DI RIFERIMENTO
3 – CARICO VERO
31/01/2011
Ing. SOCAL - Rendimenti impianti
Ing. SOCAL - Rendimenti impianti
142
71
Caso di più generatori
Occorre
risolverlo caso per caso, distribuendo
il carico fra i vari generatori nei vari periodi
Nella norma EN ci sono metodologie solo per
alcuni casi particolari: ad esempio, nelle
pompe di calore si calcola l’energia richiesta
al generatore di supporto (back-up heater)
Prima considerare i generatori con carico
limitato (solare, cogenerazione), dopo i
sistemi che fanno da back-up
31/01/2011
Ing. SOCAL - Rendimenti impianti
143
Altri sistemi di generazione
Pompe di calore
– UNI 10348: formula rudimentale
– EN 15316-4-2: trattazione completa di pompe di calore elettriche, a gas,
ad assorbimento, con diverse sorgenti
Solare termico
– da dati di prodotto o dai dati dei componenti
CHP (cogenerazione):
– Metodo tabellare estremamente semplificato
– Rimanda a parametri a cura del costruttore
Teleriscaldamento
– EN 15316-4-X: bilancio energetico complessivo del sistema
– Non va nel dettaglio dei componenti di perdita e fornisce valori “arbitrari”
(ad esempio Ammette l’uso di dati di gestione a consuntivo,
rendimento distribuzione = 0,9…)
31/01/2011
Ing. SOCAL - Rendimenti impianti
Ing. SOCAL - Rendimenti impianti
144
72
Schema impianto acqua calda sanitaria
ENERGIA
ELETTRICA
T
40°C
RICIRCOLO
DISTRIB.
FINALE
DISTRIBUZIONE
COMBUSTIBILE
EROGAZIONE
Energia
primaria
GENERAZIONE
ACCUMULO
DISTRIBUZIONE
PRIMARIA
31/01/2011
FABBISOGNO DI
ENERGIA UTILE
Ing. SOCAL - Rendimenti impianti
145
Espressione dei fabbisogni
I fabbisogni si esprimono in litri di acqua ad una determinata
temperatura
– Spesso riferiti in passato a 60 °C
– E’ corretto il riferimento a 40°C perché è la temperatura effettiva di utilizzo
e permette di correggere i dati in base alla temperatura dell’acqua fredda
sanitaria.
I fabbisogni sono definiti per:
Dimensionamento del sistema di produzione dell’acqua calda sanitaria
UNI 9182 carico giornaliero massimo, durata del periodo di punta
Calcolo della prestazione energetica
UNI-TS 11300 carico giornaliero medio
Etichettatura dei prodotti
Norme armonizzate fabbisogno e modalità di prelievo nelle 24 ore
31/01/2011
Ing. SOCAL - Rendimenti impianti
Ing. SOCAL - Rendimenti impianti
146
73
Fabbisogno di energia utile
per acqua calda sanitaria secondo UNIUNI-TS 11300
11300--2
IN GENERALE…
QW = ∑Vw ⋅ ρ ⋅ C ⋅ (θw −θ0 ) [ Wh]
VW [m³]
Fabbisogno specifico in funzione della tipologia di utenza
ρ [kg/m³]
Densità dell’acqua, 1000 kg/m³
C [Wh/kg·K]
Calore specifico dell’acqua = 1,16 Wh/kg·K
θw [°C]
40 °C
Temperatura di riferimento dell’acqua calda
θ0 [°C]
15 °C
Temperatura di default nazionale
Riferimento alla temperatura di utilizzo per tener conto correttamente delle
eventuali variazioni della temperatura dell’acqua fredda sanitaria
31/01/2011
147
Ing. SOCAL - Rendimenti impianti
Fabbisogno per acqua calda sanitaria
UTENZE RESIDENZIALI
Vw = a ⋅ nu = a (Su ) ⋅ Su [l / gg]
a [l/m²·gg]
Fabbisogno specifico, funzione della superficie
Su [m²]
Superficie utile dell’unità immobiliare servita
Superficie utile Su [m2]
Fabbisogno giornaliero
[l/m² —gg]
<= 50
50 - 200
> 200
a
1,8
4,514 * Su-0,2356
1,3
31/01/2011
Ing. SOCAL - Rendimenti impianti
Ing. SOCAL - Rendimenti impianti
148
74
300
30
250
25
200
20
150
15
100
10
50
5
0
0
0
50
100
150
Fabbisogno kWh/m² kWh/gg
Fabbisogno l/gg
Fabbisogno per acqua calda sanitaria: residenziale Lombardia
200
Superficie utile m²
Fabbisogno specifico l/gg
Fabbisogno specifico kWh/m²
Energia utile specifica kWh/gg
LOMBARDIA kWh/m²
31/01/2011
149
Ing. SOCAL - Rendimenti impianti
Fabbisogno di acqua calda sanitaria UNIUNI-TS 1130011300-2
UTENZE DIVERSE Vw = a ⋅ nu ⋅ focc [l / giorno ]
A
Nu
QW,nd
kWh/m² anno
Hotel 1-2-3-4- stelle- senza lavanderia
40-60-80-90
Numero di letti
20…50
Hotel 1-2-3-4- stelle- con lavanderia
50-60-70-90
Numero di letti
20…50
Altre attività ricettive
28
Numero di letti
≈ 30
Attività ospedaliera senza pernottamento
10
Numero di letti
Attività ospedaliera con pernottamento
90
Numero di letti
20…30
Scuole materne ed asili nido
15
Numero di alunni
10…15
Attività sportive
100
Numero docce
Uffici
0,2
m² superficie utile
Tipo di attività
2,1
VALORI INDICATIVI
VALORI EFFETTIVI IN FUNZIONE DELLE SUPERFICI SPECIFICHE
ANCHE PER ALTRI SERVIZI NELLA MEDESIMA STRUTTURA
31/01/2011
Ing. SOCAL - Rendimenti impianti
Ing. SOCAL - Rendimenti impianti
150
75
Considerazioni sull’acqua calda sanitaria
Potenza per unità immobiliare con accumulo: 200 W
Potenza per unità immobiliare senza accumulo: > 24 kW
Con il sistema istantaneo:
– Minor spazio
– Portata disponibile limitata
– Instabilità della temperatura di erogazione
– Forte sovradimensionamento dell’impianto
– Generatore in temperatura 24/24 - 7/7
– Manutenzione frequente scambiatore
– Più difficile sfruttare la condensazione
– Rendimento di solito inferiore al sistema ad accumulo
31/01/2011
Ing. SOCAL - Rendimenti impianti
151
Perdite di erogazione acqua calda sanitaria
Acqua calda sanitaria (riscaldamento iniziale tubi ed accessori):
UNI-CTI: rendimento fisso 95%
prEN 15316-3-2: vari metodi che tengono conto della tipologia
delle tubazioni terminali, non interessate da ricircolo.
31/01/2011
Ing. SOCAL - Rendimenti impianti
Ing. SOCAL - Rendimenti impianti
152
76
Perdite di distribuzione acqua calda sanitaria
Rete interessata da ricircolo
come riscaldamento, calcolo analitico
RICIRCOLO
DISTRIBUZIONE
FINALE
40°C
Rete non interessata da ricircolo
coefficienti di perdita da tabella
Tipologia del sistema
Tipo di
distribuzione
Coefficiente di
perdita fl,d,w
Coefficiente
di recupero
frr,w,d
1. Sistemi installati prima dell’entrata
in vigore della legge 373/76
Senza tubazione
di ricircolo
0,12
0,5
3. Sistemi installati dopo l’entrata in
vigore della legge 373/76
Senza tubazione
di ricircolo
0,08
0,5
31/01/2011
Ing. SOCAL - Rendimenti impianti
153
Le costanti di tempo
I processi di raffreddamento spontaneo sono spesso rappresentabili con
una caratteristica semplice: la costante di tempo
In generale:
Capacità termica
[J / K ]
Costante di tempoτ =
.=
=s
Trasmittanza
[W / K ]
Alcuni esempi:
– Tubazione di riscaldamento o acqua calda sanitaria τ ≅ alcune ore
– Edificio riscaldato τ ≅ qualche decina di ore
– Bollitore per acqua calda sanitaria τ ≅ molte decine di ore
Le dispersioni termiche per conduzione attraverso un isolamento termico
dipendono esclusivamente dalla temperatura media
La costante di tempo consente di valutare rapidamente l’effetto di
funzionamenti ad intermittenza
31/01/2011
Ing. SOCAL - Rendimenti impianti
Ing. SOCAL - Rendimenti impianti
154
77
CURVA DI RAFFREDDAMENTO
50
Temperatura °C
45
1/2" isol. 19 mm
1" 1/4 isol. 40 mm
1/2" isol. 9 mm
1" 1/4 isol. 19 mm
1/2" isol. 6 mm
1" 1/4 isol. 9 mm
40
35
τ≈3,4 h
30
25
τ≈1,2 h
τ≈4,5 h
20
0.00
1.00
2.00
3.00
4.00
5.00
6.00
7.00
8.00
Ora
31/01/2011
155
Ing. SOCAL - Rendimenti impianti
Alcune costanti di tempo
Tubazione da ½ , non isolata, in aria:
Tubazione da ½ , isolata 9 mm:
Tubazione da ½ , isolata 19 mm:
20’
1h 12’
1h 30’
Tubazione da 1”, non isolata, incassata:
Tubazione da 1”, isolata 19 mm:
Tubazione da 1”, isolata 40 mm:
36’
2h 45’
4h 10’
Tubazione da 2”, non isolata:
Tubazione da 2”, isolata 19 mm:
Tubazione da 2”, isolata 40 mm:
1h 30’
6h 00’
10h 00’
31/01/2011
Ing. SOCAL - Rendimenti impianti
Ing. SOCAL - Rendimenti impianti
156
78
Rete non interessata da ricircolo
Diametro tipico ½” (distribuzione finale)
Costante di tempo ≈1 ora
3 cariche al giorno tutto il calore va in ambiente
Calore accumulato in ½”: 0,36 l/m 15 Wh/m
20 m 3 cariche 60 m x 15 Wh/m 900 Wh
Fabbisogno giornaliero 5 kWh
Efficienza: 80% per perdite di rete finale…
… praticamente inevitabile su carichi normali
Temperatura media sulle 24 ore: 24 °C
31/01/2011
Ing. SOCAL - Rendimenti impianti
157
Metodo analitico UNIUNI-TS 1130011300-2
si determinano le trasmittanze lineiche Ui degli elementi del sottosistema di
distribuzione, espresse in W/m·K, tenendo conto di diametro, spessore e conduttività
del coibente, tipologia di installazione;
si determinano le lunghezze Li degli elementi del sottosistema di distribuzione;
si determinano le temperature interna θw,i ed esterna θa,i degli elementi;
si determina la durata delle perdite ti;
si determina il fattore di recupero delle perdite fW,dis,rl per tener conto delle perdite
recuperabili ai fini del riscaldamento (fW,dis,rl=0 a di fuori del periodo di riscaldamento)
si calcolano le perdite totali QW,dis,ls e le perdite recuperabili QW,dis,rl
QW , dis,ls = ∑i Li ⋅ U i ⋅ (θ w,i − θ a ,i )⋅ ti
QW ,dis ,rl = ∑i Li ⋅ U i ⋅ (θ w,i − θ a ,i )⋅ ti ⋅ fW ,dis ,rl
si calcola l’energia ausiliaria totale W W,dis,aux (potenza pompa di ricircolo x durata ON);
si determina l’energia elettrica recuperata kw,dis,aux,rh·W W,dis,aux;
si calcola la quantità di calore richiesta alla generazione
QW ,dis ,in = QW , dis ,out + QW , dis ,ls − kW , dis ,aux , rh ⋅ WW , dis , aux
31/01/2011
Ing. SOCAL - Rendimenti impianti
Ing. SOCAL - Rendimenti impianti
158
79
Tubazione non isolata
corrente in aria
Tubazione isolata
singolarmente corrente in aria
U p ,air = 3,24 ⋅ π ⋅ d ⋅ (θ w − θ e )
0, 3
31/01/2011
U p ,air =
π
1
D
1
⋅ ln +
2 ⋅ λD
d α air ⋅ D
Ing. SOCAL - Rendimenti impianti
 W 
 m ⋅ K 
159
Esempio calcolo dispersioni
Esempio: dispersione tubo da 1” a 50 °C
Diametro esterno 32 mm
Spessore e conduttività isolamento: 19 mm, 0,04 W/mK
Trasmittanza lineica tubazione: 0,24 W/mK
Temperature interna/esterna 50 °C / 20 °C ∆T = 30 °C
Durata in temperatura 8760 h/anno
Rendimento impianto: 0,8
Potere calorifico e costo metano: 9,6 kWh/Stm³ 0,65 €/Stm³
Consumo di metano: 8,04 Stm³/m·anno 5,2 €/m·anno
31/01/2011
Ing. SOCAL - Rendimenti impianti
Ing. SOCAL - Rendimenti impianti
160
80
Temperature interne ed esterne della rete
Temperatura interna tratti rete con ricircolo: 48 °C
Temperatura interna tratti senza ricircolo: 23…25 °C
Temperature esterne alla rete
tubazioni all'interno od in murature affacciate all'interno
20 °C
tubazioni affacciate all'esterno
temperatura esterna media mensile o annua;
tubazioni affacciate su locali non riscaldati:
calcolo temperatura in accordo con fattore b del locale
tubazioni in centrale termica:
esterna + 5°C
tubazioni interrate
temperatura media stagionale annua.
31/01/2011
161
Ing. SOCAL - Rendimenti impianti
Carico impulsivo
Tutto il calore
accumulato nella rete
viene disperso in
ambiente.
Andamento giornaliero della temperatura
in una tubazione dell'acqua calda sanitaria
50
Temperatura °C
45
40
Non serve coibentare
molto le tubazioni.
Coibentando aumentano
la temperatura media e le
dispersioni
35
30
25
20
0.00
6.00
12.00
18.00
Ora
31/01/2011
Ing. SOCAL - Rendimenti impianti
Ing. SOCAL - Rendimenti impianti
0.00
La temperatura media è
inferiore a quanto si
pensa
162
81
Rete interessata da ricircolo
Costanti di tempo spesso maggiori di 4 h
Possibile un intermittenza del ricircolo
risparmio soprattutto di energia elettrica
Necessari forti spessori di isolamento
19 mm non sono mai sufficienti …
Se si deve rispettare caduta massima 2 °C…
portata minima in funzione della lunghezza della rete
31/01/2011
163
Ing. SOCAL - Rendimenti impianti
Perdite di accumulo
Dispersione della superficie del bollitore
QW , sto ,ls
S s ⋅ λs
=
⋅ (θ s − θ a ) ⋅ t s
ds
S s ⋅ λ s W/°C dichiarati
=
dal costruttore
ds
– Ss = superficie esterna bollitore
– λs = conducibilità materiale coibente
– ds = spessore materiale coibente
– ts = durata del periodo
m²
W/m·K
m
s
Non tiene conto degli eventuali ponti termici
Alternativa: potenza fissa per classe di volume del bollitore.
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Ing. SOCAL - Rendimenti impianti
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…in mancanza di altri dati…
Applicare la potenza delle perdite tabellata
per tutta la durata del periodo di calcolo
Equivale ad un bollitore condotto a 50 °C con 4 cm di isolamento
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Perdite circuito primario acqua calda sanitaria
Distanza tra accumulo e generatore ≤ 5 m e tubazioni
di collegamento isolate:
Le perdite per la distribuzione si considerano trascurabili.
Distanza tra accumulo e generatore ≤ 5 m e tubazioni
di collegamento non isolate
Le perdite per la distribuzione devono essere calcolate
secondo il metodo riportato nell’appendice A utilizzando
appropriate temperature dell’acqua nel circuito primario
Distanza tra accumulo e generatore > 5 m
Utilizzare il metodo di calcolo dell’appendice A
Non preso in considerazione nel metodo Lombardia.
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Perdite di generazione acqua calda sanitaria
Per generatori autonomi in funzione di sola produzione acqua calda
sanitaria (anche combinati nel periodo estivo), si usano dati di prodotto
oppure la tabella.
In tutti gli altri casi (generatori centralizzati, a servizio misto, ecc.) si usa
il metodo per il riscaldamento con il pertinente carico
Rendimento * Rendimento
istantaneo
Stagionale
Tipo di apparecchio
Versione
(%)
(%)
Tipo B con pilota permanente
75
45
Generatore a gas di tipo
istantaneo per sola produzione
Tipo B senza pilota
85
77
di acqua calda sanitaria
Tipo C senza pilota
88
80
75
40
Generatore a gas ad accumulo Tipo B con pilota permanente
per sola produzione di acqua
Tipo B senza pilota
85
72
calda sanitaria
Tipo C senza pilota
88
75
Bollitore elettrico ad accumulo
95
75 **
A camera aperta
84
70
Bollitori ad accumulo
a fuoco diretto
A condensazione
98
90
(*) Se è disponibile il rendimento istantaneo dichiarato dal costruttore, in assenza di calcolo
specifico si determina il rendimento stagionale sottraendo 15%
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