1.Bilancio energetico negli edifici

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Riscaldamento e Raffreddamento
1. Bilancio energetico negli edifici
Uno degli obiettivi della progettazione architettonica dell'edificio deve essere
di provvedere ad un ambiente interno confortevole e a basso costo. Il comfort
termico, una delle condizioni necessarie per il comfort, deve essere
raggiungiunto con un razionale uso dell'energia, ad esempio , gli edifici
dovrebbero godere di ottime condizioni di comfort durante tutto l'anno,
quindi, minimizzare il consumo ausiliare d'energia. Il sistema HVAC
(riscaldamento, ventilazione ed aria condizionata) sono solamente necessari
per supplire alle necessità che non possono essere coperte con mezzi naturali .
Il disegno architettonico gioca un ruolo fondamentale nel raggiungimento di
questi obbiettivi. Il processo di disegno deve seguire una serie di regole
stabilite che possono essere dedotte facilmente dai principi di base come se
indicano una delle seguenti sezioni. Anche se queste regole sono valide in
tutte le circostanze, un particolare rilievo sarà dato alle conclusioni specifiche
che possono essere progettate per gli edifici nei più caldi climi sud europei.
I tipi di energia che influenzano l'equilibrio termico in un edificio sono:
Conduzione attraverso l'involucro
Questa condizione è proporzionale al U- valore medio de l'involucro e
rappresenta una perdita d'energia in inverno e un aumento in estate.
L'assorbimento di radiazione solare sulla superficie di altri involucri
contribuisce all' incremento del guadagno in estate, diminuendo le perdite in
inverno. In un involucro bene isolato, il contributo solare è abbastanza piccolo
e normalmente trascurabile.
Scambio d'aria
Questa azione rappresenta la quantità d'energia necessaria per portare l'aria
esterna che entra nell' edificio con infiltrazione e ventilazione alle condizione
interne desiderate. L'infiltrazione dipende dalla permeabilità dell'involucro e
può essere controllata soltanto fino a certo punto. Un minimo di scambio
d'aria è necessario per ottenere un livello accettabile di qualità interna
dell'edificio . Questo scambio d'aria rappresenta una perdita di calore in
inverno e un aumento in estate.
Il guadagno solare attraverso le superfici vetrate
Questo rappresenta la quantità d'energia solare che entra nell' edificio
attraverso le finestre el e altre superfici vetrate. Rappresentando sempre un
guadagno di calore, sia d'estate che d'inverno.
Guadagno interno
Questo è dato da tutte le fonti di calore all'interno dell'edificio, vale a dire gli
occupanti, gli apparecchi, le luci ed le altre attrezzature. Queste fonti derivano
dalle attività normali che si realizzano all'interno del posto. Inoltre questo
rappresenta sempre un guadagno di calore.
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Risorse energetiche ausiliare
Quest'ultime sono date dalla quantità d'energia fornita da tutte le
apparecchiature, sia di riscaldamento come di raffreddamento, che possono
essere attivate specificamente allo scopo di controllare le condizioni ambientali
all'interno per dare comfort. La temperatura è più evidente delle variabili
controllate, anche se la velocità dell'aria e dell' umidità sono, o possono
essere, anche importanti.
1.1. Condizioni d'oscillazione di temperatura
1.1.1. Perdite e guadagni
Anche se un semplice bilancio energetico potrebbe essere usato per descrivere
un edificio, le differenze nelle direzioni dei flussi di energia vengono
giustificate inizialmente, usando due, uno per l'inverno e un altro per l'estate,
portando ad essere più chiare le conclusioni desiderate. Questi equilibri sono
indicati nella fig. 1. e conducono alle equazioni che definiscono l'energia
ausiliaria necessaria sotto circostanze termostatiche.
Condizioni invernali
Q a u x = Q le Q l v −Q g s −Q g i
Condizioni estive:
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Fig. 1 - Equilibrio energetico in estate
Q a u x = Q le Q l v Q g s Q g i
Scrivendo il termine che rappresenta lo scambio d'aria come:
Q v =∗C p ∗V ∗T a− T i 
ed il termine di conduzioni come:
Q c =U ∗ A∗ T i −T a 
presupponendo quasi – costante – condizione, per esempio, termini medi sopra
una durata sufficiente lunga, entrambe queste equazioni possono essere usate
per stabilire la temperatura all'interno della media sotto le condizionil'oscillazio ne
Inverno:
T i =T a 
Q gi  Q g s −Q le
∗V ∗C p
(1)
Estate:
T i =T a 
Q gi  Q g s Q le
∗V ∗C p
(2)
Come prima conclusione importante disegnata dalle equazioni 1 e 2, la temperatura media interna è sempre superiore alla temperatura esterna media sotto condizioni di temperatura d'oscillazione, per esempio, il modo di funzionamento naturale in costruzioni senza sistemi energetici ausiliarii
1.1.2. Bilancio energetico per il calcolo di temperatura interna.
1.1.2.1. Condizioni invernali
In inverno la differenza fra la temperatura media all'interno e all'esterno dipende
dai guadagni interni solari ed aumenta mentre loro aumentano. Il giusto termine
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nell'equazione 1 può raggiungere un livello significativo in costruzioni bene isolate (cioè, con il uA basso) con gli alti guadagni solari
Fig. Sequenza Fig. - Temperatura medio in Europa a Gennaio
Fig.3 mostra le temperature esterne medie in Europa gennaio [1], il mese più
freddo dell'anno. Raggiungere gli stati di comfort termico, un aumento minimo di
più di10 C sul livello di temperatura interna è necessario. Questo è impossibile
da raggiungere solamente con i guadagni interni solari per tutto il tempo. Quin di, anche se i guadagni e l'isolamento solare dell'involucro possono certamente
contribuire in modo considerevole, il riscaldamento ausiliario può essere necessario dappertutto.
1.1.2.2. Condizioni estive
In estate, è assolutamente necessario mantenere i guadagni solari interni con
valori bassi, altrimenti la temperatura dell'interno media può essere molto superiore al livello esterno medio e quindi causare il surriscaldamento. Nella fig - - mostra la temperatura esterna media in Europa durante il mese di luglio, il più
caldo, secondo le annotazioni meteorologiche. Si può osservare che ci sono alcune regioni nel sud dove le temperature esterne medie sono vicino o sopra i livelli
di comodità (> 23ºC). A meno che qualche mezzo di raffreddamento passivo
(raffreddamento radiativo or evaporativo e tubi di terra [ 2 ]) sia previsto, non c'è
dubbio che anche il disegno architettonico più notevole può raggiungere la comodità d'estate in quelle regioni. Limitare i guadagni solari ed isolare l'involucro
possono tuttavia offrire un contributo maggiore per riduzione del carico, quindi
evitante le esigenze di grandi sistemi di raffreddamento ausiliari. Nella maggior
parte dell' Europa, tuttavia, non c'è un grande salto fra lil range ottimale interno
25- 26ºC ed il livello di temperatura esterno medio. Quindi è assolutamente fatti bile progettare ledifici che, in assenza dei carichi interni significativi, possono
stare bene naturalmente durante tutto l'estate.
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1.1.3. Il ruolo dell' inerzia
1. L'inerzia gioca un ruolo fondamentale nel controllo della temperatura all'inter no nelle condizioni oscillanti sia d'inverno che d'estate. Le equazioni 1 e 2 pro ducono le temperature medie in un determinato periodo rappresentativo (un
mese, una settimana, o minimi, pochi giorni) Quindi, le oscillazioni di tempe ratura interna, certamente accadono. Per ottimizzare il comfort interno, tutta via, è necessario minimizzare quelste oscillazioni. Questo è il ruolo che la
massa termica deve svolgere, come è dimostrato comunemente nell'architettu ra tradizionale nella regione europea del sud, più calda, dove i regimi fluttuan te sono stati la norma. La figura 5 illustra l'influenza del livello d'inerzia dell'
edificio sulle oscillazioni di temperatura interna per lo stesso profilo termico
esterno. È chiaro come, un' inerzia elevata media risulta in più piccole oscillazioni e in una proporzione molto alta delle temperature interne all'interno di
una gamma di comfort. L'inerzia bassa mostra chiaramente che in molte ore
del giorno il comfort non è possibile.
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Fig. Sequenza Fig. - Temperatura media interna secondo l'inerzia interna dello spazio.
1.1.4.Il ruolo della ventilazione naturale
La ventilazione naturale incrociata in estate può anche giocare un ruolo im portante insieme alla inerzia termica. Permettendo gli alti tassi di ventilazione
naturale quando la temperatura esterna è più bassa della temperatura interna
prevalente, principalmente nella notte, è possibile raffreddare la carica di
massa termica interna. Questo effetto di raffreddamento dà una capacità sup plementare alla massa termica di assorbire i guadagni di calore durante il periodo di alta esposizione solare, durante le ore di giorno. La figura... mostra
come la ventilazione naturale durante un periodo limitato della notte abbassa
la temperatura interna della stanza [ 3 ]
Fig. Sequenza Fig. -
La ventilazione naturale abbassa la temperatura interna
1.2Controllo della temperatura termostatica
Sotto il controllo della temperatura termostatica, le considerazioni sono abba-
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stanza simili. Effettivamente, l'obiettivo principale è la riduzione dei bisogni
d'energia ausiliari. Riducendo contemporaneamente i bisogni d'energia ausiliari sia in inverno che in estate, è necessario:
1.2.1.La riduzione del trasferimento di calore attraverso l'involucro
Per ridurre il trasferimento di calore attraverso l'involucro, il loro valore U
deve essere ridotto. L'isolamento è il modo più facile di raggiungere questo
obiettivo. È utile durante tutto l'anno, tranne che i guadagni interni solari sono
troppo alti, ma queste sono due situazioni da evitare e di solito vanno di pari
passo, rispettivamente, insieme all'esigenza dell'aria condizionata e con pro getto architettonico sbagliato.
1.2.2. La riduzione di infiltrazione e lo scambio di ventilazione
L'infiltrazione deve essere ridotta, cercando di evitare l'eccesso non necessario. Può avere senso adottare sistemi meccanici, quando i mezzi naturali possono fornire lo stesso risultato con solo una perdita secondaria di controllo
del processo di scambio d'aria, in cui gli eccessi sono presenti. I sistemi effi cienti di ventilazione meccanica possono essere un complemento utile in una
strategia ibrida che assicura un minimo di cambio d'aria quando le condizione
esterne (vento, temperatura) non sono adatte alla ventilazione naturale.
1.2.3. L'incremento interno ed i guadagni solari in inverno e la
riduzione interna ed i guadagni solari in estate
A prima vista, le due affermazioni del titolo possono sembrare contradditto rie, ma sono realmente compatibili e conducono ai concetti più importanti per
il risparmio energetico del progetto architettonico (o bioclimatico). La figura .
7 mostra la quantità di guadagni di calore nei vari orientamenti per l'inverno,
l'estate e per la mezza stagione, a 40º di latitudine a nord si può osservare:
1. L'orientamento ottimale per i guadagni solari in inverno è a sud, o, almeno,
l'orientamento sud- est o sud- ovest. Qualunque altro orientamento contribui sce poco all'accumulazione d'energia solare.
2. D' estate, il sud è inoltre l'orientamento migliore per minimizzare i guadagni
solari. È fondamentalmente equivalente all'orientamento del nord che riceve
poca radiazione durante l'anno. Qualunque altro orientamento (sud.est, sudovest , est, ovest) dispone un'alta difficoltà sul bilancio energetico di un edifi cio in estate
3. In mezza stagione, quando il scarso riscaldamento o raffreddamento può essere necessario, la parte vetrata a sud è più o meno come qualsiasi altra da
est- ovest.
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Fig. Sequenza Fig. - I guadagni solari attraverso finestre di vetro semplice.
Quindi, la regola fondamentale è favorire le parti vetrate a sud, come il modo
migliore di raggiungere una buona prestazione termica dell'edificio. Le vetrate a
sud forniscono i guadagni solari in inverno, quindi potenzialmente contribuendo
ad una riduzione significativa dei bisogni di riscaldamento dell'edificio. Questo
principio può anche influenzare la forma e l'orientamento dell'intero edificio: le
figure rettangolari con i più grandi lati che si allontanano da est a ovest rappresentano il miglior progetto possibile.
D'estate, questo non può bastare. Anche se l'orientamento a sud è la cosa mi gliore, tuttavia questo rappresenta ancora un guadagno considerevole di calore.
È necessario quindi assolutamente limitare i guadagni solari, con un sistema di
ombreggiatura. Questi sistemi dovrebbero comportarsi preferibilmente in modo:
diretto e diffuso, dovrebbero essere luce colorata ed essere disposti sulla parte
esterna della costruzione. I sistemi di ombreggiatura interna sono molto meno
efficaci.
Questi temi saranno studiati più dettagliatamente altrove.
2. Conclusione
È stato dimostrato che, attraverso i bilanci energetici molto semplici, è possibile
derivare le regole principali che permettono l'ottimo rendimento negli edifici:
a) Adottando un involucro con un ottimo rendimento, attraverso isolamento (alle
pareti, nei tetti, nei marciapiedi e nelle superfici vetrate - la doppia vetrata non
può essere redditizia nei climi molto caldi d'inverno);
b) Scambio d'aria limitato a livelli suggeriti, evitando i valori eccessivi;
c) Soluzioni favorevoli che rendono i guadagni solari passivi in inverno. La forma
e l'orientamento della costruzione devono ricevere un'adeguata attenzione dei
progettisti dall'inizio e devono essere completate con maggior superficie veCapitolo 3
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trate orientate a sud e non ombreggiate con ostacoli esterni;
d) Fornire una completa ombreggiatura esterna ad ogni superficie vetrata in estate;
e) Adottare soluzioni di massa termica "pesante", specialmente quando il regime
oscillante sarà la norma;
f) Tenere in conto della ventilazione naturale d'estate dove le condizioni esterne
lo suggeriscono.
Seguendo queste regole semplici, è possibile progettare edifici che richiedono
poca quantità d'energia ausiliarie mantenendo il comfort interno. Il raffreddamento può persino essere evitato complessivamente nella maggior parte dell' Europa se non ci sono guadagni interni significativi.
3. Riferimenti
1. European Passive Solar Handbook, preliminary edition. Edited by P Achard and
R Gicquel. Commission of the European Communities, 1986.
1. M Santamouris. Natural Cooling Techniques. In Proceedings of the Workshop
on Passive Cooling, pp. 143- 153, Joint Research Centre, Ispra, 1990.
2. F. Allard, et al. Natural ventilation in Buildings. James and James, 1999.
3. E. Maldonado et al. Efficient Ventilation Techniques for Buildings. DG TREN,
THERMIE report, University of Porto, 2000.
4. Sandberg, M. "What is Ventilation Efficiency?" Building and Environment,
vol.16 (1981), pp.123- 135.
5. Anderson, R. "Determination of ventilation efficiency based upon short term
tests". Proc. of the 9th AIVC Conference (Effective Ventilation), September
1988, vol.l, pp.43- 62.
6. Review of Low Energy Cooling Technologies”, Annex 28 of the International
Energy Agency, Energy Conservation in Buildings and Community Systems
Programme. Natural Resources Canada, December de 1995.
7. Mark Zimmermann e Johnny Andersson. “Case Study Buildings, Low Energy
Cooling”, Annex 28 of the International Energy Agency, Energy Conservation in
Buildings and Community Systems Programme. EMPA, Switzerland, 1998.
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