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fabbisogno di energia termica dell'edificio per la climatizzazione invernale ed estiva parte 2

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Corso di Energetica degli Edifici
Docenti:
Prof. Ing. Marco Dell’Isola
Ing. Fernanda Fuoco
Facoltà di Ingegneria
Facoltà di Ingegneria
Università degli studi di Cassino
Università degli studi di Cassino
Fabbisogno energetico dell’involucro per la
climatizzazione invernale:
considerazioni progettuali
[email protected]
BILANCIO ENERGETICO DELL’EDIFICIO
Siamo in grado di calcolare il fabbisogno energetico per un qualsiasi edificio:
BILANCIO ENERGETICO DELL’EDIFICIO:
 Le perdite (per DISPERSIONE)
– Dispersione per TRASMISSIONE
– Dispersione per VENTILAZIONE
(Qth)
(Qvh)
 Ciò che edificio guadagna (APPORTI)
deve essere sottratto nel bilancio:
– Apporti energetici INTERNI
– Apporti energetici SOLARI
(Qih)
(Qsh)
Gli apporti non sono tutti sfruttabili, vanno
decrementati con il fattore di utilizzazione
(ηuh)
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BILANCIO ENERGETICO DELL’EDIFICIO
LA DIFFERENZA FRA DISPERSIONI E APPORTI (CORRETTI) È PROPRIO
IL FABBISOGNO DI ENERGIA PER IL RISCALDAMENTO
• Questo metodo può essere applicato su base mensile o stagionale
 MENSILE: si sommano i consumi di ciascun mese.
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BILANCIO ENERGETICO DELL’EDIFICIO
 PASSIVHAUS
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BILANCIO ENERGETICO DELL’EDIFICIO
Passivhaus: La casa è detta passiva perché la
somma degli apporti passivi di calore
dell'irraggiamento solare trasmessi dalle finestre e
il calore generato internamente all'edificio
da elettrodomestici e dagli occupanti stessi sono
quasi sufficienti a compensare le perdite
dell'involucro durante la stagione fredda.
Requisiti di una casa passiva:
fabbisogno energetico utile richiesto per il riscaldamento ≤ 15 kWh/(m²a) fabbisogno
energetico utile richiesto per il raffrescamento ≤ 15 kWh/(m²a)
fabbisogno energetico primario di energia ≤ 120 kWh/(m²a
Queste prestazioni si ottengono con una progettazione molto attenta, specie nei
riguardi del sole, con l'adozione di isolamento termico ad altissime prestazioni su
murature perimetrali, tetto e superfici vetrate e mediante l'adozione di sistemi
di ventilazione controllata a recupero energetico.
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BILANCIO ENERGETICO DELL’EDIFICIO
Per diminuire il fabbisogno, si può :
• Contenere le dispersioni
• Aumentare gli apporti
• (oppure agire su tutte e due)
Bisogna tenere presente che i due interventi non sono fra loro indipendenti:
• Ad esempio, diminuendo la trasmittanza termica (Ug) delle vetrazioni si ha anche,
in linea generale, una diminuzione del valore di trasmittanza solare (g), a meno di
muoversi verso vetrate ad alte prestazioni.
• Cambia anche il fattore di utilizzazione degli apporti termici
• Quale strategia conviene?
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BILANCIO ENERGETICO DELL’EDIFICIO
Una volta calcolato il fabbisogno energetico per il riscaldamento:
 Capire l’influenza dei vari termini in gioco nel bilancio [perdite di trasmissione,
perdite di ventilazione, apporti gratuiti (solari+ interni)]


•
•
•
•
Valutarne l’incidenza al variare dei seguenti parametri principali:
U media dell’ involucro
U serramento
g serramento
Sup. trasparente / sup pavimento
Rapporto S/V (Sup. disperdente/Volume riscaldato)
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BILANCIO ENERGETICO DELL’EDIFICIO
 Come abbassare il fabbisogno energetico?
•Orientamento e corretto rapporto S/V
dell’edificio
•Elevato isolamento termico pareti opache
•Finestre termoisolanti
•Controllo della ventilazione
•Assenza o riduzione dei ponti termici
•Sfruttamento energia solare
•Ottimizzazione scelta impiantistica
•Accurata esecuzione dei lavori
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BILANCIO ENERGETICO DELL’EDIFICIO
Distribuzione degli ambienti
I locali come soggiorno, studio e camere da letto dovrebbero
essere collocati verso Sud, dove godrebbero di irraggiamento
diretto, illuminazione naturale ed aperture più ampie; mentre i
locali di servizio come cucine, bagni e corridoi dovrebbero essere
collocati verso Nord per contrastare al meglio il fronte più freddo.
•Orientamento dell’edificio
L’esposizione a sud consente di catturare i raggi solari attraverso le
vetrate in inverno e di schermarle facilmente in estate con tende
mobili, pannelli frangisole.
•Capacità termica
Più alto è il valore di C (capacità
termica), maggiore è la capacità del
materiale di accumulare calore e
quindi maggiore è l’ inerzia termica
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BILANCIO ENERGETICO DELL’EDIFICIO
Il metodo di calcolo proposto può essere dunque utilizzato per:
 Calcolare il livello di prestazione energetica degli edifici
 Valutare l’effetto di possibili misure di risparmio energetico su un edificio
esistente o ottimizzare le prestazioni energetiche di un edificio in fase di
progetto (confrontare diversi edifici proposti).
Elaborare, per l’intero edificio, una concezione energetica, descriverla e
rappresentarla graficamente. In particolare, dovrebbero essere chiaramente espresse e
commentate le strategie che hanno permesso il soddisfacimento del limite di
consumo energetico (scelta dei livelli di isolamento, rapporti tra superfici trasparenti
e opache, gestione della ventilazione etc.).
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BILANCIO ENERGETICO DELL’EDIFICIO
• Precisione del metodo
Il grado di corrispondenza fra ciò che si è calcolato (Asset rating) e il consumo reale
dell’edificio (Operational rating) viene a dipendere essenzialmente dalla qualità dei dati di
ingresso (spesso non noti con precisione).
Il confronto con modelli numerici in regime dinamico porta ad una buona
corrispondenza (a patto di usare lo stesso set di dati in ingresso per tutti i modelli
di calcolo).
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Corso di Energetica degli Edifici
Docenti:
Prof. Ing. Marco Dell’Isola
Ing. Fernanda Fuoco
Facoltà di Ingegneria
Facoltà di Ingegneria
Università degli studi di Cassino
Università degli studi di Cassino
Fabbisogno energetico dell’involucro per la
climatizzazione estiva
[email protected]
FABBISOGNO ENERGETICO per la
climatizzazione estiva
Qgn : Apporti termici globali
QC, ht: Scambio termico totale
η C,is: Fattore di utilizzazione delle
dispersioni
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FABBISOGNO ENERGETICO per la
climatizzazione estiva
 Allo stesso modo del fabbisogno energetico per il riscaldamento, si calcola il
fabbisogno per il raffrescamento:
 Il fabbisogno energetico annuale per il raffrescamento di un ambiente climatizzato
viene determinato sommando il fabbisogno energetico calcolato su base mensile.
 Viene definito un fabbisogno energetico dell’involucro per la climatizzazione estiva,
Qc, calcolato su base mensile e i cui limiti sono definiti dal valore positivo del
fabbisogno.
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FABBISOGNO ENERGETICO per la
climatizzazione estiva
L’energia termica dell’edificio per l’estate, ovvero il fabbisogno di energia
termica dell’edificio per l’estate, è data dalla seguente equazione:
Dove:
Qg,c e l’apporto termico totale;
Ql,c e lo scambio termico totale;
Qs,c sono gli apporti termici solari;
Qi,c sono gli apporti termici interni;
ηu,c e fattore di utilizzazione delle dispersioni termiche;
Qt,c e lo scambio termico per trasmissione;
Qv,c e lo scambio termico per ventilazione.
Nota bene: Il valore della temperatura media mensile stagionale (estiva) θe viene fornito
dalla norma UNI 10349, mentre la temperatura interna θi viene considera costante e pari a
26°C, per tutte le categorie di edifici ad esclusione delle categorie E.6(1), E.6(2), E.87.
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FABBISOGNO ENERGETICO per la
climatizzazione estiva
 La stagione di raffrescamento è il periodo durante il quale si utilizza un impianto di
climatizzazione per mantenere la temperatura dell’ambiente interno entro il valore
di progetto ovvero:
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FABBISOGNO ENERGETICO per la
climatizzazione estiva
 Determiniamo i giorni limite del periodo di raffrescamento comi i giorni in cui la θe,day eguaglia il
secondo termini dell’equazione :
• Si procede mediante interpolazione lineare, attribuendo i valori medi mensili di temperatura riportati
nella UNI 10349 al quindicesimo giorno di ciascun mese.
ESEMPIO:
 Edificio ubicato a Reggio Emilia.
 Qgn,day è pari a 898 kWh per il mese di maggio, 1.025 kWh per giugno, 1.034 kWh per luglio,
820 kWh per agosto e 626 kWh per il mese di settembre.
Il coefficiente globale di scambio termico H è pari a 7.676 W/K (Htr = 5.595 W/K e Hve = 2.081
W/K).
Il periodo in cui è necessario raffrescare l’edificio inizia il
16 giugno e termina il 31 agosto.
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FABBISOGNO ENERGETICO per la
climatizzazione estiva
Il fattore di utilizzazione delle dispersioni per il raffrescamento
 Si definisce il rapporto tra gli apporti termici mensili e lo scambio termico mensile
 Se
Se
 Se
a C è un parametro numerico adimensionale che dipende dalla costante di tempo τ
definito dall’equazione:
UNI EN ISO 13790: 2008,
a C,0 = 1h e τ C,0 = 15 h
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FABBISOGNO ENERGETICO per la
climatizzazione estiva
Il fattore di utilizzazione delle dispersioni
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Indice di prestazione energetica relativa alla
climatizzazione estiva- EPe
Per la climatizzazione estiva invece, il D.P.R. n. 59/2009 definisce un indice di
prestazione energetica EPe per il raffrescamento dato da:
 nel caso di edifici residenziali della classe E1, esclusi collegi, conventi, case di pena
e caserme:
EPe = Qc / Su [kWh / m2 ・ annuo]
dove:
Qc e il fabbisogno energetico stagionale dell’involucro per il raffrescamento;
Su e la superficie netta calpestabile degli ambienti riscaldati.
 per tutti gli altri Edifici
EPe = Qc / V [kWh / m3 ・ annuo]
dove:
Qc e il fabbisogno energetico stagionale dell’involucro per il raffrescamento;
V e il volume netto degli ambienti riscaldati.
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Requisiti di qualità energetica
Sulla base dei valori assunti dal parametro EPe,invol, calcolati la norma tecnica e sue
UNI/TS 11300 – 1 Prestazioni energetiche degli edifici – Parte 1: Determinazione del
fabbisogno di energia termica dell’edificio per la climatizzazione estiva ed invernale
si definisce la seguente classificazione, valida per tutte le destinazioni d’uso:
Decreto Ministeriale
26 giugno 2009.
Classificazione degli
edifici in base ai
valori assunti dal
parametro EPe,invol
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Requisiti di qualità energetica
Altro parametro fondamentale è la Trasmittanza termica periodica, YIE.
(Procedura di calcolo descritta nella UNI EN ISO 13786)
Nel D.P.R. 2 aprile 2009, n. 59 sono prescritti i limiti di legge per la trasmittanza
termica periodica YIE relativa a:
 strutture verticali opache, ad eccezione di quelle comprese nel quadrante nordovest/ nord/nord-est, di qualunque zona climatica ad eccezione della zona f e nel mese
di massima insolazione estiva, un valore limite pari a 0.12 W/m²K;
 strutture orizzontali e inclinate, nel mese di massima insolazione estiva, pone un
valore limite pari a 0.20 W/m²K.
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Fabbisogno di energia termica
per acqua calda sanitaria
[email protected]
Fabbisogno di energia termica per
acqua calda sanitaria
Fabbisogno di energia termica netta necessaria
a riscaldare una determinata quantità d’acqua
fino alla temperatura di erogazione desiderata
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Fabbisogno di energia termica per
acqua calda sanitaria
Convenzionalmente si assume :
•Temperatura di erogazione =40°C,
•Temperatura d’ingresso al sistema impianto =15°C.
 Calcolo avviene su base mensile
 Si sommano i contributi mensili per risalire al fabbisogno utile annuale
Salto termico relativo alla temperatura
dell’acqua in entrata e in uscita dal
sistema, convenzionalmente pari a 25 °K.
N:B. Qualora si conoscessero i dati mensili delle temperature dell’acqua poichè resi noti
dall’ente erogatore odall’Amministrazione Comunale, bisogna riferirsi a tali dati,
specificandone l’origine.
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Fabbisogno di energia termica per
acqua calda sanitaria
 VW corrisponde al volume d’acqua richiesto
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Fabbisogno di energia termica per
acqua calda sanitaria
 Edifici ad uso abitativo
•Nu corrsponde al valore della superficie utile dell’edificio (m2)
•Il valore di a si ricava dalla norma UNI TS 11300 parte 2
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Fabbisogno di energia termica per
acqua calda sanitaria
 Edifici ad uso diverso da quello abitativo
•Valori di a ed Nu sono in funzione del consumo giornaliero e dei giorni
effettivi di occupazione. Prospetto norma UNI TS 11300 parte 2
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Fabbisogno di energia termica per
acqua calda sanitaria
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SISTEMA IMPIANTO PRODUZIONE
ACS
 Il sistema-impianto per la produzione acqua calda sanitaria si comporta allo stesso
modo dell’impianto di riscaldamento.
Viene suddiviso in sottogruppi o sottosistemi e ne vengono calcolate le perdite (o
rendimento) per valutarne l’efficienza.
Ai fini del calcolo, vengono considerati dunque i seguenti sottosistemi:
1. sottosistema di erogazione (pendice er);
2. sottosistema di distribuzione (pendice d);
3. sottosistema di accumulo (se esiste) (pendice s);
4. sottosistema di generazione (pendice gn).
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SISTEMA IMPIANTO PRODUZIONE
ACS
1. sottosistema di erogazione (pendice er)
Fabbisogno di energia in ingresso al sottosistema di erogazione è dato da:
•
Le perdite sono dell’ordine del 5% (tutte non recuperabili)
•
Il rendimento del sottosistema di erogazione è considerato del 95%
31
SISTEMA IMPIANTO PRODUZIONE
ACS
2. sottosistema di distribuzione (pendice d)
•
Fabbisogno di energia in ingresso al sottosistema di distribuzione è dato da:
•
Il rendimento del sottosistema distribuzione:
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SISTEMA IMPIANTO PRODUZIONE
ACS
2. sottosistema di distribuzione (pendice d)
Le perdite di distribuzione si calcolano:
• Sistema di distribuzione con ricircolo
Appendice A UNI TS 11300 Parte 2
• Sistema di distribuzione senza ricircolo Prospetto 30 UNI TS 11300 Parte 2
•Perdite di distribuzione
•Perdite recuperate
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SISTEMA IMPIANTO PRODUZIONE
ACS
1. sottosistema di accumulo (pendice s)
Solo se il serbatoio di accumulo si trova all’interno del generatore, si calcolano le
perdite.
Le perdite sono relative al serbatoio ed al circuito di collegamento serbatoio-generatore.
Le perdite del serbatoio si calcolano:
Nel caso in cui sia disponibile il valore della dispersione termica dell’apparecchio kboll
fornito dal costruttore, le perdite si calcolano:
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SISTEMA IMPIANTO PRODUZIONE
ACS
1. sottosistema di accumulo (pendice s)
Le perdite del circuito di collegamento serbatoio-generatore distingue tre casi:
•
se la distanza serbatoio-generatore è < o uguale a 5 m e le tubazioni sono isolate, le
perdite si considerano trascurabili (non vengono calcolate).
•
Se la distanza serbatoio-generatore è < o uguale a 5 m e le tubazioni di
collegamento non sono isolate, le perdite vengono calcolate secondo il calcolo
analitico proposto dall’Appendice A UNI TS 11 300.
•
Se la distanza serbatoio-generatore è >5 m, le perdite vengono calcolate secondo il
calcolo analitico proposto dall’Appendice A UNI TS 11 300.
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SISTEMA IMPIANTO PRODUZIONE
ACS
4. sottosistema di generazione (pendice gn)
Fabbisogno di energia in ingresso al sottosistema di generazione è dato da:
Il calcolo delle perdite di generazione è dato da:
Per il calcolo del rendimento del sistema di generazione bisogna distinguere tra i diversi
tipi di impianto per la produzione di acqua calda sanitaria:
a) Impianto indipendente dal riscaldamento (con proprio generatore di calore per la
produzione di ACS
b) Impianto combinato riscaldamento/ACS
c) Scalda acqua autonomo
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SISTEMA IMPIANTO PRODUZIONE
ACS
4. sottosistema di generazione (pendice gn)
Rendimento di generazione- Impianto tipo a)
i) Sistema a centralizzato
ii) Sistema a autonomo:
Si considerano i valori del rendimento forniti dal certificatore oppure i valori del
Prospetto 31 UNI TS 11300/2
Rendimento di generazione- Impianto tipo b)
Si calcola suddividendo l’anno in due periodi:
i) Stagione di riscaldamento in cui il fabbisogno di ACS si somma al riscaldamento
ii) Resto dell’anno nel quale il fattore di carico è determinato dai soli fabbisogni per
l’acqua calda sanitaria. In questo caso si usano i valori forniti e certificati oppure
valori Prospetto 31 UNI TS 11300/2
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SISTEMA IMPIANTO PRODUZIONE
ACS
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Fabbisogno di energia primaria per
acqua calda sanitaria
 Fabbisogno di energia primaria Qp,W per la produzione di ACS:
I fattori di conversione sono i seguenti:
•Combustibili fossili
•Energia elettrica
fp,i = 1
(il valore di riferimento per la conversione tra kWh elettrici e MJ
definito con provvedimento dell’Autorità per l’energia elettrica e il
gas, al fine di tener conto dell’efficienza media di produzione del
parco termoelettrico)
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Calcolo dei rendimenti del sistema
impianto
 Rendimento di generazione:
Perdite del sottosistema di
distribuzione. UNI TS 11300 parte 2
Perdite del sottosistema di accumulo
Perdite del sottosistema di
erogazione ̴ 5 %
 Rendimento medio stagionale (per sistemi dedicati alla sola produzione di ACS):
 Rendimento medio stagionale (per sistemi combinati):
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Indice di prestazione energetica per la
produzione di acqua calda sanitaria EPacs
EPacs = Qp,W / Su [kWh/m2anno]
dove:
Qp,W e il fabbisogno di energia primaria del sistema
Su e la superficie utile dell’edificio espressa in m2
N.B. L’indice di prestazione energetico ACS (acqua calda sanitaria), risulta riferito
all’energia primaria.
CONFRONTO
41
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