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) 2 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. 3 BILANCIO ENERGETICO DELL’EDIFICIO PASSIVHAUS 4 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. 5 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? 6 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) 7 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 8 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 9 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.). 10 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). 11 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 13 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. 14 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. 15 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: 16 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. 17 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 18 FABBISOGNO ENERGETICO per la climatizzazione estiva Il fattore di utilizzazione delle dispersioni 19 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. 20 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 21 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. 22 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 24 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. 25 Fabbisogno di energia termica per acqua calda sanitaria VW corrisponde al volume d’acqua richiesto 26 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 27 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 28 Fabbisogno di energia termica per acqua calda sanitaria 29 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). 30 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: 32 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 33 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: 34 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. 35 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 36 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 37 SISTEMA IMPIANTO PRODUZIONE ACS 38 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) 39 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): 40 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