Appunti impianti termotecnici per l'edilizia 1

Impianti termotecnici per l’edilizia | Alessia Anna Feigl

Lezione n. 1 – 24 ottobre 2019

Fonti energetiche rinnovabili

Per il Lazio c’è la L.R. 6/2008 per ogni nuovo edificio la produzione di acqua calda sanitaria deve avvenire utilizzando fonti di energia rinnovabile (riuso di acqua piovana oppure impianto fotovoltaico).

L’energia degli edifici occupa il 40% del totale globale.

• Solare fotovoltaico o termico (per produrre acqua calda ad uso sanitario)
• Eolica
• Idroelettrica
• Biomasse pellet e cippato
• Risparmio energetico ottenibile senza costi

In precedenza, le lampadine utilizzate erano ad incandescenza: si riscaldavano grazie all’effetto Joule. In seguito, furono inventate le alogene con all’interno un gas rigenerativo del tungsteno che elevava la temperatura, facendo emettere radiazioni a diverse lunghezze d’onda parte di cui era visibile.

Le lampade a basso consumo sono le lampade al neon (tubi fluorescenti a scarica in gas, in genere 4 tubi da 18W ciascuno) o le lampade al led, che consumano la metà di quelle al neon (4 tubi per 9W ciascuno anziché 4 tubi da 18W ciascuno).

È importante accendere le luci solo quando necessario, per questo è importante l’aiuto della domotica (con sensori di presenza).

Energetica degli edifici

L’energetica degli edifici studia lo scambio di calore tra il costruito e la massa circostante, scambio che avviene sempre attraverso l’involucro edilizio.

La direzione del flusso termico dipende dalle condizioni ambientali (dispersioni). In inverno si hanno fughe di calore verso l’esterno, calore che deve essere reintegrato tramite impianti di riscaldamento (Temperatura interna pari a circa 20 °C; temperatura esterna che può raggiungere anche 0 °C). In estate la temperatura interna viene mantenuta pari a circa 26 °C, mentre la temperatura esterna può raggiungere anche i 40 °C; per questo motivo si ha una rientranza di calore verso l’interno.

Richiami della fisica tecnica

Trasmissione del calore

• Conduzione

HP: parete piana; indefinita lungo l’asse x; materiale omogeneo e isotropo; regime stazionario.

1 Impianti termotecnici per l’edilizia | Alessia Anna Feigl = = ( − ) Si definisce il campo termico, ovvero l’andamento delle temperature: è un andamento lineare.

I ponti termici si hanno in concomitanza delle finestre o di un’intersezione tra il solaio e la parete (si viene a creare un angolo).

Buoni conduttori sono le schiume poliuretaniche (devono essere porosi per contenere l’aria); l’aria il miglior isolante (0,02 W/m°C); si definiscono conduttori o isolanti in base al valore che assume λ [W/m°C] più alto è il valore, più il materiale è un conduttore. Per il laterizio λ=1 W/m°C; per il rame λ=380 W/m°C.

• Convezione

Avviene quando i corpi che si scambiano calore sono un fluido (gas/liquido) e un solido. = = ℎ ( − )

Ci sono due tipi di convezione: naturale, quando i moti vengono generati da gradienti di temperatura (moti convettivi); forzata, quando si utilizza, ad esempio, un ventilatore che facilita lo scambio di calore.

• Irraggiamento

= = ℎ ( − )

L’adduzione si ha quando si utilizza k=h +h .c r

Parete piana

HP: regime stazionario (il campo termico non varia con il tempo) = ( − ′) = (′ − ′′) = (′′ − )

In regime stazionario q = q = q .1 2 3

I salti termici sono dovuti alle resistenze termiche dei materiali.

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Temperatura fittizia temperatura di una parete in un ambiente fittizio, che non ha radiazione solare né diretta né indiretta ma si genera un flusso verso l’interno pari a q . È in2 funzione dell’ora, non è costante; deve essere in più bassa possibile.

Lezione n. 2 – 28 ottobre 2019

Prestazioni energetiche e sostenibilità ambientale degli edifici: normativa e procedure di calcolo

Gli strumenti della fisica tecnica (problemi di trasmissione del calore) vengono utilizzati per la redazione della certificazione energetica di un edificio, attraverso una metodologia di calcolo che generalmente è trascritta in alcune norme (Norme UNI per gli impianti termici; Norme CEI (Comitato Elettrotecnico Italiano) per gli impianti elettrici).

Per dimensionare un impianto si deve avere uno schema a blocchi (tutti gli impianti di condizionamento hanno determinate apparecchiature: ad esempio in casa si ha una caldaia con delle tubazioni che arrivano ai “terminali”, ossia i termosifoni).

Per esempio i termosifoni sono composti da un certo numero di elementi (modulare): per dimensionarlo si deve avere la geometria della stanza, ma bisogna anche sapere quanto la stanza in questione disperda (si ha l’obbligo di mantenere all’interno dell’ambiente un determinato schema termoigrometrico, ovvero un certo profilo delle temperature: in inverno 20 °C e in estate 26 °C; ad esempio in palestra in inverno si portano gli ambienti a 18 °C, perché le persone al loro interno producono un apporto di calore; nelle piscine si devono tenere gli ambienti ad una temperatura superiore, generalmente di 28 °C, in modo da evitare anche le esalazioni di cloro).

Bisogna comprendere quali sono i carichi termici dell’edificio, che devono essere considerati sia in inverno che in estate. La ricerca dei carichi termici si relaziona in maniera univoca con tutti i principi di trasmissione del calore; sono tutti metodi di calcolo che vengono ripresi e menzionati nelle norme tecniche. Tutti questi calcoli sono calcoli fatti in regime stazionario (non compare mai la variabile tempo); oggi, nei nuovi calcoli della certificazione energetica, si considera il regime quasi stazionario: il calcolo è fatto prendendo in esame dei periodi di tempo molto grandi, ad esempio un mese, per cui c’è una certa dipendenza dal tempo.

Tutto questo riconduce all’unità di grandezza che è l’energia, grandezza fondamentale: essa è definita come l’attitudine di un corpo a compiere lavoro; l’unità di misura è il Joule [J], stessa unità di misura del lavoro tra lavoro ed energia c’è una stretta correlazione. Ogni qualvolta un sistema produca o consumi lavoro si dice che esso consuma o produce energia.

La scala energetica va da G ad A4, con diverse colorazioni; accanto ad ogni lettera della scala c’è un valore numerico: questo numero ha come unità di misura il KWh/m² anno. Il KWh è una variante del Joule, deriva dalla potenza moltiplicata per un tempo [la potenza è il rapporto tra il lavoro e il tempo].

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Questo valore rappresenta l’indice di prestazione energetica del sistema: dice quanto il sistema consuma nel periodo di tempo di un anno.

Quel valore riguarda essenzialmente un sistema, nel nostro caso formato dall’edificio costituito dal suo involucro edilizio e dagli impianti in esso contenuti, a cui si riferisce la certificazione energetica.

Un edificio consuma perché deve soddisfare determinati fabbisogni: riscaldamento, produzione di acqua sanitaria, impianti di raffrescamento estivo (secondo la nuova normativa; una quantità di energia maggiore viene consumata in estate e non in inverno); a seconda della destinazione d’uso dell’edificio si possono avere altri fabbisogni energetici, che in genere riguardano il settore terziario: ventilazione meccanica, trasporto di persone o cose (ascensori, montalettighe, montacarichi).

L’efficienza energetica di un sistema sia esso di taglia industriale, o sia che ci si riferisca a strutture civili ed abitative, rappresenta la capacità di sfruttare l’energia ad essa fornita per soddisfarne il fabbisogno.

Minori sono i consumi relativi al soddisfacimento di un determinato fabbisogno, migliore è l’efficienza energetica della struttura (in termini di energia un edificio è molto efficiente quando consuma poco; l’energia spesa per i fabbisogni energetici è molto bassa).

Definire quindi l’efficienza energetica di un sistema, sia esso industriale che civile, può risultare complesso, a causa della varietà di apparati che lo compongono e della loro configurazione.

Attraverso lo studio degli usi finali e del settore di trasformazione (produzione di energia elettrica) è possibile individuare quali sono i settori maggiormente energivori, allo scopo di definire politiche mirate per un uso razionale dell’energia.

L’obiettivo della Comunità Europea entro l’anno 2050 è di avere tutti edifici NZEB (Near Zero Energy Building): sono edifici in cui gli impianti hanno grandi efficienze energetiche (alti rendimenti) e in cui agli impianti stessi sono associati l’utilizzo di fonti rinnovabili e un involucro edilizio performato (in cui le dispersioni sono basse).

I consumi del settore civile sono spesso dovuti ad un alto grado di inefficienza energetica delle utenze, sia per ciò che riguarda il fabbisogno termico che quello elettrico.

Il fabbisogno termico è dovuto principalmente alla necessità di riscaldamento degli ambienti abitativi ed alla produzione di acqua calda sanitaria. Pur mantenendo gli stessi confort è possibile diminuire drasticamente i consumi termici attraverso interventi che rendano più efficiente l’involucro dei fabbricati.

Il fabbisogno elettrico civile è per la maggior parte legato all’illuminazione ed all’alimentazione di utenze termiche. Il consumo elettrico relativo al funzionamento dell’elettronica è difatti di molto

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inferiore rispetto a quello delle lampade poco efficienti o di sistemi frigoriferi o dello scaldabagno elettrico. I maggiori interventi di efficientazione sono quindi da indirizzare verso una migliore tecnologia per i corpi illuminanti (lampade ad alta efficienza) e la sostituzione delle utenze termiche attraverso sistemi solari termici, pompe di calore e caldaie a condensazione. L’utilizzo di elettrodomestici di classe A permette un importante risparmio in termini di consumi energetici, e la sostituzione di vecchi elettrodomestici con sistemi energy saving (classe A) è incentivata mediante sgravi fiscali.

Per ottenere una certificazione energetica bisogna far ricorso alla normativa, sia a livello prescrittivo (Leggi e DPR) che a livello di norme tecniche (Norme UNI).

Dal 2001 (entrata in vigore dell’Unione Europea), le leggi vengono fatte prima a livello comunitario (e sono chiamate direttive); queste direttive vengono recepite dai diversi stati e diventano Leggi o DPR. Le norme tecniche danno la metodologia di calcolo (“le formule”).

Oggi, quella in vigore è la Legge 90/2013 (entrata in vigore il 1° ottobre 2015), con i suoi Decreti attuativi; la metodologia di calcolo è trascritta sulle norme UNI TS 11300 sono norme tecniche, nel numero di 6 (1, 2, 3, 4, 5, 6), ognuna delle quali permette di fare calcoli su un determinato parametro della certificazione.

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Le Direttive europee sono diverse; l’ultima direttiva è la 844/2018 e si prefigge l’obiettivo di avere edifici NZEB entro il 2050, con progetto di decarbonizzazione (evitare emissioni di CO2, emissione dovuta ai veicoli, al riscaldamento e quindi tutti i processi di combustione dovranno essere limitati).

Concetti fondamentali

• Efficienza energetica Capacità di sfruttare l’energia fornita ad un sistema per soddisfare il fabbisogno di strutture industriali, civili e/o abitative. Minori consumi relativi al soddisfacimento di un determinato fabbisogno = Migliore efficienza energetica.
• Prestazione energetica di un edificio Quantità di energia stimata o effettivamente consumata per soddisfare i diversi bisogni connessi ad un uso standard dell’edificio (definizione della Direttiva europea 2002/91/CE). L’energia stimata è quella che si definisce in fase progettuale, quando si utilizza un software per capire quanto l’edificio di nuova costruzione possa consumare (nella realtà potrebbe essere soggetta a variazioni); quella effettivamente consumata è quella che viene calcolata per gli edifici esistenti. Prima del 2005 non esistevano le certificazioni energetiche e non esistevano determinati limiti di normativa; la maggior parte degli appartamenti costruiti prima degli anni 2000 ha come classe energetica F/G (alto consumo). Per capire quanto un edificio esistente consumi si deve fare quello che nella normativa si chiama Audit energetico: si hanno a disposizione, ad esempio, le bollette (per un appartamento) da cui si può capire a quanto ammontino i consumi. Dai consumi energetici fatturati si capisce quanta energia, ovviamente attraverso dei calcoli, consuma l’edificio. L’audit energetico permette di capire quale sia la quantità di energia effettivamente consumata; ovviamente, lo studio viene fatto per un certo periodo di tempo (in genere 4 o 5 anni). Dal 2014 (con l’emanazione di una apposita Legge) esso è obbligatorio per tutte quelle strutture del settore terziario che vengono definite “strutture energivore”, per capire quanto esse consumino e quindi prevedere delle sistemazioni per la riduzione di tali consumi. Anche per i condomini con sistema centralizzato (ovvero con un’unica caldaia che va a servire tutti gli appartamenti) bisogna avere la contabilizzazione del calore, montando delle valvole termostatiche sui termosifoni.
• Attestato di prestazione energetica (APE) Documento ufficiale (valido fino a un massimo di dieci anni o fino a intervento di ristrutturazione) prodotto da un soggetto accreditato (un tecnico, ad esempio) che certifica la prestazione energetica di un edificio destinato ad uso civile o industriale.

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Una delle pagine (su un totale di 6) che compongono l’attestato.

Le lettere di classificazione vanno da G a A4, per un totale di 10 classi energetiche (prima erano solo 7); salendo di lettera si va verso un sistema più efficiente: G è il meno efficiente, A4 è il più efficiente. Accanto ad ogni lettera si trova il numero di EP (indice di gl,nren prestazione energetica dell’edificio) in KWh/m² anno. C’è anche una casella che può essere spuntata se l’edificio ha le caratteristiche di un edificio NZEB.

Parametri fondamentali

Occorrono per poi poter fare i calcoli.

• Gradi giorno Somma annuale delle differenze positive giornaliere tra T (ambiente convenzionale: T =20°C) e T (esterna media giornaliera). a em = ( − )

È una sommatoria estesa ad un periodo P (è il periodo di riscaldamento) di differenze positive tra la temperatura in ambiente e la temperatura esterna media giornaliera (le differenze che hanno come risultato un numero negativo vengono scartate dal calcolo).

Secondo un DPR del 1993 c’è l’imposizione, in base alla zona climatica, di un periodo di riscaldamento (per Roma si ha 15 novembre-15 aprile); la sommatoria deriva da un numero abbastanza elevato (per Roma è circa 1215 °C).

Serve per collocare la località in esame nelle varie zone climatiche; le zone climatiche vanno dalla A (rossa) alla F (blu). Ogni zona climatica è contraddistinta da un range di GG (per Roma la zona climatica è la D).

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• Coefficiente di forma è un rapporto:

Con: S = superficie disperdente verso ambienti non riscaldati. È composta da strutture verticali opache (muri), strutture verticali trasparenti (vetri), strutture orizzontali opache (solaio di copertura), superfici che dividono un ambiente riscaldato da uno non riscaldato (murature che separano una stanza da un deposito, che non è riscaldato; un solaio che divide il piano terra dal piano delle cantine dispersione di calore dovuta alle differenze di temperature). La superficie disperdente è la sommatoria di tutte le superfici che disperdono per gradiente di temperatura; la superficie calpestabile potrebbe rientrare nel computo.

V = volume riscaldato racchiuso da S.

Il fattore di forma dà informazioni sulla compattezza dell’edificio (se l’attacco a terra è di natura allungata o compatta).

• Se S/V > 1 l’edificio ha un attacco a terra molto allungato (come può averlo uno ospedale, per poter prevedere le varie corsie, ossia le varie camere di degenza con corridoio centrale);
• Se S/V < 1 l’edificio ha una forma compatta (ad esempio i condomini).

I due parametri non sono parametri che dovranno essere poi verificati dalla normativa.

La norma UNI TS 11300 è nata con l'obiettivo di definire una metodologia di calcolo univoca per la determinazione delle prestazioni energetiche degli edifici.

Essa è suddivisa in quattro parti:

• 1. UNI TS 11300: 2014 parte 1: determinazione del fabbisogno di energia termica dell’edificio per la climatizzazione estiva ed invernale;
• 2. UNI TS 11300: 2019 parte 2: determinazione del fabbisogno di energia primaria e dei rendimenti per la climatizzazione invernale e per la produzione di acqua calda sanitaria;
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• 3. UNI TS 11300:2010 parte 3: determinazione del fabbisogno di energia primaria e dei rendimenti per la climatizzazione estiva;
• 4. UNI TS 11300: 2016 pa