Relazione tecnica Biblioteca di Santa Marta

Analisi energetica del sistema edificio-impianto della biblioteca di Ingegneria dell’Università degli Studi di Firenze

Docenti

Prof. Ing. Andrea Rocchetti

Ing. Luca Socci

Studenti

Chiara Chiavarini

Anno Accademico 2020/2021

Indice

• 1. Introduzione 5
• 2. Quadro normativo 6
• 2.1. Norme Internazionali 6
• 2.2. Norme Nazionali 6
• 2.3. Riferimenti Legislativi 7
• 3. Termofisica dell’edificio 8
• 3.1. Metodo Quasi - Stazionario 9
• 3.2. Metodo dinamico 9
• 4. Software di progettazione 10
• 4.1 DesignBuilder 10
• 5. Il caso studio 11
• 5.1. Inquadramento storico ed urbanistico 11
• 5.2. Descrizione generale dell’edificio 12
• 5.3. La struttura 12
• 5.4. L’impianto 13
• 5.5. Modellazione 13
• 5.5.1 Parete perimetrale 14
• 5.5.2 Pareti interne 15
• 5.5.3 Solaio interpiano 17
• 5.5.4 Controsoffitto in legno cassettonato 18
• 5.5.5 Copertura a falde 19
• 5.5.6 Copertura piana 21
• 5.5.7 Infissi 22
• 5.5.8 Locali ed attività 22
• 5.5.9 Parametri di progetto 24
• 6. Analisi energetiche e determinazione dei carichi di progetto 30
• 6.1 Progetto di riscaldamento 30
• 6.2 Progetto di raffrescamento 31
• 6.3 Simulazione dinamica 32
• 6.3.1 Simulazione dinamica annuale 33
• 6.3.2 Simulazione dinamica – settimana tipo invernale 34
• 6.3.3 Simulazione dinamica – settimana tipo estiva 35
• 7. Scelte progettuali 37
• 7.1. Progettazione impianto di trattamento aria 38
• 7.1.1. Individuazione dei trattamenti termofisici dell’aria necessari 40
• 7.1.2. Selezione centrale trattamento aria 48
• 7.1.3. Selezione centrale termica e frigorifera 50
• 7.2. Reti di distribuzione 52
• 7.2.1. Rete aeraulica 52
• 7.2.2. Rete di alimentazione batterie UTA 62
• 8. Considerazioni finali 68

1. Introduzione

Il presente lavoro tratta la valutazione energetica della sede della biblioteca di Ingegneria dell’Università degli Studi di Firenze, sita in Via Santa Marta.

Una volta reperito il materiale necessario, tramite software specifici, si è proceduto con la definizione di un modello energetico volto ad individuare i carichi termici dell’edificio, sia in regime estivo sia in regime invernale, con lo scopo di trovare una soluzione impiantistica per l’edificio oggetto di studio, atta a garantire le condizioni di comfort termo-igrometrico e di IAQ (Indoor Air Quality), un miglior IEQ (Indoor Environmental Quality).

2. Quadro normativo

Per la determinazione della prestazione energetica del sistema edificio – impianto è stato necessario fare riferimento alle seguenti norme:

2.1. Norme Internazionali

• UNI CEI EN 16247-1:2012 – Diagnosi energetiche - Parte 1: Requisiti generali.
• UNI CEI EN 16247-2:2014 – Diagnosi energetiche - Parte 2: Edifici.
• UNI EN ISO 52016-1:2018 – Prestazione energetica degli edifici - Fabbisogni energetici per riscaldamento e raffrescamento, temperature interne e carichi termici sensibili latenti - Parte 1: Procedure di calcolo.
• UNI EN ISO 8996:2005 – Ergonomia dell’ambiente termico - Determinazione del metabolismo energetico.
• UNI EN ISO 7730:2006 – Ergonomia degli ambienti termici - Determinazione analitica e interpretazione del benessere termico mediante il calcolo degli indici PMV e PPD e dei criteri di benessere termico locale.
• UNI EN ISO 9920:2009 – Ergonomia dell’ambiente termico - Valutazione dell’isolamento termico e della resistenza evaporativa dell’abbigliamento.
• UNI EN 12464-1:2011 – Luce e illuminazione - Illuminazione dei posti di lavoro - Parte 1: Posti di lavoro in interni.
• UNI EN 13779:2008 – Ventilazione degli edifici non residenziali - Requisiti di prestazione per i sistemi di ventilazione e di climatizzazione.

2.2. Norme Nazionali

• UNI 10339:1995 – Impianti aeraulici ai fini di benessere. Generalità, classificazione e requisiti. Regole per la richiesta d'offerta, l'offerta, l'ordine e la fornitura.
• UNI/TS 11300-1:2014 – Prestazioni energetiche degli edifici - Parte 1: Determinazione del fabbisogno di energia termica dell'edificio per la climatizzazione estiva ed invernale. 6
• UNI/TS 11300-2:2019 – Prestazioni energetiche degli edifici - Parte 2: Determinazione del fabbisogno di energia primaria e dei rendimenti per la climatizzazione invernale, per la produzione di acqua calda sanitaria, per la ventilazione e per l'illuminazione in edifici non residenziali.
• UNI/TS 11300-3:2010 – Prestazioni energetiche degli edifici - Parte 3: Determinazione del fabbisogno di energia primaria e dei rendimenti per la climatizzazione estiva.

2.3. Riferimenti Legislativi

• D.Lgs. 192/2005 – Attuazione della direttiva 2002/91/CE relativa al rendimento energetico nell’edilizia.
• D.Lgs. 102/2014 – Attuazione della direttiva 2012/27/UE sull’efficienza energetica, che modifica le direttive 2009/125/CE e 2010/30/UE e abroga le direttive 2004/8/CE e 2006/32/CE.
• DM 26/06/2015 – Applicazione delle metodologie di calcolo delle prestazioni energetiche e definizione delle prescrizioni e dei requisiti minimi degli edifici.
• D.Lgs. n. 141/2016 – Disposizioni integrative al decreto legislativo 4 luglio 2014, n.102.
• DPCM 5/12/1997 – Requisiti acustici passivi degli edifici.
• D.P.R. 26 agosto 1993, n. 412 – Regolamento recante norme per la progettazione, l'installazione, l'esercizio e la manutenzione degli impianti termici degli edifici ai fini del contenimento dei consumi di energia, in attuazione dell'art. 4, comma 4, della L. 9 gennaio 1991, n. 10. 7

3. Termofisica dell’edificio

Prima di procedere con il caso studio si è ritenuto opportuno descrivere brevemente alcuni concetti fondamentali riguardanti la termofisica dell’edificio, ovvero lo studio del comportamento termico dell’edificio in transitorio.

Per la corretta scelta, nonché progettazione, degli impianti per la climatizzazione è essenziale considerare:

• Le condizioni termo-igrometriche atte ad assicurare il benessere ambientale. È bene ricordare che il comfort termico è strettamente correlato all’attività metabolica svolta in ambiente, al tipo di vestiario dell’utenza, alla temperatura e alla velocità dell'aria, alla temperatura media radiante delle superfici che delimitano l'ambiente ed infine all’umidità relativa dell’aria. Il gradimento di un ambiente da parte degli individui presenti può essere espresso mediante un opportuno indice di valutazione, detto PMV (Predicted Mean Vote), che rappresenta il valore medio del voto relativo alla situazione ambientale considerata espresso da un campione di persone, in definite condizioni d’attività e vestiario. Dal momento che si parla di valore medio, si intuisce l’esistenza di una certa variabilità individuabile, in quanto risulta impossibile determinare una situazione ideale, valida per tutti gli individui presi in considerazione. All’indice PMV è direttamente associata la percentuale di individui che si ritengono insoddisfatti dalle condizioni microclimatiche in oggetto PPD (Predicted Percentage of Dissatisfied).
• L’evoluzione nel tempo del comportamento termico dell’edificio. In tal senso è necessario considerare come la climatologia esterna sia la forzante del sistema edificio-impianto, ciò significa che questo reagisce alle sollecitazioni termo-igrometriche derivanti dall’ambiente esterno in funzione delle proprie capacità di risposta, come ad esempio l’inerzia termica. Risulta quindi utile analizzare come cambiano le condizioni interne dell’edificio di temperatura e umidità al variare delle condizioni climatologiche esterne, le quali dipendono dalle caratteristiche del sito di ubicazione dell’edificio e inoltre risultano essere continuamente variabili e mai stabili. La complessità dell’approccio in transitorio termico ha però fatto sì che la normativa tecnica definisse criteri e metodologie semplificate basate su specifiche approssimazioni. Di seguito si riportano brevemente i principi che caratterizzano i metodi utilizzati per condurre il presente studio. 8

3.1. Metodo Quasi - Stazionario

È il metodo di calcolo che viene indicato dalla L. 10/91 e dalle norme tecniche UNI/TS 11300. Questo presuppone che gli impianti funzionino h24 e che gli scambi energetici siano effettuati rispetto alla temperatura media giornaliera mensile per ciascun mese calcolato. Tale approccio risulta essere statico in quanto non considera alcuna variabilità delle condizioni climatiche esterne e dei profili d’uso sia interni che degli impianti. Il termine “quasi-stazionario” deriva invece dal fatto che, mediante l’utilizzo di fattori di utilizzazione degli apporti gratuiti e delle dispersioni, si considerano gli effetti della capacità termica dell’edificio anche se in modo empirico.

3.2. Metodo dinamico

Il metodo dinamico, che si basa sulla variabilità giornaliera oraria della temperatura, consente di calcolare con maggior precisione ed affidabilità i consumi energetici annuali degli edifici rispetto ai metodi cosiddetti stazionari. Inoltre, tale metodo, a differenza di quello quasi-stazionario, permette di cogliere gli aspetti inerziali legati all’involucro edilizio. Le maggiori difficoltà che si incontrano utilizzando la simulazione dinamica sono certamente legate al fatto che tale metodo richiede una dettagliata conoscenza dell’edificio in oggetto nonché un elevato numero di dati di input variabili nel tempo che concernono sia le condizioni climatiche esterne sia i profili di occupazione interni. Diventa pertanto necessario determinare in maniera accurata il reale comportamento degli occupanti e quindi l’occupazione dei locali, la gestione dell’apertura delle finestre e l’utilizzo dei sistemi di ombreggiamento. Dati incerti, infatti, potrebbero causare risultati non attendibili. 9

4. Software di progettazione

La simulazione dinamica di un edificio è facilmente effettuabile grazie all’utilizzo di software che si servono di motori di calcolo dedicati.

L’utilizzo di questi software presuppone un’approfondita conoscenza del caso di studio. Inoltre, è bene definire a priori le finalità dell’analisi, in modo da poter generare un modello adeguatamente accurato che restituisca gli output richiesti in modo affidabile e senza comportare troppo onere computazionale.

Ciascun motore di calcolo presente sul mercato, come Energy-Plus, TRNSYS o eQUEST, si differenzia per la metodologia di risoluzione del generico problema termofisico e delle relative equazioni differenziali, utilizzando diversi algoritmi e ipotesi semplificative.

Per condurre tale esercitazione è stato utilizzato il motore di calcolo Energy-Plus, implementato all’interno del software DesignBuilder.

4.1 DesignBuilder

DesignBuilder è un ambiente di modellazione tridimensionale, costituito da otto moduli che si interfacciano tra loro in modo da consentire, per qualsiasi tipo di edificio, un’analisi approfondita sull’utilizzo, consumo ed impiego di energia.

All’interno dell’ambiente geometrico è possibile definire la geometria dell’edificio e le aperture presenti. Numerose sono le sezioni dedicate all’inserimento delle informazioni necessarie per poter effettuare l’analisi. Tali parametri sono la posizione geografica, la destinazione d’uso, le caratteristiche termiche di una data partizione orizzontale o verticale, ma anche la densità di affollamento degli ambienti interni e l’attività svolta all’interno di ciascun ambiente.

Dopo aver generato il modello tridimensionale ed aver impostato tutte le condizioni al contorno, il software è in grado di determinare i carichi termici sia per il riscaldamento sia per il raffrescamento, nonché di fornire una serie di dati sul consumo energetico dell’edificio, sulle condizioni di comfort degli ambienti interni, sulle condizioni di illuminamento naturale, sui valori effettivi delle temperature massime estive e le minime invernali. 10

5. Il caso studio

5.1. Inquadramento storico ed urbanistico

La biblioteca oggetto di studio fa parte della sede della Scuola di Ingegneria dell’Università degli Studi di Firenze, situata in Via di Santa Marta, nel comune di Firenze.

La sede della Scuola di Ingegneria è in realtà piuttosto antica e risale al XIV secolo. Nel 1930 fu ampiamente ristrutturata per accogliere il Seminario Minore Arcivescovile di Santa Marta, per poi negli anni Settanta essere venduta all’Università degli Studi di Firenze. L’attuale biblioteca sorge all’interno di quella che era la cappella dell’ex Seminario vescovile.

Figura 1. Inquadramento della sede della Scuola di Ingegneria

Figura 2. Individuazione biblioteca 11

5.2. Descrizione generale dell’edificio

L’edificio in oggetto è classificato ai fini energetici ai sensi del d.p.r. 412/1993: E.4(2) - Edifici adibiti ad attività ricreative, associative o di culto e assimilabili, quali mostre, musei e biblioteche, luoghi di culto ed E.2 - Edifici adibiti a uffici e assimilabili.

Di seguito si riporta la planimetria del piano terra della biblioteca.

Figura 3. Planimetria del piano terra della biblioteca

5.3. La struttura

La parte del complesso di Santa Marta presa in considerazione ai fini della presente esercitazione presenta un corpo centrale ed una zona absidale adibite a biblioteca, due ali laterali che invece ospitano rispettivamente uffici e locali per sala studio e servizi di fotocopie. All’ingresso, l’ex cantoria accoglie l’archivio della biblioteca.

All’interno della biblioteca l’altezza massima al controsoffitto in legno cassettonato è circa 11 m, mentre gli altri due blocchi presentano un’altezza utile pari a 4 m. La struttura portante è in muratura a sacco intonacata nella parte interna e nella parte esterna, mentre il solaio di interpiano, che divide la biblioteca dai sottostanti laboratori, è in putrelle e laterizio forato, intonacato all’intradosso e pavimentato all’estradosso. La copertura a padiglione è sempre realizzata in putrelle e laterizio forato, ma è rivestita con tegole.

Infine, gli infissi esterni sono in legno e presentano un vetro singolo. Pertanto, è possibile affermare come le caratteristiche costruttive non siano sicuramente in linea con le più recenti prescrizioni normative in tema di efficientamento e risparmio energetico. 12

5.4. L’impianto

Attualmente nell’edificio in oggetto è presente una caldaia a metano che alimenta i ventilconvettori presenti in tutti i locali, funzionanti per il solo riscaldamento, ed un’unità termoventilante, collocata nell’ex cantoria della biblioteca, che consente il rinnovo d’aria all’interno della stessa.

5.5. Modellazione

Su DesignBuilder è stato creato il modello energetico attraverso la creazione di quattro “blocchi edificio”: uno per la biblioteca ed uno per il sottotetto non riscaldato, un altro per gli uffici, l’ultimo per la sala studio/locale fotocopie.

Per considerare l’ombreggiamento apportato dall’atrio di ingresso della sede dell’università, è stato necessario modellare un “blocco componente”.

Inoltre, la possibilità di creare superfici adiabatiche ha fatto sì che i laboratori, confinanti con la biblioteca soprastante, potessero essere non modellati.

Di seguito si riportano i pacchetti tecnologici di pareti e solai costituenti l’edificio. Si specifica che alcune delle seguenti stratigrafie sono state modellate in accordo con il materiale reperito, altri pacchetti sono stati invece creati per analogia costruttiva.

Figura 4. Modello geometrico 3D realizzato in DesignBuilder 13

5.5.1 Parete perimetrale

Le pareti esterne del fabbricato sono in muratura a sacco dello spessore di 60 cm.

Figura 5. Stratigrafia parete esterna 14

La trasmittanza non rispetta i limiti normativi. Di seguito si riporta il diagramma di Glaser che mostra come all’interno della parete non si generino fenomeni di condensa interstiziale.

Figura 6. Diagramma di Glaser parete esterna

5.5.2 Pareti interne

Le pareti divisorie all’interno della sala studio sono state modellate come muri divisori in mattoni e presentano uno spessore pari a 15 cm. 15

Figura 7. Stratigrafia pareti interne

Di seguito si riporta il diagramma di Glaser che mostra come all’interno della parete non si generino fenomeni di condensa interstiziale.

Figura 8. Diagramma di Glaser pareti interne 16

5.5.3 Solaio interpiano

Il solaio interpiano è realizzato in putrelle e blocchi di laterizio e presenta uno spessore di 30 cm.

Figura 9. Stratigrafia solaio interpiano

Di seguito si riporta il diagramma di Glaser che mostra come all’interno del solaio non si generino fenomeni di condensa interstiziale. 17

Figura 10. Diagramma di Glaser solaio interpiano

5.5.4 Controsoffitto in legno cassettonato

Nel locale ospitante la biblioteca è presente un controsoffitto a cassettoni in legno.

Approssimativamente è stato considerato uno spessore complessivo di 10 cm. 18

Figura 11. Stratigrafia del controsoffitto

5.5.5 Copertura a falde

La copertura è realizzata in putrelle e laterizio, come il solaio di interpiano, ma è rivestita in tegole. 19

Figura 12. Stratigrafia copertura

Di seguito si riporta il diagramma di Glaser che mostra come all’interno della parete non si generino fenomeni di condensa interstiziale.

Figura 13. Diagramma di Glaser solaio di copertura 20

5.5.6 Copertura piana

Il solaio di copertura piano che copre il blocco uffici e la s