Appunti Progettazione e costruzione di opere edili

05_IMPIANTI TERMICI E DI CLIMATIZZAZIONE

Il nostro scopo è verificare che l’E richiesta sia </= dell’E fornita .

Esistono diversi impianti a seconda del loro scopo e della stagione , tra cui:

- Impianti di riscaldamento: i quali controllano la temperatura dell’aria durante la

stagione invernale;

- Impianti di climatizzazione: con lo scopo di controllare la temperatura dell’aria

durante la stagione invernale ed estiva ;

- Impianti di condizionamento : controllano la temperatura, l’umidità relativa e la

velocità/qualità dell’aria durante la temperatura invernale ed estiva.

I quali data la loro complessità possono essere classificati per:

• Tipo di fluido termovettore :

- acqua

- aria

- misti (aria e acqua)

- a vapore

• Temperatura del fluido termovettore (alta, media o bassa);

• Principio di diffusione del calore :

- a conduzione (radiatori)

- a convezione (radiatori o convettori ventilati)

- a radianza (termostrisce o tubi radianti)

• Gestione dell’impianto

- Centralizzati

- autonomi

- localizzati

• Per sorgente di energia: legna, gasolio, carbone, gas, elettricità e sole.

Possiamo valutare l’efficienza di un impianto tramite il rendimento globale dell’impianto:

Un rendimento elevato si attesta attorno ad un valore unitario, in quanto l’energia immessa

dall’impianto sarà sempre < dell’energia immessa nell’impianto.

Nel caso di pompe di calore, questo rapporto è strettamente legato al COP, per esse è

generalmente > 1 in quanto l’energia termica fornita è superiore all’energia elettrica

consumata.

Nel caso di un impianto possiamo suddividerlo in 3 diversi rendimenti:

1. Rendimento di generazione

2. Rendimento di regolazione

3. Rendimento di distribuzione

4. E rendimento di erogazione 51

Il cui prodotto determina il rendimento globale o il rendimento medio stagionale.

La regolazione (2) può avvenire mediante diversa apparecchiatura tecnologica. Un controllore

PID viene utilizzato per mantenere la temperatura desiderata in modo efficiente e preciso.

Questo metodo di controllo integra tre diverse strategie di controllo:

- Proporzionale: reagisce alla differenza tra il valore desiderato e il valore attuale

(errore) (es. se la temperatura è molto bassa rispetto a quella desiderata, la reazione

sarà forte per aumentare la temperatura);

- Integrale: Si concentra sull’errore cumulativo nel tempo. Aiuta ad eliminare l’errore

residuo regolando la risposta sulla base degli errori passati;

- Derivativa: predice i trend futuri dell’errore basandosi sulla sia velocità di variazione.

Previene eccessive oscillazioni.

Il rendimento di distribuzione (3) è un parametro importante per valutare le perdite di

energia durante il trasporto dell’energia termica dall’impianto di generazione agli ambienti

da servire.

Le modalità di distribuzione del fluido termovettore negli impianti termici si differenziano in

base a 3 diverse configurazioni:

1) Montanti: prevede una rete di tubazioni verticali che distribuiscono il fluido

termovettore a più piani di un edificio. Economico ma meno efficiente

2) A collettori: prevede un collettore centrale che distribuisce il fluido termovettore a

ogni terminale tramite tubazioni indipendenti. Più costosi ma offrono maggiore

flessibilità ed è più efficiente.

3) Ad anello : il fluido termovettore viene distribuito tramite una tubazione principale ad

anello chiuso. I terminali sono collegati alla tubazione principale tramite derivazioni.

Offrono una soluzione intermedia tra efficienza e costi. 52

Il rendimento di erogazione (4) è un parametro utilizzato per valutare l’efficienza con cui il

calore o il raffrescamento viene trasferito dai terminali di un impianto all’ambiente da

servire. Può essere influenzato dal tipo di terminali utilizzati.

Un ultimo può essere provocato dal rendimento di termo-accumulo il quale si riferisce alla

capacità di questo componente di un impianto di riscaldamento di conservare e fornire

energia termica minimizzando le perdite. Un accumulatore termico (o puffer) è un serbatoio

progettato per immagazzinare energia termica proveniente da un generatore e distribuirla

successivamente ai terminali dell’impianto. Sistemi di generazione

Il potere calorifico inferiore e superiore sono due grandezze termodinamiche che esprimono

la quantità di energia termica ottenibile dalla combustione di un combustibile.

Il potere calorifico inferiore È la quantità massima di calore che si può ricavare dalla

combustione completa di un’unità di sostanza di combustibile.

Il Potere calorifico superiore Contiene anche il calore latente di condensazione.

Per una caldaia l’energia primaria (EP) è la quantità di energia chimica contenuta nel

combustibile che entra nel sistema, misurata in base al Potere calorifico inferiore o superiore

a seconda del tipo di caldaia.

È definibile come il potenziale energetico che hanno i vettori e le fonti energetiche nella loro

forma naturale. (cioè quando devono ancora subire conversioni o trasformazioni)

Possiamo determinare a seconda del vettore energetico (Gas naturale, GPL , Gasolio,

Carbone...) un fattore di energia primaria (rinnovabile, non rinnovabile e totale) il quale

determina quanta energia primaria è necessaria per produrre una determinata quantità di

energia utile o finale.

La direttiva europea 2010/31/UE definisce le fonti rinnovabili come energia proveniente da

fonti non fossili. Vale a dire:

- eolica

- solare

- aerotermica

- geotermica

- idrotermica e oceanica

- idraulica

- gas di discarica

- gas residuati dai processi di depurazione

- biogas 53

Sistemi di generazione: Fonti rinnovabili

BIOMASSE

Le Biomasse sono materiali di origine organica impiegati per produrre energia e che non

hanno subito un processo di fossilizzazione (no petrolio, carbone e metano). Possono essere

le più comuni: Legno, Cippato e pellet .

POMPE DI CALORE

Le pompe di calore sono dispositivi che trasferiscono energia termica da una fonte a bassa

temperatura (come l’aria, il suolo o l’acqua) a un ambiente da riscaldare, sfruttando il

principio di funzionamento di un ciclo termodinamico simile a quello di un frigorifero. Questo

processo consente di riscaldare (o raffreddare) un ambiente utilizzando una quantità di

energia elettrica inferiore rispetto al calore che viene effettivamente trasferito.

Il ciclo termodinamico di una pompa di calore si basa sull’uso di un fluido frigorifero che

cambia stato fisico attraverso una serie di componenti:

- Evaporatore: il fluido frigorifero, che è in forma liquida a bassa temperatura assorbe il

calore dall’ambiente esterno (aria, acqua o terra) attraverso l’evaporatore. Qui il fluido

frigorifero evapora (passa da liquido a gas) assorbendo il calore dall’ambiente estern o.

- Compressore: il gas caldo e a bassa pressione viene inviato al compressore che, aumenta la

sua pressione e temperatura. Questo processo richiede energia elettrica ma il vantaggio è

che il calore trasferito all’interno del fluido frigorifero durante la fase di compres sione è

maggiore dell’energia consumata.

- Condensatore : Il gas caldo ad alta pressione passa quindi al condensatore dove cede il

calore all’ambiente interno (ad es. per riscaldare l’acqua o l’aria nell’edificio). Durante questa

fase il fluido frigorifero si condensa, tornando alla sua forma liquida e rilascia ndo il calore

cumulato.

- Valvola d’espansione: Il fluido refrigerante liquido, ora ad alta pressione, passa attraverso

una valvola di espansione che riduce la sua pressione. Questo provoca una diminuzione della

temperatura del fluido, preparandolo per un nuovo ciclo di evaporazione.

Esistono diversi tipi di pompe di calore :

1. Pompe di calore ARIA-ARIA: il calore viene estratto dall’aria esterna e trasferito

direttamente all’aria interna dell’edificio. 54

2. Pompe di calore ARIA-ACQUA: Il calore viene estratto dall’aria esterna e trasferito

all’acqua, che può essere utilizzata per riscaldare ambienti o acqua sanitaria. È la più

utilizzata.

3. Pompe di calore TERRA-ACQUA: Utilizzano il calore immagazzinato nel terreno , che è

relativamente stabile tutto l’anno. Le sonde geotermiche, installate nel sottosuolo,

trasferiscono il calore al fluido refrigerante. I sistemi geotermici sono quelli più efficienti.

Prediligiamo la sonda geotermica orizzontale sebbene si abbia un’efficienza minore, quella

verticale è più costosa bisogna raggiungere anche i 100m di profondità .

Il suo funzionamento però deve essere annuale e non stagionale, questo evita che il terreno

sottostante vada a congelarsi.

4. Pompe di calore ACQUA-ACQUA: funzionano come le pompe di calore terra -acqua ma

estraggono il calore da una fonte di acqua sotterranea o di superficie.

Una pompa di calore è in grado di produrre più energia termica rispetto a quella elettrica

consumata, l’efficienza però dipende dalle condizioni esterne (temperatura dell’aria, acqua

terreno esterno). L’efficienza energetica è definita dal COP. Il ciclo è reversibile e inoltre può

offrire la possibilità di un free -cooling facendo girare l’acqua nei tubi.

La pompa di calore può essere posta internamente o esternamente a seconda delle esigenze.

TELERISCALDAMENTO

Consiste nella distribuzione, attraverso una rete di tubazioni isolate o interrate, di un fluido

vettore che può essere acqua calda, acqua surriscaldata, o vapore, proveniente da una grande

centrale di produzione.

Questo calore viene portato nelle case dove è presente uno scambiatore di calore

(recuperatore di calore). Il fluido entra nell’edificio con una temperatura maggiore e ne esce

con una temperatura minore, c’è una diramazione in cui le tubazioni di ingresso ed uscita si

incrociano per passarsi calore

Le fonti utilizzate spesso sono fonti rinnovabili (es. biomassa, geotermia, ecc..) in altri casi

possono essere usate fonti fossili (es. metano). Per cui non è sempre dato da una fonte

rinnovabile.

SOLARE TERMICO

È una fonte rinnovabile e ha un’efficienza che varia dal 55 -70%. È una tecnologia che utilizza

l’energia del sole per produrre calore, che può essere utilizzato per produrre acqua sanitaria

e riscaldare ambienti.

Il solare termico si basa sull’utilizzo di collettori solari che assorbono le radiazioni solari e le

convertono in calore. Il calore viene poi trasferito a un fluido termovettore che circola

attraverso il sistema per es