Gestione dell'energia per la certificazione e la diagnosi energetica

Gestione settore: ing-ind/10 dell’energia teoria

UNIMORE Università degli Studi di Modena e Reggio Emilia
Filippo Ribes
NOTEWAVE_RF
Autore degli appunti: Filippo Ribes

Gli appunti sono stati scritti sulla base delle lezioni svolte dai Professori Paolo Tartarini e Alberto Muscio e delle loro dispense. Per dubbi, chiarimenti o altro, mi trovi su Instagram: ig: NoteWave_RF ig: fil_ribes

Possibili domande esame Muscio

• Temperatura sole/aria;
• Calcolare le dispersioni di un edificio semplice (tipo un cubo);
• Come funziona un edificio ad energia quasi 0?
• Cos'è un edificio di riferimento?

Precisazioni su domande esame

All'esame non chiederà tutti i requisiti di tutti gli interventi di 1^o livello, 2^o livello, etc... che sono presenti nelle slide ma di sapere che ci sono diversi tipi di intervento e che questi hanno un diverso livello di invasività delle prescrizioni da seguire. Verrà inoltre chiesto se si parla di soluzioni impiantistiche ideali e di cosa si sta parlando.

Lezione 10/10/2022 (Muscio) (1^o parte)

Classificazione energetica

Fattore di utilizzazione degli apporti gratuiti (η): [blocco 5 parte 1, slide 34] H,gn
Questo valore può precipitare se gli apporti gratuiti sono una parte importante del fabbisogno termico totale oppure se si concentrano molto nel tempo (esempio: se una radiazione solare passa attraverso la finestra, arriva sul pavimento in ceramica con sotto un massetto pesante ed intorno abbiamo dei muri di mattone, questo apporto viene assorbito, non comporta significative variazioni della temperatura ed il calore accumulato viene progressivamente rilasciato nell'arco della giornata. Se le dispersioni sono importanti, quel calore non fa in tempo a compensare le dispersioni: tutto quello che viene raccolto diventa calore inutile. Se invece ho un edificio a muratura leggera, con parque, ben isolato, etc... allora gli apporti gratuiti diventano una parte importante del fabbisogno energetico locale, e quindi il risultato è che questi apporti gratuiti non si limiteranno a far variare leggermente la temperatura ma la faranno deviare parecchio verso l'alto, perché si surriscalderanno gli ambienti. Tutto ciò che porta la temperatura sopra i 20°C canonici è energia sprecata (il è fatto per avere 20°C, che è la temperatura di comfort).

Lezione 10/10/2022 (Muscio) (2^o parte)

Effetto oscillante

Se l'aria deve raggirare l'edificio, dovrà localmente aumentare la sua velocità: questo potrà avvenire solo a discapito della pressione. A valle dell'edificio la velocità non viene completamente rispristinata, perché per effetti viscosi una parte dell'energia cinetica viene dissipata e recuperata in pressione per effetto scia (quando viaggiamo dietro un’altra auto, andiamo più veloci) se abbiamo un campo di pressione a monte più alto di quello a valle, allora c'è una forza lenta che spinge, ovvero il fluido. Quindi, se c’è una finestra da un lato ed una dall’altro lato, vi è un salto di pressione fra le due finestre che può indurre un flusso d’aria di spifferi. A valle dei venti dominanti si hanno i fenomeni di scia: si crea un campo di pressioni che può incidere nelle infiltrazioni d'aria.

Rischio umidità interna

Ogni azione umana comporta il rilascio di una certa quantità di vapore acqueo nell’ambiente (sudorazione, lavaggi, cucinare, etc…). In 1 m³ di aria, in saturazione, ci stanno in inverno massimo 7 o 8 g di acqua; se l’aria è secca, ce ne stanno 3 o 4 g la quantità di acqua che l’aria può assorbire senza arrivare a saturazione è veramente bassa. Il rischio di umidità interna negli edifici è quindi molto elevato.

Extraflusso verso la volta celeste

Sappiamo che, quando siamo dentro ad un edificio, percepiamo una T detta T Operante. Anche l’edificio, però, in ambiente esterno, percepisce una sorta di T Operante: la T dell’ambiente con cui l’edificio interagisce non è quella del lato esterno: la T del cielo dell’ambiente circostante è quella con cui interagisce per irraggiamento. Per tenerne conto, la Norma sceglie di considerare l’effetto della più bassa T del cielo con l’Extraflusso verso la Volta Celeste. Questo extraflusso si aggiunge alle dispersioni normali ed è legato al fatto che il cielo è molto più freddo dell’aria e dipende dalla differenza di T tra cielo ed aria esterna, ovvero dalla copertura nuvolosa e, più in generale, dal livello di umidità dell’aria.

Temperatura apparente del cielo

Il cielo ha un temperatura radiante tanto più bassa quanto più basso è il contenuto di umidità relativa del cielo. Questo è il motivo per cui nel deserto, di notte c'è freddissimo e di giorno caldissimo: l'aria è secchissima. Se fuori è nuvoloso, l'aria del cielo coincide circa con quella percepita perché il cielo è coperto dalle nuvole. Quindi, se è sereno d'inverno e fuori si vedono le stelle, ci sarà più freddo. La morale della temperatura apparente del cielo è che l’isolamento in copertura non è mai abbastanza. Sotto le coperture bisognerebbe isolare molto, a maggior ragione se vi è un ambiente abitabile.

Area solare equivalente estiva

Se abbiamo un serramento aperto, senza il vetro, la sua area solare equivalente estiva coincide con l’area del serramento. Se ci mettiamo un vetro, questo filtrerà un po’ di radizione solare. Se ci mettiamo una tenda, ne filtrerà ancora di più, etc…: l’area solare equivalente estiva è l’area che una finestra completamente priva di protezioni e schermature potrebbe avere per produrre gli stessi apporti solari di un corpo finestrato come effettivamente dovrebbe essere (ad esempio, se abbiamo un corpo finestrato che riesce a filtrare d’estate il 90% degli apporti solari, allora la sua area solare equivalente estiva sarà pari al 10%). Quindi, l’area solare equivalente estiva è pari a 1 - % di apporti solari che la finestra riesce a filtrare d’estate.

Lezione 17/10/2022 (Muscio) (1^o parte)

Sonda climatica

Regolazione climatica: vuol dire avere una correlazione tra T di mandata e T esterna. Si fa con una sonda di temperatura esterna (va quindi montata esternamente all'edificio). Questa va ad interagire con l'elettronica di controllo della caldaia. Come avviene l'interazione? La T esterna può variare tra il valore per il quale non c'è bisogno di scaldare (solitamente 20°C) e quella in cui occorre farlo: se si abbassa la T, una regolazione climatica che si muove, ad esempio, sul segmento in rosso nel disegno sotto (può anche non essere lineare ma essere una curva) fa si che la corrispondente T di mandata della caldaia (cioè l'acqua che la caldaia mette nell'impianto di riscaldamento) aumenti si abbassa la T esterna ed aumenta quella di caldaia. Questo perché, se si abbassa la T esterna, aumenta la dispersione dell’involucro aumenta la potenza dei radiatori, ma per aumentare la potenza dei radiatori bisogna alzare la T, perché questa dipende dalla differenza di T tra gli ambienti riscaldati. La regolazione climatica può avvenire su varie curve di correlazione. Ogni edificio ha la sua. Non esiste un criterio predefinito per individuare univocamente la curva. La caldaia ci permette di selezionare le varie curve di correlazione e, a seconda di quella che selezioniamo, si avrà che la T di mandata si correlerà alla T esterna più o meno marcatamente. Problema: La sonda esterna DEVE leggere la temperatura esterna rispetto all'ambiente: deve essere posta al Nord e non deve essere irradiata direttamente dal sole. Se si surriscalda, leggiamo una temperatura minore di quella reale, e quindi si va a riscaldare inutilmente l'ambiente.

Lezione 24/10/2022 (Muscio) (1^o parte)

Rendimento di emissione

Impianti ad acqua

Radiatori: I radiatori devono essere lasciati esposti il più possibile. Questo perché il radiatore funziona almeno per il 50% per irraggiamento qualunque cosa stia davanti ad esso gli andrà a togliere capacità di scambio per irraggiamento. È infatti grazie all'irraggiamento che si ha distribuzione uniforme del calore nell'ambiente: non si hanno perdite di emissione. La convezione, invece, porta ad avere una zona surriscaldata di aria sopra al radiatore, che è una delle cause del rendimento di emissione: se abbiamo una zona surriscaldata sopra al radiatore, il muro esterno che confina con la zona separa un ambiente a T esterna da un ambiente a T molto maggiore di quella di setpoint (20°C). Tutto ciò che disperdiamo in più rispetto a quello che avremmo se la T fosse vicina a quella di setpoint diventa perdita di emissione.

Termoconvettori: Il termoconvettore è un po' l'opposto del radiatore. Consiste in un tubo alettato che viene inserito all'interno di un cassone. Non ci sono ventilatori nel termoconvettore durante lo scambio termico. Mettendo la batteria di scambio in basso, tutta l'aria soprastante si surriscalda: il termoconvettore è aperto sotto e sopra, per cui si viene a creare l'effetto camino c'è un flusso di aria calda dall'apertura superiore che viene recuperata dal basso. I termoconvettori costano poco, infatti ne sono stati installati molti in passato. Tuttavia, sono causa di discomfort e di inefficienza energetica, quindi, se ne vediamo, dovremmo subito pensare di cambiarli. Questi infatti funzionano bene solo se la portata di aria dentro al cassone è adeguata, ovvero solo se l'aria viene surriscaldata mediante acqua che deve andare a 80 – 100 °C. Hanno capacità di regolazione sommaria (con delle valvole, possiamo strozzare il condotto). Dovendo surriscaldare l’aria, devono prima surriscaldare l’acqua che arriva dal generatore: questo porta ad avere importanti perdite al generatore. Inoltre, avere aria che esce ad alta T significa che, vicino al termoconvettore, l’ambiente si surriscalda, mentre si raffredda altrove alti consumi e forti discomfort.

Aerotermi: Sono delle batterie di scambio come quelle dei termoconvettori dotate di un ventilatore e di un sistema di rete che permette di realizzare dei getti localizzati. Si usa in ambienti industriali, ad altezze elevate (qui non vogliamo nulla a livello del suolo, altrimenti sarebbero soggetti a furti). Garantiscono la sopravvivenza nel capannone ma non il comfort. Si tratta comunque di una soluzione economica.

Ventilconvettori (con inverter): I ventilconvettori (o fancoil) sono dotati di tubi al cui interno passa acqua che attraversano uno scambiatore (quindi un radiatore): l’ambiente viene riscaldato grazie ad un flusso d’aria proveniente da una ventola. Hanno una superficie di scambio più alta e possono scaldare più velocemente l’ambiente (perché, avendo una ventola, l’aria calda viene immessa nell’ambiente più velocemente): queste caratteristiche ci permettono di farli funzionare erogando l’acqua con una T di mandata minore rispetto a quella che useremmo per i radiatori, portando a considerevoli risparmi. Essendo che il flusso dell’aria sopra la batteria di scambio è controllata da dei ventilatori, non abbiamo bisogno di creare l’effetto camino, perché i ventilatori vanno a flussare l’aria che serve. Possono funzionare anche con acqua a bassissima T e permettono di regolare la portata dell’aria a seconda delle esigenze. Sono forse la scelta migliore in assoluto. Un grande pregio è dato dal fatto che, oggi, è praticamente risolto il problema del loro controllo. Infatti, il più grande problema di tutti gli impianti è come far si che la T timanga costante nel tempo. Col ventilconvettore, se impostiamo 20°C, questo non si spegne quando raggiungiamo i 20°C ma viene invece spento il ventilatore l’aria non si muove più c’è solo una debole convezione naturale. Così, però, si accenderebbe e spegnerebbe troppe volte, quindi quello che si fa è far si che si spenga quando viene raggiunta una T un po’ più alta di quella impostata (ad esempio 22°C), per poi riaccendersi automaticamente quando questa tornerà bassa entro una soglia limite (ad esempio 18°C): questa viene chiamata isteresi degli impianti di condizionamento. Questo porta al formarsi di una forte oscillazione di T nell’ambiente: con un isteresi ampia (quindi lunghi periodi tra uno spegnimento ed un accensione) si hanno forti oscillazioni che portano anche dei benefici. Tuttavia, sappiamo che tutto ciò che eccede di 20°C corrisponde a perdita di regolazione, per cui si ottengono perdite importanti. Una soluzione è quella di impiegare degli inverter, ovvero dei dispositivi elettrici capaci di cambiare la frequenza di rete (la rete italiana elettrica ha una frequenza di 50 Hz, ovvero la corrente alternata fa 50 oscillazioni al secondo. Tutte le macchine che vanno a corrente alternata, per funzionare al meglio, devono lavorare ad un multiplo o sottomultiplo di 50 Hz. Un inverter è in grado di disaccoppiare completamente la tensione erogata da quella ambientale). Anche le pompe degli impianti, oggi, sono a inverter: significa che hanno degli organi in movimento di rotazione e corrente alternata la cui velocità di regolazione può essere disaccoppiata dalla frequenza della rete questo permette di regolare la velocità del ventilatore proporzionalmente in funzione dello scostamento della T del momento. Quindi, la correzione che avviene nella velocità del ventilatore non è uno scatto (rumoroso), ma è anzi molto lenta, per cui si ottengono due vantaggi principali dagli inverter:

• Possiamo far avvenire l’oscillazione in una banda molto stretta (perché non c’è più il problema dell’attacca – stacca), ed essendo che le variazioni del ventilatore sono molto lente (dell’ordine di alcuni minuti), l’orecchio umano tende a “tagliarle” (va bene se montato in un soggiorno ad esempio, non tanto in una camera da letto o in bagno);
• Si possono montare in uno stesso impianto sia radiatori che ventilconvettori.

Pannelli radianti: Sono considerati la soluzione più performante. Sono dei tubi che passano sotto la superficie del pavimento. Al loro interno circola acqua calda, per cui cedono calore alla caldana del pavimento che, a sua volta, lo cede all’ambiente. Sono molto performanti perché:

• Permettono di far funzionare l’impianto a bassissima T (un radiatore, per funzionare bene, richiede una T dell’acqua di mandata di 80°C e la fa tornare nella caldaia a 60°C; un ventilconvettore richiede una T dell’acqua di mandata di 45-55°C e la fa tornare nella caldaia a 35-45°C; i pannelli radianti richiedono una T dell’acqua di mandata di 30-35°C e la fanno tornare nella caldaia a 20-25°C permettono di tenere la T dell’acqua molto bassa);
• Scaldando dal basso, per convezione naturale si ha che viene promossa una stratificazione perfetta dell’aria nell’ambiente ci avvicinano alla condizione ottimale di T uniforme e costante nel tempo.

Problemi:

• Costi alti;
• Problematiche d’impianto;
• Profilo d’uso.

Altro problema dei pannelli radianti: Lo scambio termico che riescono a realizzare è ottenuto per adduzione, quindi è dato dal coefficiente di scambio termico superficiale (alpha adduttivo, circa pari a 10 W/(m²K)) per la T superficiale del pavimento meno la T dell'ambiente interno (20°C), ovvero: ( ) = ∙ − = 10 ∙ (? −20) Quanto vale la T superficiale del pavimento? Bisogna tener conto che i pannelli radianti a pavimento furono introdotti negli anni 50-60, dove si avevano edifici non isolati che possedevano un carico termico dell’ordine dei 200-300 W/m². Dunque, se alpha adduttivo è pari a 10, occorre che il delta di temperatura faccia 20-30°C, ma la T dell’ambiente interno è 20°C, quindi la T superficiale del pavimento deve essere pari a 40-50°C: questo va ad introdurre una logica dello scambio termico che è l’opposto di quella secondo la quale ci siamo evoluti. Infatti, l’uomo non è frutto dell’evoluzione degli ultimi 200 anni, in cui stava ancora nelle case, ma degli ultimi 20000-200000 anni, in cui l’uomo delle caverne girava scalzo e con la pelliccia: se vogliamo che i pannelli funzionino, la T superficiale del pavimento deve stare a 25-27°C e comunque non deve eccedere i 29-32°C quando tocchiamo il pavimento con mano, non dobbiamo sentirlo caldo ma, anzi, freddo, perché la temperatura sulla mano è intorno ai 30°C. Se così non fosse, vorrebbe dire che l’impianto non è stato progettato tenendo conto dell’evoluzione del nostro sistema cardio-circolatorio, ed infatti non funzionerebbe. Quindi, tornando alla formula, se la T superficiale del pavimento deve essere 25-27°C e quella dell’ambiente interno deve essere 20°C, significa che abbiamo 50-70 W/m² disponibile se abbiamo un edificio non isolato con carico termico della superficie più alto, non riusciamo a dare potenza i pannelli radianti.