Fabio Peron. Il fabbisogno di energia dell edificio. Bilancio di energia dell edificio: un involucro più efficiente

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1 Corso di Progettazione Ambientale prof. Fabio Peron Il fabbisogno di energia di un edificio è la quantità di energia necessaria al suo funzionamento. Bilancio di energia dell edificio: un involucro più efficiente Qv G u G i Q i1 Q i2 t a Q s E possibile individuarlo attraverso un bilancio esteso a tutta la stagione invernale per il fabbisogno in riscaldamento, o a tutto l anno per il fabbisogno totale Il bilancio di energia viene effettuato mese per mese considerando la temperatura esterna media mensile A differenza di quanto visto per il carico di picco si considerano anche gli apporti solari e i guadagni interni. Vengono utilizzati dei coefficienti di utilizzazione che tengono conto della capacità dell edificio di accumulare energia e rilasciarla successivamente. Fabio Peron G & c t t + k A t t + + = ( ) Bilancio in termini di potenza: pa ( e a ) [ i i e a ] i s H i Università IUAV - Venezia Bilancio in termini di energia: pa ( te ta ) + Δτ [ ki Ai( te ta ] + Δτ i + Δτ s = Δτ H Δτ G & c ) i Il fabbisogno totale di energia termica dell edificio: nomenclatura Il fabbisogno di energia di un edificio è la quantità di energia necessaria al suo funzionamento. Q h = fabbisogno di energia per riscaldare lo spazio considerato = energia dispersa dalle pareti Qv G u G i Q i1 Q i2 t a Q s E possibile individuarlo attraverso un bilancio esteso a tutta la stagione invernale per il fabbisogno in riscaldamento, o a tutto l anno per il fabbisogno totale Qv G u G i Q i1 Q i2 t a Q s Q v = energia dispersa per ventilazione Q L = + Q V Q w = energia per acqua calda sanitaria Q S = apporti energia solare Q i = apporti interni energia Non tutti i guadagni gratuiti di energia vengono utilizzati. Si introducono dei coefficienti di utilizzazione, w, che tengono conto della capacità dell edificio di accumulare energia e rilasciarla successivamente. Δτ = N pa ( te ta ) + Δτ [ kiai ( te ta) ] + η [ Δτ i + Δτ s = Δτ H Δτ G & c ] i Q η Q = Q L G H Fabbisogno energia riscaldamento Fabbisogno di energia riscaldamento mensile Fabbisogno di energia riscadamento+acqua Q G = Q S + Q i η G = fattore di utilizzazione degli apporti energetici gratuiti Δτ=86400N Q H : Q H = Q L - η u Q G Q tot : Q H + Q w Il fabbisogno totale si ottiene sommando i diversi fabbisogni mensili lungo tutto il periodo invernale ossia durante il periodo con necessità di energia

2 Gli apporti gratuiti Apporti solari Q S = N Σ I si A ei I sj = irradiazione globale giornaliera incidente sulla parete [J/giorno] (UNI10349) A ei = area equivalente della superficie i-esima. superfici vetrate: A e =F si F ci F f ga superfici opache: A e =F si F ri AaK/h e F s = fattore di ombreggiamento della superficie F c = fattore schermatura dovuto a tendaggi F f = fattore schermatura dovuto a telaio g= fattore di guadagno solare del sistema vetrato a = coefficiente di assorbimento della superficie opaca (0,7-0,8) h e = coefficiente di scambio per convezione (16 W/m 2 K) K=trasmittanza della parete N= il numero di giorni del mese Apporti interni: persone Apporti interni: dispositivi Valori di riferimento in UNI 10344, in prima approssimazione si possono assumere valori pari a 2(residenza)- 8(commerciale) W/m 2. Una persona emette circa 100 W di calore totale (50 W latente, 50 W sensibile) Fattore medio di utilizzazione degli apporti gratuiti Per γ=1 τ η u = τ + 1 Per γ 1 η u τ 1 γ = τ γ Massa efficace τ si ottiene da: tc τ = C t = c H 3600 k H k QL = N ( t t ) i e C = M c A d np n p A d = superficie esterna involucro [m 2 ], n p = numero di piani, c = capacità termica massica di riferimento pari a 1000 J/kgK, M = massa efficace

3 I sotto-sistemi dell impianto termico L impianto può essere schematizzato in quattro sotto-sistemi 1) SISTEMA DI PRODUZIONE 2) SISTEMA DI DISTRIBUZIONE 3) SISTEMA DI EMISSIONE 4) SISTEMA DI REGOLAZIONE Ognuno con delle perdite e quindi dei rendimenti PERDITE DI PRODUZIONE PERDITE DI REGOLAZIONE O CONTROLLO Qv G u G i Q i1 Q i2 t a Q s Si deve tenere conto anche del rendimento del sistema di riscaldamento legato a produzione, distribuzione, controllo e emissione dell energia nell edificio UNA DIFFERENZA: valori medi stagionali valori istantanei (o di prova o nominali) PERDITE DI EMISSIONE PERDITE DI DISTRIBUZIONE Per fornire Q H devo in realtà fornire al generatore di calore. Considerando i diversi rendimenti (η G rendimento di generazione, η R rendimento di regolazione, η D rendimento di distribuzione, η E rendimento di emissione) si ha: = Q H /(η G η R η D η E ) Calculation direction (from the demand to the source) Fonte: Commissione EPBD rendimento di distribuzione Q S Final energy (boundary:building) Q V Q i Davi d heat demand Qh Q c,e Emission Distribution Storage Q d Q s Q g Generation Primary energy Energy direction (from the source to the demand)

4 Tipologie di regolazione rendimento di emissione MANUALE (mediante il termostato di caldaia) CLIMATICA CENTRALIZZATA: sonda di temperatura dell aria esterna, modifica della portata o della temperatura di mandata dell acqua ai terminali di riscaldamento PER SINGOLO AMBIENTE: sonda di temperatura dell aria interna posta in ciascun ambiente dell edificio DI ZONA: sonda di temperatura dell aria interna posta in un ambiente rappresentativo di una zona termica dell edificio CON PRE-REGOLAZIONE: sonda di temperatura dell aria interna e sonda climatica esterna ON/OFF: regolazione tutto o niente MODULANTE: l errata espressione usata dalla norma UNI con banda proporzionale 1 C va intesa come regolatore modulante in grado di regolare la temperatura ambiente nel punto di riferimento entro i limiti di 1 C (più o meno 0,5 C rispetto alla temperatura di set-point) rendimento di regolazione rendimento di regolazione rendimento di produzione

5 Q wh = ρ c V w (t w t 0 ) N gg Volume giornaliero [l / giorno] d acqua calda richiesta Temperatura dell acqua entrante nel sistema di produzione rendimento di produzione Per edifici residenziali: V w = m w S f bagni Temperatura dell acqua calda prodotta (40 C) Volume giornaliero [l / giorno] d acqua calda richiesta f = fattore di contemporaneità Per edifici residenziali: V w = m w S f bagni

6 Si deve tenere conto anche del rendimento del sistema di produzione di acqua calda sanitaria legato a produzione, distribuzione e accumulo rendimento di distribuzione Per fornire Q WH devo in realtà fornire al generatore di calore Q W. Si devono considerare i diversi rendimenti: η G rendimento di generazione, η d rendimento di distribuzione, η e rendimento di erogazione, η ms = η G η d η e rendimento medio stagionale, Q s perdite di calore del sistema di accumulo: Q W = Q η WH ms Q S + η g Rendimento di produzione impianti autonomi (Pn<35 kw) 1. Impianto autonomo con caldaia combinata (istantanea o accumulo) Rendimento di produzione impianti autonomi (Pn<35 kw) 2. Impianto autonomo con caldaia per la sola produzione di acqua calda sanitaria (istantanea o ad accumulo) Se è previsto un accumulo il rendimento di produzione η p è ottenuto moltiplicando i valori sopra riportati nel prospetto 13-a per i coefficienti di riduzione del prospetto seguente Dove η p è ottenuto considerando i rendimenti di produzione dei generatori di calore del prospetto 18. Tali rendimenti tengono già conto, per gli apparecchi ad accumulo, della perdita di accumulo, valutata pari a circa il 10%. Per gli scaldaacqua elettrici si è considerato inoltre un rendimento di produzione e distribuzione del 37%

7 Rendimento di produzione impianti autonomi (Pn>35 kw) 1. Impianto centralizzato con caldaia combinata (istantanea o ad accumulo) Rendimento di produzione impianti autonomi (Pn>35 kw) 2. Impianto centralizzato con caldaia per la sola produzione di acqua calda sanitaria (istantanea o ad accumulo) Dove η p è ottenuto considerando i rendimenti di produzione dei generatori di calore del prospetto 13 scelti in funzione del rapporto di P n /P media, per valori intermedi rispetto a quelli indicati si procede con l interpolazione lineare. Per le caldaie a condensazione si considerano il rendimento di produzione riferito alla Temperatura di ritorno di 40 C. Per i soli impianti centralizzati, in quanto sempre dotati di sistemi ad accumulo la perdita di calore stagionale Q S è ricavabile, in funzione della classe di volume dell accumulo, utilizzando i valori convenzionali riportati nel prospetto 19. Il solare termico Il solare termico: i collettori piani e sottovuoto

8 Il solare termico: produzione convenzionale Il solare fotovoltaico: i prodotti commerciali Cristallino con cornice Cristallino senza cornice Amorfo con cornice Amorfo senza cornice Il solare fotovoltaico: elementi fondamentali di un impianto Il solare fotovoltaico: produzione convenzionale di energia Quadro di parallelo Quadro di interfaccia Inverter

9 Caldaie e rendimento Caldaie a condensazione Viene dichiarato dal costruttore un valore di rendimento: ad esempio η = 88% (è un rendimento nominale al 100% del carico) Questo significa che viene sfruttato solo l 88% del potere calorifico inferiore (p.c.i.) del combustibile, cioè solo una parte del calore liberato nella combustione Una parte del calore sensibile è perso al camino Nei fumi si ha anche vapore d acqua il cui calore latente di vaporizzazione corrisponde ad un 11% del p.c.i. Nelle caldaie standard i fumi escono ad una temperatura di C. Ad una riduzione di 20 C della temperatura dei fumi corrisponde un aumento del rendimento di 1%. I fumi devono uscire caldi: Evacuazione (effetto camino) Evitare la formazione di condensa (corrosione e quindi distruzione di caldaia e camino) Qualora la temperatura dei fumi scenda al di sotto del punto di rugiada (56 C nel caso di metano) una parte del vapor d acqua comincia a condensare. Oltre al calore sensibile si libera anche il calore latente pari a circa 2500 kj/kg di condensa prodotta. Tanto più scende T fumi tanto più grande sarà il quantitativo di condensa, tanto maggiore sarà il calore recuperato I fumi vengono scaricati intorno a 40 C Scambiatori di calore sono maggiorati I bruciatori sono realizzati con una modulazione continua I circolatori sono a portata variabile L elettronica è più sofisticata I materiali sono di pregio Pompe di calore e gruppi frigoriferi:classificazione Sorgente termica: Aria; Aria espulsa; Acqua (di falda o superficiale); Anello di liquido; Terreno Pozzo termico: Aria; Acqua Modalità di funzionamento: PdC con compressore elettrico; PdC con compressore collegato ad un motore endotermico (gas) PdC ad assorbimento Pompe di calore e gruppi frigoriferi: efficienze istantanee e indici energetici stagionali COP (Coefficient of performance): Ciclo estivo: COP = P f / E Ciclo invernale: COP = P t / E P f : potenza frigorifera erogata P t : potenza termica erogata E : energia elettrica assorbita È un rendimento istantaneo determinato in ben determinate condizioni di prova Non può essere utilizzato per la stima delle prestazioni stagionali di impianto Nel ciclo estivo in luogo della dicitura COP si può trovare EER (Energy Efficiency Ratio)

10 Pompe di calore e gruppi frigoriferi e indici energetici stagionali L indice energetico ESEER (European Seasonal EER): ESEER = (PE 100% COP 100% + PE 75% COP 75% + PE 50% COP 50% + PE 25% COP 25% ) / 100 PE: peso energetico (energia prodotta su energia totale) alle quattro condizioni di carico considerate; COP: efficienza del gruppo frigorifero alle quattro condizioni di carico considerate Qv G u G i Q i1 Q i2 t a Q s Per confrontare edifici con dimensioni diverse e che si trovano in climi diversi è necessario utilizzare un indice energetico. 100% 75% 50% 25% PE 3% 33% 41% 23% T dell aria al condensatore 35 C 30 C 25 C 20 C T dell acqua al condensatore 30 C 25 C 20 C 20 C L ESEER non può essere utilizzato per la stima delle prestazioni stagionali Consente un confronto maggiormente preciso tra macchine diverse Si utilizzano di solito i consumi specifici, per unità di area o di volume Q tot = area riscaldata Q tot = volume riscaldato kwh 2 m kwh 3 m Trasmittanze termiche limite D.Lgs. 311 (dal 2010) Come si verifica l efficienza energetica Zona climatica Parete verticale Copertura Pavimento verso locale non risc. Finestra A 0,62 0,38 0,65 4,6 B 0,48 0,38 0,49 3,0 C 0,40 0,38 0,42 2,6 D 0,36 0,32 0,36 2,4 E 0,34 0,30 0,33 2,2 F 0,33 0,29 0,32 2,0

11 Rapporto superficie/volume Forme compatte Parametri climatici per la progettazione: gradi giorno e zone climatiche Il territorio nazionale è suddiviso nelle seguenti zone climatiche: Zona A: numero di gradi-giorno non superiore a 600; Zona B: numero di gradi-giorno maggiore di 600 e non superiore a 900; Zona C: numero di gradi-giorno maggiore di 900 e non superiore a 1.400; Zona D: numero di gradi-giorno maggiore di e non superiore a 2.100; Zona E: numero di gradi-giorno maggiore di e non superiore a 3.000; Zona F: numero di gradi-giorno maggiore di Cosa è la certificazione degli edifici Marcatura energetica degli elettrodomestici Direttiva Europea 94/2/EC del 1994 su Energy labelling Direttiva 96/57/EC del 1996 su Energy efficiency requirements. Decreto del Ministero Industria del 12 aprile 1998 Requisito minimo per edifici nuovi L etichetta permette una facile individuazione delle prestazioni Valore medio prestazione fabbricati esistenti (stock edilizio) Entro 8 ottobre 2006 obbligatoria la certificazione energetica sul nuovo CO 2 Emissions per regione (Mt ) Consumi di energia frigoriferi