La metodologia di calcolo: prospettive ed indicazioni normative in fase di approvazione nazionale ed europeo

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1 La metodologia di calcolo: prospettive ed indicazioni normative in fase di approvazione nazionale ed europeo Prof. Piercarlo ROMAGNONI Università IUAV di Venezia Dipartimento di ostruzione dell Architettura Dorsoduro Venezia La Normativa correlata alla Direttiva 2002/91/E [Energy Performance of Buildings Directive - EPBD] ommissione incaricata dal TI (Sottocomitato 1, 6 e 5) Raccomandazione TI - R 03/3 - Novembre 2003 limatizzazione invernale e preparazione acqua calda per usi igienico - sanitari Implementazione entro il 2007 > Preparazione deidocumentilegali, preparazione dei progettisti, software, etc. > Pubblicazione degli standards > molte nuove procedure saranno pubblicate come Recommended Procedures con futuri incrementi ed armonizzazioni 1

2 A livello europeo è stato istituito un gruppo di coordinamento tra alcuni comitati tecnici del EN per preparare la normativa tecnica relativa alle prestazioni degli edifici, dei componenti edilizi e degli impianti. I comitati coinvolti sono: EN/T 89 Prestazioni termiche degli edifici e dei componenti edilizi EN/T 156 Ventilazione degli edifici EN/T 169 Luce e illuminazione EN/T 228 Sistemi di riscaldamento degli edifici EN/T 247 Sistemi di controllo dei servizi meccanici negli edifici Il EN ha ricevuto il mandato dalla ommissione Europea per sviluppare la normativa necessaria al recepimento della EPBD 31 norme in fase di approvazione ompiti della ommissione EN sulla EPBD Facilitare la discussione sulle parti più importanti del programma di lavoro di EPBD reare un umbrella document (a kind of road map) al fine di presentare una chiara visione sia dei WI che degli standards, nonché le loro correlazioni, e le necessità ai fini della Direttiva Facilitare lo scambio di informazioni tra i diversi convenors dei WG, identificare nuovi documenti necessari all attuazione della Direttiva 2

3 alculation direction (from the demand to the source) Q S Final energy (boundary:building) Q T Q i Q V Davi d heat demand Qh Q c,e Emission Distribution Storage Generation Primary energy Q d Q s Q g Energy direction (from the source to the demand) Fonte: ommissione EPBD L indicatore della prestazione energetica e la classificazione degli edifici (pr EN 15217) L indicatore deve essere normalizzato per unità di area condizionata Quali riferimenti? EPR reference: è il valore che ci si attende abbia un edificio nuovo al momento dell entrata in vigore del regolamento (2006) limite inferiore classe Building stock reference: è il valore che ci si attende abbia raggiunto il 50% del corpo edifici al momento dell entrata in vigore del regolamento (2006) limite inferiore classe E Zero Reference: edificio a consumo/ emissione nulla 3

4 Requisito minimo per edifici nuovi Valore medio prestazione fabbricati esistenti (stock edilizio) Determinazione dell indicatore energetico Il bilancio energetico dell edificio va eseguito adottando il singolo mese come periodo di calcolo e considerando come unica zona termica quelle porzioni di edificio riscaldate da un sistema unico e aventi la medesima destinazione d uso. Il calcolo deve seguire la metodologia descritta in UNI EN 832 ed in EN ISO

5 Emissione di energia primaria e di O 2 ertificato energetico Fattori di conversione Energia rilasciata Produzione di acqua calda Illuminazione aratteristiche del sistema di riscaldamento aratteristiche del sistema di condizionamento Sistema di ventilazione Automazione e controlli Dati di partenza Edificio Fabbisogno energetico Guadagni interni Dispersioni termiche Ricambi d aria ondizioni climatiche interne ed esterne Guadagni solari e luminosi Dati per la determinazione degli indici energetici (involucro) - dati climatici: temperatura esterna di progetto θ est e temperatura esterna annuale media; - dati dell edificio e calcolo della trasmittanza termica dell involucro: determinazione delle resistenze interna ed esterna R s UNI EN ISO 6946; conducibilità termica λ di strati omogenei: valori dichiarati dei materiali UNI EN ISO valori di sicurezza EN per il terreno UNI EN ISO resistenza termica di strati non omogenei: UNI EN ISO 6946 resistenza di cavità in pareti opache: UNI EN ISO 6946 resistenza di cavità in pareti trasparenti: UNI EN ISO

6 - determinazione della trasmittanza termica: metodo generale: UNI EN ISO 6946 finestre e porte: UNI EN ISO telaio: UNI EN ISO vetro: UNI EN coefficienti lineici per i ponti termici metodo dettagliato (3D): UNI EN ISO metodo dettagliato (2D): UNI EN ISO metodo semplificato: UNI EN ISO calcolo delle dispersioni termiche attraverso UNI EN ISO l involucro esterno, spazi non riscaldati, terreno e altri spazi confinanti NORME EN DI RIFERIMENTO GIA ATTUALMENTE VIGENTI R 1752 EN EN EN EN Ventilazione degli edifici riteri di progettazione per ambienti interni Ventilazione degli edifici non residenziali - Requisiti di prestazione per i sistemi di ventilazione e di condizionamento Ventilazione degli edifici - Metodi di calcolo per la determinazione delle portate d'aria negli edifici residenziali Ventilazione per edifici - Procedure di prova e metodi di misurazione per la presa in consegna di impianti installati di ventilazione e di condizionamento dell'aria Ventilazione degli edifici -Simboli, terminologia e simboli grafici EN Prestazione termica degli edifici - Rivelazione qualitativa delle irregolarità termiche negli involucri edilizi - Metodo all'infrarosso EN Dispositivi di protezione solare in combinazione con vetrate - alcolo della trasmittanza solare e luminosa - Metodo semplificato EN Dispositivi di protezione solare in combinazione con vetrate - alcolo della trasmittanza solare e luminosa - Parte 2: Metodo di calcolo dettagliato EN Prestazioni termiche di curtain wall alcolo della trasmittanza termica EN Prestazione termica degli edifici - Determinazione della permeabilità all'aria degli edifici - Metodo di pressurizzazione mediante ventilatore 6

7 EN ISO 7245 Isolamento termico - Grandezze fisiche e definizioni EN ISO 9288 Isolamento termico - Scambio termico per radiazione - Grandezze fisiche e definizioni EN ISO 9251 Isolamento termico - ondizioni di scambio termico e proprietà dei materiali Vocabolario EN ISO Isolamento termico degli edifici - Determinazione del cambio d'aria all'interno degli edifici - Metodo di diluizione di gas traccianti. EN ISO Prestazione igrometrica dei componenti e degli elementi per l edilizia Temperatura superficiale interna per evitare l umidità superficiale critica e condensa interstiziale Metodo di calcolo EN ISO Prestazione termica degli edifici - alcolo della temperatura interna estiva di un locale in assenza di impianti di climatizzazione - riteri generali e procedure di validazione EN ISO Prestazione termica degli edifici - alcolo della temperatura interna estiva di un locale in assenza di impianti di climatizzazione - Metodi semplificati EN ISO Prestazione termoigrometrica degli edifici - alcolo e presentazione dei dati climatici - Medie mensili dei singoli elementi meteorologici EN ISO Prestazione termoigrometrica degli edifici - alcolo e presentazione dei dati climatici - Parte 4: Dati orari per la valutazione del fabbisogno annuale di energia per il riscaldamento e il raffrescamento. EN ISO Prestazione termoigrometrica degli edifici - alcolo e presentazione dei dati climatici - Parte 5: Dati per il carico termico di progetto per il riscaldamento degli ambienti In attesa dell emanazione delle norme in preparazione presso il EN vi sono alcune norme italiane (UNI) che possono venire utilizzate in questo ambito UNI UNI UNI Riscaldamento e raffrescamento degli edifici. Energia termica scambiata tra una tubazione e l'ambiente circostante. Metodo di calcolo. Riscaldamento degli edifici. Rendimenti dei sistemi di riscaldamento. Metodo di calcolo. Riscaldamento e raffrescamento degli edifici. Dati climatici. UNI UNI UNI EN 410 UNI EN 673 UNI EN 832 UNI EN ISO Materiali da costruzione. onduttività termica e permeabilità al vapore. Murature e solai. Valori della resistenza termica e metodo di calcolo. Vetro per edilizia - Determinazione delle caratteristiche luminose e solari delle vetrate. Vetro per edilizia - Determinazione della trasmittanza termica (valore U) - Metodo di calcolo Prestazione termica degli edifici - alcolo del fabbisogno di energia per il riscaldamento - Edifici residenziali. Prestazione termica degli edifici - alcolo del fabbisogno di energia per il riscaldamento 7

8 La metodologia di UNI EN ISO Bilancio energetico dell edificio secondo UNI EN ISO La norma conferma la metodologia di bilancio della UNI EN 832 estendendola agli edifici non residenziali. La metodologia di UNI EN ISO Fattore di utilizzazione per due diverse categorie di edifici - riscaldamento continuo (p.es residenziale) - riscaldamento discontinuo (p. es. scuole) Metodo di calcolo mensile 8

9 Il coefficiente di perdita di calore per trasmissione T e quindi il flusso termico scambiato tra interno ed esterno è calcolato tramite le relazioni: T L D + L S + U Q T T (θ int - θ ext ) t in cui la dispersione attraverso gli spazi non riscaldati è calcolata dal coefficiente di perdita U e la dispersione attraverso il terreno determinata dal coefficiente di accoppiamento L S Per la determinazione del flusso termico disperso attraverso la struttura edilizia, è necessario determinare il coefficiente di accoppiamento (perdita per dispersione) tra lo spazio riscaldato e l esterno attraverso l involucro edilizio L D è calcolato con la seguente espressione: L D A U + l Ψ + i i i k k k j χ j A i superficie dell elemento i esimo dell involucro edilizio [m 2 ]; U i trasmittanza termica dell elemento i-esimo[w/(m 2 K)]; l k lunghezza del ponte termico lineare, [m]; Ψ k trasmittanza termica lineica del ponte termico lineare k, [W/(m K)]; χ j trasmittanza termica puntuale del ponte termico j, [W/K] 9

10 Il calcolo della dispersione termica verso ambienti non riscaldati è effettuato determinando il coefficiente U : U L iu b con b iu ue + ue L iu coefficiente di accoppiamento tra lo spazio riscaldato e lo spazio non riscaldato [W/K]; ue coefficiente di perdita di calore dallo spazio non riscaldato all esterno [W/K]; iu coefficiente di perdita di calore dallo spazio riscaldato allo spazio non riscaldato [W/K] Il coefficiente L iu tiene conto delle perdite attraverso le strutture opache e trasparenti e gli eventuali i ponti termici, secondo un espressione analoga alla (1). I coefficienti di perdita di calore invece devono considerare anche le perdite per ventilazione, secondo le seguenti espressioni: iu L iu + V,iu ue L ue + V,ue Valore mensile del fabbisogno di energia termica Q h : Q h Q L - η Q G Il fabbisogno annuale di energia termica si determinerà sommando il fabbisogno termico per tutti i mesi per i quali la temperatura esterna media è minore di quella di progetto. Si ricorda che i guadagni Q G sono Q G Q i + Q s Gli apporti interni Q i includono: - calore di produzione metabolica; - calore dissipato dalle luci; - calore prodotto da sistemi di ventilazione - calore prodotto da processi 10

11 spessori s [m]; conducibilità termiche λ [W/(m K)]; conduttanze [W/(m 2 K)]; densità ρ [kg/m 3 ]; calore specifico c [J/(kg K)] La parete ha superficie A [m 2 ] la resistenza totale di scambio R tot 1/ U è la somma delle resistenze termiche definite di seguito: R tot R t + R' t + R si + R se R t resistenza termica di strato omogeneo; R t resistenza termica di strato non omogeneo; R s i resistenza superficiale interna; R se resistenza superficiale esterna. R t resistenza termica di uno strato omogeneo di spessore s [m] e conducibilità termica λ [W/(m K)]: Rt s λ m 2 K [ W λ è ricavata da valori tabulati o secondo UNI EN ISO ] R t resistenza termica di uno strato non omogeneo di spessore s [m] e conduttanza termica [W/(m 2 K)]: R 't 1 2 K m [ W ] 11

12 Resistenze superficiali R si, R se [(m 2 K)/W] Direzione del flusso termico Ascendente Orizzontale Discendente R si 0,10 0,13 0,17 R se 0,04 0,04 0,04 Per pareti verticali, andranno utilizzate le resistenze riportate nella colonna centrale. Un flusso termico ascendente è considerato tale su soffitti disperdenti; un flusso termico è discendente sotto pavimenti disperdenti. E' considerato orizzontale anche un flusso termico inclinato fino a ±30 sul piano orizzontale. Le prestazioni termiche di un sistema vetrato : Il coefficiente di scambio termico U-value U w U g A g + U A g f A f + A + ψ f g L g qg A g Ug(EN673) tai ( ) t ae q w Aw Uw( EN ) ( t t ) ai ae 12

13 Il calcolo dei flussi termici dovuti ai ponti termici può essere effettuato con precisione utilizzando metodi numerici dettagliati in accordo con UNI EN ISO EN ISO UNI EN ISO flusso termico tridimensionale flussi termici bidimensionali consente di calcolare i flussi termici attraverso metodi semplificati in corrispondenza alle giunzioni tra elementi di edifici, ma non si applica a ponti termici associatiai telai di porte e finestre o a facciate continue UNI EN ISO consente di calcolare il valore della trasmittanza termica lineica Ψ k Generalmente l influenza dei ponti termici puntuali, esplicitata dal termine χ i, può essere trascurata. 1 Ψe -0,05 Ψoi 0,15 Ψi 0,15 L 2D 0,84 e 1,3 2 Ψe -0,10 Ψoi 0,10 Ψi 0,10 L 2D 0,79 3 Ψe -0,20 Ψoi 0,00 Ψi 0,00 L 2D 0,70 4 Ψe -0,15 Ψoi 0,05 Ψi 0,05 L 2D 0,81 e 1,3 i, oi 1,0 i, oi 1,0 5 Ψe 0,00 Ψoi - 0,20 Ψi - 0,20 L 2D 0,71 6 Ψe 0,10 Ψoi - 0,15 Ψi - 0,15 L 2D 0,77 7 Ψe 0,15 Ψoi - 0,05 Ψi - 0,05 L 2D 0,83 8 Ψe 0,05 Ψoi - 0,15 Ψi - 0,15 L 2D 0,82 e 1,0 e 1,0 i, oi 1,3 i, oi 1,0 Parete Parete leggera Strato isolante Soletta/pilastro 13

14 Scambio termico per ventilazione QV [ V, k ( θi θs, k )] t k V,k coefficiente di ventilazione dell aria entrante in ambiente a temperatura θ s ; V, k ρ a c a V& V θ i temperatura della zona termica o dell edificio; t durata del calcolo V & V portata d aria determinata in accordo a EN Le perdite totali Q L saranno quindi: Q L Q T + Q V Gli apporti interni includono: - alore di produzione metabolica; - alore dissipato dalle luci; - alore prodotto da sistemi di ventilazione - alore prodotto da processi Gli apporti interni devono considerare (metodo mensile) anche il contributo proveniente da spazi non riscaldati Qi k + l (1 Q i k, bl ) Qi, u, l b l fattore di riduzione per lo spazio adiacente non condizionato. Si ricava da EN

15 ontributi solari Q s k Q s, k + j (1 b j ) Q s, u, j Q Q s, c s, u, k [ Is, k F j [ Is, j F Q s somma dei contributi solari durante il mese; Q s,c somma dei contributi solari nel mese considerato nello spazio condizionato Q s,u,j somma dei contributi solari nel mese considerato nello spazio adiacente non condizionato b j coefficiente di riduzione (da EN 13789) F s,o,k fattore di shading per gli ostacoli esterni I s irradianza solare sul periodo considerato [MJ/m 2 ] A s area effettivamente soleggiata j s, o, k s, o, j A s, k A ] s, j ] Area effettiva A s di superfici trasparenti A s F sh,g g g (1 F F ) A w,p A w,p totale area dell elemento vetrato F F fattore del telaio g g trasmittanza del vetro F sh,g fattore di shading per ostruzioni mobili 15

16 Area effettiva A s di superfici opache A s F r α S,c R se U c A c A c totale area dell elemento opaco F r fattore di correzione U c trasmittanza termica della parete considerata (ISO 6946) α S,c assorbimento della superficie Si trova che: F r qt 1 α S, c t I s q t è l irradiazione dalla volta celeste F f h r θ er θ er differenza media tra la temperatura dell aria esterna e quella apparente della volta celeste 11 K F f fattore di forma verso la volta celeste (0,5 sup. verticale; 1 tetto) h r 4 ε σ (θ ss + 273) 4 ; ε emissività della superficie I parametri dinamici Metodo mensile e stagionale: gli effetti dinamici devono essere considerati tenendo introducendo fattore utilizzo dei guadagni (riscaldamento) fattore utilizzo delle perdite (raffrescamento) Definizioni γ rapporto perdite guadagni per riscaldamento η fattore di utilizzo dei guadagni (riscaldamento) Q L, perdite totali nel riscaldamento [MJ] Q G, guadagni totali nel riscaldamento a parametro adimensionale; a 0, parametro adimensionale di riferimento τ costante di tempo dell edificio [h] τ 0, costante di tempo di riferimento 16

17 Valori di riferimento dei parametri adimensionali Tipo di edificio Edifici riscaldati in modo continuo per oltre 12 h al giorno (residenze, hotel, ospedali, ). alcolo mensile ome sopra. alcolo stagionale Edifici riscaldati per meno di 12 h al giorno (negozi, uffici, ) a 0, 1,0 0,8 0,8 τ 0, [h] ostante di tempo dell edificio τ m 3,6 T, m capacità termica interna dell edifico m Σ j Σ i ρ ij c ij d ij A j ρ densità del materiale dello strato i-esimo dell elemento j-esimo c capacità termica specifica del materiale dello strato i-esimo dell elemento j-esimo d spessore dello strato i-esimo dell elemento j-esimo A superficie dell elemento j-esimo T coefficiente di perdita per trasmissione Sono considerati tutti gli elementi in contatto diretto con l aria ambiente interno. La somma è eseguita partendo dall elemento interno e fermandosi allo strato isolante. Il valore massimo dello spessore è 0,10 m (0,03 per effetto dell intermittenza) o a metà dell elemento (a seconda di che dis tanza è più piccola) 17

18 18 a a 0, 0, τ τ + E possibile determinare a : e quindi γ : ed infine il fattore di utilizzo: L G Q Q,, γ , 1, + η γ γ γ η γ + G a G a G G a a

19 Per il raffrescamento Definizioni λ rapporto perdite guadagni per raffrescamento η fattore di utilizzo dei guadagni (raffrescamento) Q L, perdite totali nel raffrescamento [MJ] Q G, guadagni totali nel raffrescamento a parametro adimensionale; a 0, parametro adimensionale di riferimento τ costante di tempo dell edificio [h] τ 0, costante di tempo di riferimento λ 1 η L, 1 λ 1 λ a a + 1 λ 1 η L, a a + 1 se λ < 0 η L, 1 19

20 Fabbisogno energetico per il riscaldamento Q N Q L, η G, Q G, Fabbisogno energetico per il raffrescamento Q N Q G, η L, Q L, Si ricorda che i guadagni sono Q G Q i + Q s 20

21 alore per la produzione di acqua calda Q w ρ c V w (θ w θ 0 ) n gg Volume giornaliero [l / giorno] d acqua calda richiesta Temperatura dell acqua entrante nel sistema di produzione Per edifici residenziali: Temperatura dell acqua calda prodotta (standard 40 ) V w m w S f bagni Superficie lorda S < 50 m 2 50 S < 120 m S < 200 m 2 S 200 m 2 Fabbisogno specifico m w [l/(m 2 gg)] 3 2,5 2,0 1,5 Q w [MJ/(m 2 gg)] 0,314 0,262 0,210 0,157 Numero bagni o più Fattore f bagni 1 1,33 1,66 21

22 Il calcolo dell energia primaria per il riscaldamento secondo UNI Fabbisogno ideale di energia termica utile Q h (o Q hvs ) - EDIFIIO Energia recuperabile Fabbisogno netto Q h x Fattore di riduzione per gestione autonoma f cont Fabbisogno netto corretto Q h IMPIANTO Il calcolo dell energia primaria per il riscaldamento secondo UNI emissione Fabbisogno netto corretto Q h / Rendimento di emissione η e Fabbisogno di emissione Q e MJ regolazione Fabbisogno Q e / Rendimento di regolazione η c Fabbisogno di regolazione Q c MJ Fabbisogno effettivo Q hr MJ 22

23 Il calcolo dell energia primaria per il riscaldamento secondo UNI distribuzione Fabbisogno Q hr / Rendimento di distribuzione η d Fabbisogno di distribuzione Q p MJ generazione Fabbisogno Q p / Rendimento di produzione η p Fabbisogno di energia primaria per la combustione Q MJ Il calcolo dell energia primaria per il riscaldamento secondo UNI Fabbisogno di energia primaria per la combustione Fabbisogno di energia elettrica (per l emissione, le pompe di distribuzione, la pompa primaria e per il bruciatore) + / Rendimento del servizio elettrico nazionale η sen Fabbisogno totale di energia primaria Q MJ Le norme EN sostituiranno la UNI