Fabbisogno di energia termica dell edificio

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1 Corso di Energetica degli Edifici Docenti: Prof. Ing. Marco Dell Isola Facoltà di Ingegneria Università degli studi di Cassino Ing. Fernanda Fuoco Facoltà di Ingegneria Università degli studi di Cassino Fabbisogno di energia termica dell edificio

2 Fattori dell involucro che influenzano il fabbisogno energetico di un edificio La forma Rapporto di forma S/V Edificio a forma di igloo (edificio compatto) L orientamento e le superfici trasparenti Apporti solari naturali prodotti dal corretto e ragionato posizionamento della costruzione nel lotto di progetto La ventilazione Quantità «n» di ricambi d aria ad ora minima garantita per legge. 2

3 Quadro Normativo 3

4 Decreto legislativo 192/05 D.P.R. 75/2013 in vigore dal 12 Luglio

5 Decreti attuativi del D.lgs 192/05 LINEE GUIDA NAZIONALI PER LA CERTIFICAZIONE ENERGETICA DEGLI EDIFICI D.M. 26 giugno

6 Decreti attuativi del D.lgs 192/05 LINEE GUIDA NAZIONALI PER LA CERTIFICAZIONE ENERGETICA DEGLI EDIFICI D.M. 26 giugno

7 CHI PUO RILASCIARE APE? 7

8 CHI PUO RILASCIARE APE? 8

9 Decreti attuativi del D.lgs 192/05 - Allegato A - Linee Guida Nazionali LINEE GUIDA NAZIONALI PER LA CERTIFICAZIONE ENERGETICA DEGLI EDIFICI D.M. 26 giugno 2009 Dal fabbisogno energetico agli indici di prestazione 9

10 METODOLOGIE DI CALCOLO D.P.R. 2 Aprile 2009 n 59 Decreti attuativi del D.lgs 192/05 10

11 METODOLOGIA SEMPLIFICATA 11

12 METODOLOGIA SEMPLIFICATA 12

13 Indice di prestazione energetica relativa alla climatizzazione invernale- EPi Ai fini delle verifiche previste dal D.P.R. n. 59/2009, l indice di Prestazione EP, ovvero il fabbisogno di energia primaria specifico per la climatizzazione invernale, è uguale a: nel caso di edifici residenziali della classe E1, esclusi collegi, conventi, case di pena e caserme: EPi = Qp,h / Su [kwh / m2 annuo] dove: Qp,h è il fabbisogno di energia primaria per la climatizzazione invernale; Su e la superficie netta calpestabile degli ambienti riscaldati. per tutti gli altri Edifici: EPi = Qp,h / V [kwh / m3 annuo] dove: Qp,h è il fabbisogno di energia primaria per la climatizzazione invernale; V e il volume netto degli ambienti riscaldati. 13

14 Indice di prestazione energetica relativa alla climatizzazione invernale- EPi Fabbisogno di energia termica dell edificio per l inverno: è la quantità di calore che deve essere fornita o sottratta ad un ambiente al fine di mantenere le condizioni di temperatura prefissate, cioè la temperatura di comfort, durante la stagione invernale ed e data dall equazione, nel caso di riscaldamento: Ql,h e lo scambio termico totale Qg,h e l apporto termico totale Qt,h e lo scambio termico per trasmissione e Qv,h e lo scambio termico per ventilazione Qs,h sono gli apporti termici solari e Qi,h sono gli apporti termici interni ηu,h e fattore di utilizzazione degli apporti termici. Energia Primaria per il riscaldamento: è l energia effettivamente consumata o che si prevede possa essere necessaria per il riscaldamento invernale, poichè tiene conto del rendimento complessivo del sistema edificio-impianto ed e data dall equazione: Qp,h = Qh / ηg Qh e il fabbisogno di energia termica dell edificio per la stagione invernale; ηg e il rendimento globale medio stagionale dell impianto 14

15 Indice di prestazione energetica relativa alla climatizzazione estiva- EPe Per la climatizzazione estiva invece, il D.P.R. n. 59/2009 definisce un indice di prestazione energetica EPe per il raffrescamento dato da: nel caso di edifici residenziali della classe E1, esclusi collegi, conventi, case di pena e caserme: EPe = Qc / Su [kwh / m2 annuo] dove: Qc e il fabbisogno energetico stagionale dell involucro per il raffrescamento; Su e la superficie netta calpestabile degli ambienti riscaldati. per tutti gli altri Edifici EPe = Qc / V [kwh / m3 annuo] dove: Qc e il fabbisogno energetico stagionale dell involucro per il raffrescamento; V e il volume netto degli ambienti riscaldati. 15

16 Indice di prestazione energetica relativa alla climatizzazione estiva- EPe L indice di prestazione energetico per raffrescamento, ad oggi dunque, risulta riferito al solo fabbisogno energetico dell edificio e NON all energia primaria. L energia termica dell edificio per l estate, ovvero il fabbisogno di energia termica dell edificio per l estate, è data dalla seguente equazione: Dove: Qg,c e l apporto termico totale; Ql,c e lo scambio termico totale; Qs,c sono gli apporti termici solari; Qi,c sono gli apporti termici interni; ηu,c e fattore di utilizzazione delle dispersioni termiche; Qt,c e lo scambio termico per trasmissione; Qv,c e lo scambio termico per ventilazione. Nota bene: Il valore della temperatura media mensile stagionale (estiva) θe viene fornito dalla norma UNI 10349, mentre la temperatura interna θi viene considera costante e pari a 26 C, per tutte le categorie di edifici ad esclusione delle categorie E.6(1), E.6(2), E

17 Indice di prestazione energetica per la produzione di acqua calda sanitaria EPacs EPacs = Qp,W / Su [kwh/m2anno] dove: Qp,W e il fabbisogno di energia primaria del sistema Su e la superficie utile dell edificio espressa in m2 Nota bene: L indice di prestazione energetico ACS (acqua calda sanitaria), risulta dunque riferito all energia primaria. 17

18 Requisiti di qualità energetica Riscaldamento EPi e EPacs si confrontano con le scale di valori costituenti le classi energiche espressione della prestazione energetica dell edificio per la climatizzazione invernale. Il D.M. del 26 giugno 2009, nell allegato 4 definisce il sistema di classificazione nazionale concernente la climatizzazione invernale degli edifici e la produzione di ACS. 18

19 Requisiti di qualità energetica.- Verifica Epi lim Determinato così l indice di prestazione energetica effettivo, se ne confronta il valore con i valori limite EPI lim.2010, in funzione del rapporto S/V dei valori di gradi-giorno e della zona climatica della località. Determinabile anche per interpolazione, con la tabella sopra riportata in base al DPR 412/93. 19

20 Requisiti di qualità energetica Raffrescamento Sulla base dei valori assunti dal parametro EPe,invol, calcolati la norma tecnica e sue UNI/TS Prestazioni energetiche degli edifici Parte 1: Determinazione del fabbisogno di energia termica dell edificio per la climatizzazione estiva ed invernale si definisce la seguente classificazione, valida per tutte le destinazioni d uso: Decreto Ministeriale 26 giugno Classificazione degli edifici in base ai valori assunti dal parametro EPe,invol 20

21 Fabbisogno termico dell edificio per la climatizzazione invernale- UNI TS Periodo di riferimento: I calcoli vanno effettuati su base mensile. Zona termica: parte dello spazio riscaldato con una prefissata temperatura di progetto, nella quale si assume che la temperatura abbia variazioni nello spazio trascurabili. L edificio può avere diverse zone termiche a differenti temperature di progetto. Una zona può avere un riscaldamento intermittente. 21

22 Fabbisogno termico dell edificio per la climatizzazione invernale- UNI TS Ai fini della procedura di calcolo si considera: Il fabbisogno energetico dell involucro per la climatizzazione (invernale e estiva) sono riferiti al funzionamento continuo, cioè al mantenimento di una temperatura interna dell edificio costante nel tempo e considerando la durata giornaliera dell impianto pari a 24 ore; La temperatura interna di progetto degli ambienti a temperatura controllata si assume pari a 20 C durante la stagione invernale e pari a 26 C durante quella estiva; Temperatura di progetto uniforme nei vari ambienti a temperatura controllata.(la (suddivisione in zone termiche non è richiesta se: le temperature interne di regolazione per il riscaldamento differiscono meno di 4 C e se gli ambienti sono serviti dallo stesso impianto di riscaldamento) (si effettua un calcolo su base mensile) 22

23 Fabbisogno termico dell edificio per la climatizzazione invernale- UNI TS La norma UNI TS viene applicata a tutti i sistemi edifici-impianti. Sistema edificio-impianto: costituito da un edificio (un involucro edilizio) o da porzioni di edificio, climatizzati attraverso un unico impianto termico e caratterizzati dalla stessa destinazione d uso. 23

24 Fabbisogno termico dell edificio per la climatizzazione invernale- UNI TS Il fabbisogno energetico annuale per il riscaldamento di un ambiente climatizzato viene determinato sommando il fabbisogno energetico calcolato su base mensile. Viene definito un fabbisogno energetico dell involucro per la climatizzazione invernale, QNH, calcolato su base mensile e considerando, per l impianto preposto al riscaldamento degli ambienti interni, i limiti di esercizio così come stabiliti nel Prospetto 3 della norma UNI TS Nota Bene: Nel caso di valutazione adatta all utenza si adotta la stagione di riscaldamento reale in cui il primo e l ultimo giorno sono i giorni in cui l energia dispersa eguaglia l energia guadagnata ovvero [(Qt + Qv) = (Qi + Qs)] e quindi la temperatura interna ottimale e garantita senza l utilizzo dell impianto di riscaldamento. 24

25 Fabbisogno termico dell edificio per la climatizzazione invernale- UNI TS La quantità di energia mensile scambiata per trasmissione e per ventilazione, Q lh, espressa in kwh, tra l ambiente climatizzato e l ambiente circostante, è data da: Q lh = Q t,h + Q v,h Qt,h è l energia dispersa per trasmissione tra l ambiente climatizzato e l ambiente circostante, espressa in kwh; Qv,h è l energia dispersa per ventilazione tra l ambiente climatizzato e l ambiente esterno, espressa in kwh. 25

26 Scambio termico per trasmissione dove: ht e il coefficiente globale di scambio termico per trasmissione (W/ C); θi e la temperatura degli ambienti interni ( C); θe e la temperatura media mensile esterna ( C); fk e il fattore di forma tra il componente edilizio k-esimo e la volta celeste; Φk e l extra flusso termico dovuto alla radiazione infrarossa verso la volta celeste dal componente k-esimo; τ e il tempo considerato (base mensile) (h); 10 3 e un fattore moltiplicativo per passare dai W ai kw τ= N *24h = N *86400 s. Dove N è il numero dei giorni del mese considerato moltiplicato per le ore di un giorno. In questo calcolo si considera dunque, che l impianto sia a funzionamento continuo; θi varia a seconda della categoria di edificio considerata. Per tutte le categorie di edifici, ad esclusione della E.6(1), E.6(2) e E.812, per la climatizzazione invernale, si assume come temperatura costante i 20 C; θe i valori di temperatura media mensile esterna sono forniti dalla norma UNI

27 Scambio termico per trasmissione I valori medi mensili delle temperature medie giornaliere dell aria esterna per i capoluoghi di provincia, θe, sono riportati nel prospetto III. 27

28 Scambio termico per trasmissione Se il Comune considerato non coincide con il capoluogo di provincia, si applica una temperatura corretta che tiene conto della diversa localizzazione e altitudine del Comune considerato rispetto al capoluogo di provincia, applicando il seguente criterio: si identifica il capoluogo di provincia di appartenenza del Comune considerato; si apporta una correzione al valore della temperatura del capoluogo di riferimento per tenere conto della differenza di altitudine tra questo e il Comune considerato, secondo la relazione: θer è il valore medio mensile della temperatura media giornaliera dell aria esterna nel capoluogo di riferimento (Prospetto III), espresso in C; z è l altitudine s.l.m. del Comune considerato, espressa in m; zr è l altitudine s.l.m. del capoluogo di riferimento (Pr. III), espressa in m; δ è il gradiente verticale di temperatura, il cui valore è assunto pari a 1/178, espresso in C/m. 28

29 Scambio termico per trasmissione- UNI TS 11300/1 UNI TS 11300/1 riporta come calcolare il coefficiente di scambio termico per trasmissione, ht, che è dato da: verso il terreno scambio verso l ambiente esterno ht = hd + hg + hu + ha verso gli ambienti non climatizzati verso gli edifici adiacenti Le formule di calcolo dei coefficienti sopra citati differiscono tra loro e fanno riferimento alle norme UNI EN ISO13370 e UNI EN ISO Per tener conto della natura tridimensionale del flusso termico le formule della norma UNI EN ISO sono espresse in termini di: dimensione caratteristica del solaio B definita come il rapporto tra l area totale netta del solaio A e il suo semiperimetro (lordo) P: B = A /. P; spessore equivalente definito come lo spessore di terreno avente la medesima resistenza termica. 29

30 Scambio termico per trasmissione - Formula semplificata Il coefficiente di dispersione termica per trasmissione per i componenti opachi e vetrati, HT, tiene conto delle perdite di calore attraverso le strutture che separano l ambiente climatizzato dall ambiente circostante. AL è l area lorda di ciascun componente, k, termicamente uniforme, che separa l ambiente climatizzato dall ambiente circostante, espressa in m2; UC,k è la trasmittanza termica corretta di ciascun componente, k, termicamente uniforme, che separa l ambiente climatizzato dall ambiente circostante, espressa in W/m2K. N.B. Il valore cambia a seconda del tipo di edificio: se esistente o di nuova costruzione. Uck = U *(1+ fpt) in cui il fattore fpt tiene conto dei ponti termici della struttura. Ha un valore in percentuale per gli edifici esistenti, un valore calcolato puntualmente per edifici di nuova costruzione FTk è il fattore correttivo da applicare a ciascun componente, k, così da tener conto delle diverse condizioni di temperatura degli ambienti non climatizzati con cui essi sono a contatto (se edificio confina con ambiente esterno Ftk=1). 30

31 Scambio termico per trasmissione - Formula semplificata Ai fini del calcolo del coefficiente di dispersione termica per trasmissione dell edificio si assume come superficie disperdente la superficie dei componenti opachi e trasparenti rivolti verso l esterno, verso il terreno e verso ambienti non climatizzati tramite lo stesso impianto termico. 31

32 Scambio termico per trasmissione - Formula semplificata Nel calcolo delle dispersioni termiche si assumono alcune ipotesi esemplificative : il regime sia stazionario (grandezze costanti nel tempo) l aria ambiente abbia la stessa temperatura in ogni punto le proprietà termofisiche dei materiali e i coefficienti di scambio termico superficiale non dipendano dalla temperatura le pareti siano piane, indefinitamente estese e composte da strati di materiali diversi fra loro paralleli le resistenze di contatto tra materiali diversi siano nulle il flusso termico monodimensionale e perpendicolare alle superfici piane che delimitano la parete stessa. 32

33 Scambio termico per trasmissione - Formula semplificata In realtà la distribuzione della temperatura per piani paralleli non risulta mai verificata perche la parete non è mai completamente omogenea e tantomeno di lunghezza indefinita. In generale si puo dire che i PONTI TERMICI possono essere generati dalle seguenti circostanze: disomogeneita termica dei materiali che compongono uno strato (ad esempio la composizione di un solaio o la presenza di un pilastro di cemento armato in una parete di materiale diverso); disomogeneita geometrica (angoli di parete o nodi). Questo si traduce, in generale, in una perturbazione del flusso termico che provoca disomogeneità di temperatura sulle superfici interne delle pareti, con conseguente diminuzione della temperatura superficiale interna associate a pericolo di formazione di condense e muffe, ed un aumento delle dispersioni termiche difficilmente valutabili. 33

34 Scambio termico per trasmissione - Formula semplificata Un ponte termico viene definito corretto dal D.Lgs. n. 192/2005 quando la trasmittanza termica della parete fittizia, intesa come il tratto di parete esterna in corrispondenza del ponte termico, non supera per più del 15% la trasmittanza termica della parete corrente. 34

35 Scambio termico per trasmissione Negli edifici di nuova costruzione, invece, il calcolo dell incidenza del ponte termico deve essere eseguito dettagliatamente, applicando la seguente formula: ht = Σ Ak * Uk + Σ lk * ψk + Σ χj [W/K] lk e la lunghezza del ponte termico; ψk e la trasmittanza termica lineare del ponte termico da norma UNI EN ISO 14683; χj e la trasmittanza termica puntuale del ponte termico da norma UNI EN ISO

36 Scambio termico per trasmissione - Formula semplificata I valori di U vengono corretti automaticamente in funzione della tipologia edilizia UC,k :trasmittanza termica corretta di ciascun componente opaco, k, termicamente uniforme,che separa l ambiente climatizzato dall ambiente circostante, espressa inw/m2k; Uk :la trasmittanza termica di ciascun componente opaco, k, termicamente uniforme, che separa l ambiente climatizzato dall ambiente circostante, espressa in W/m2K; FPT è il fattore correttivo da applicare al valore di trasmittanza termica di ciascun componente opaco disperdente, k, così da tener conto delle maggiorazioni dovute ai ponti termici 36

37 Scambio termico per trasmissione Componenti finestrati La trasmittanza termica delle finestre singole,uw, si calcola in base a quanto riportato nella norma UNI EN ISO , mediante la relazione: -Uw è la trasmittanza termica della finestra singola, espressa in W/m2K; - Ag è l area del vetro, espressa in m2; - Ug è la trasmittanza termica del vetro, espressa in W/m2K; - At è l area del telaio, espressa in m2; - Ut è la trasmittanza termica del telaio, espressa in W/m2K; - lg è il perimetro del vetro, espresso in m; - Ψg è la trasmittanza termica lineare del vetro. E un valore tabellare (allegato E UNI EN ISO )che dipende dal tipo di distanziatore (vetri camera) 37

38 Scambio termico per trasmissione Componenti finestrati 38

39 Scambio termico per trasmissione Componenti finestrati Effetto del distanziatore (contributo stimato pari a 5 10 % trasmittanza globale Uw a seconda della prestazione energetica del telaio) METODO DI CALCOLO: UNI EN ISO 10077/2 39

40 TRASMISSIONE VERSO AMBIENTI NON RISCALDATI- Hu 40

41 Scambio termico per trasmissione 41

42 Scambio termico per trasmissione La presenza di spazi soleggiati non riscaldati prossimi a spazi riscaldati (ad es.verande e serre adiacenti) può portare, nella stagione invernale, alla riduzione delle perdite per trasmissione. Ovviamente, è buona norma disattivare le serre durante la stagione estiva, per evitare problematiche di surriscaldamento. Quello che a noi interessa sono le perdite per trasmissione attraverso lo spazio soleggiato (QT,S) 42

43 Scambio termico per ventilazione Dove: hv e il coefficiente globale di scambio termico per ventilazione (W/ C); θi e la temperatura degli ambienti interni ( C); θe e la temperatura media mensile esterna ( C); τ e il tempo considerato (base mensile) (h); 10 3 e un fattore moltiplicativo per passare dai W ai kw. 43

44 Scambio termico per ventilazione Ṽak= V * n Nel caso di edifici residenziali di nuova costruzione si assume come numero di ricambi d aria quello di 0,3 vol/h. Per tutti gli altri edifici si assumono i valori tabellari previsti dalla UNI 10339, considerando gli indici di affollamento al 60% di quelli riportati dalla norma. 44

45 Scambio termico per ventilazione n è il numero di ricambi d aria previsti in funzione della destinazione d uso, espresso in h-1; Vop è la portata d aria esterna richiesta nel periodo di occupazione dei locali, espressa in m3/h per persona; ns è l indice di affollamento, ossia il numero di persone ai fini progettuali per ogni metro quadrato di superficie calpestabile A è la superficie utile di pavimento, espressa in m2; V è il volume netto dell ambiente a temperatura controllata considerato. 45

46 Scambio termico per ventilazione 46

47 Apporti gratuiti Gli apporti termici totali: Qg,h = Qi + Qs Apporti interni Per edifici esclusivamente residenziali (categorie E.1(1) e E.1(2)) gli apporti termici interni Qi si calcolano tramite l equazione: Qi = Qa Δt Qa e il valore medio globale degli apporti interni; Δt sono le ore di funzionamento dell impianto di climatizzazione 47

48 Apporti gratuiti Gli apporti solari globali sono la somma di due componenti: gli apporti solari sui componenti trasparenti Qsi; gli apporti solari sui componenti opachi Qse che spesso non vengono presi in considerazione perche molto piccoli. Qsi 48

49 Apporti gratuiti Qse 49

50 Apporti gratuiti Non tutti gli apporti gratuiti riescono però ad essere sfruttati. Entrano in gioco principalmente: Il livello di isolamento dell involucro L inerzia dell edificio Si tratta di un comportamento dinamico, che può essere rappresentato attraverso un opportuno parametro: Il fattore di utilizzazione degli apporti gratuiti (per il riscaldamento) 50

51 Fattore di utilizzazione degli apporti gratuiti Il fattore di utilizzazione permette di considerare il calcolo in maniera quasi stazionaria. Tiene conto del fattore d inerzia dell edificio; esso viene dunque a dipendere dalle proprietà inerziali dell edificio (capacità di accumulare apporti gratuiti e rilasciarli successivamente) [0<η<1] Inoltre esso viene a dipendere dal livello di isolamento dell involucro esterno (altrimenti tutti gli apporti uscirebbero per trasmissione) Il fattore di utilizzazione è definito indipendentemente dalle caratteristiche del sistema di riscaldamento. Sono importanti nella sua definizione gli effetti prodotti da un impianto a lenta risposta e da un imperfetto sistema di controllo. Si assume che l impianto di riscaldamento abbia una regolazione perfetta e si definisce il rapporto γ tra gli apporti interni e le dispersioni e la costante di tempo τ. 51

52 Fattore di utilizzazione degli apporti gratuiti Graficamente si ricava il valore dal grafico riportato nella normativa. (per periodi di calcolo mensili e per diverse costanti di tempo) Fattore di utilizzazione in funzione di differenti costanti di tempo, valido per il periodo di calcolo mensile, per edifici riscaldati in continuo 52

53 Fattore di utilizzazione degli apporti gratuiti Al crescere del rapporto guadagni/dispersioni, il fattore di utilizzazione decresce Fissato il rapporto guadagni/dispersioni, il fattore di utilizzazione cresce con l aumentare della costante di tempo Fattore di utilizzazione in funzione di differenti costanti di tempo, valido per il periodo di calcolo mensile, per edifici riscaldati in continuo 53

54 Fattore di utilizzazione degli apporti gratuiti Analiticamente il fattore di utilizzo può essere anche calcolato attraverso le seguenti espressioni che tengono conto di un parametro a H : a 0,H (parametro adimensionale) τ 0,H (costante di tempo di riferimento). Il fattore di utilizzazione si calcola con le seguenti formule: Dove a è un parametro numerico che dipende dall inerzia dell edificio (dalla costante di tempo τ ) per edifici con funzionamento continuo dell impianto sulle 24 ore, calcolo mensile: 54

55 Fattore di utilizzazione degli apporti gratuiti La costante di tempo τh che caratterizza l inerzia termica dello spazio riscaldato, è definita attraverso il rapporto tra la capacità termica interna (C), che può essere calcolato sommando le capacità termiche effettive di tute le pareti interne in contatto diretto con l aria interna della zona considerata, ed il coefficiente di dispersione termica dell edificio (H): τ = C / H C = effettiva capacità termica interna: il calore accumulato nella struttura dell edifico quando la temperatura interna varia in modo sinusoidale con un periodo di 24h ed un ampiezza di 1K H = Coefficiente di dispersione termica dell edificio Fattore di utilizzazione apporti termici: η Appendice H Calcolo della capacità termica effettiva UNI EN ISO Per calcoli più dettagliati, vedere norma UNI EN ISO 13786:

56 Fattore di utilizzazione degli apporti gratuiti Il valore della capacità termica effettiva viene determinato a partire dalla capacità termica volumica: c è la capacità termica volumica, espressa in Wh/m3K; VL è il volume lordo dell ambiente climatizzato considerato, espresso in m 3. HT è il coefficiente di dispersione termica per trasmissione tra l ambiente climatizzato e l ambiente circostante, espresso in W/K HV è il coefficiente di dispersione termica per ventilazione tra l ambiente climatizzato e l ambiente circostante, espresso in W/K 56

57 Fabbisogno termico netto annuale Dopo aver analizzato tutti i fattori dell equazione per il calcolo del fabbisogno termico su base mensile, non resta che sommare i valori ottenuti per l intero periodo di riscaldamento, per ottenere il fabbisogno Termico Netto Annuale. 57