ENERGIA PER LA CLIMATIZZAZIONE ESTIVA

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1 ENERGIA PER LA CLIMATIZZAZIONE ESTIVA

2 Determinazione dell energia primaria per la climatizzazione estiva Analogamente al caso invernale si basa sul calcolo del Fabbisogno di energia termica dell edificio Q C,nd per tutta la durata del periodo estivo, valutato in condizioni ideali. La procedura di calcolo è descritta dalla norma UNI TS Parte 3 e prevede: il calcolo del coefficiente medio mensile mn e stagionale ms del sistema impianti il calcolo del fabbisogno di energia primaria Q C,P necessaria per la climatizzazione estiva. il calcolo delle perdite di emissione, regolazione, distribuzione ed accumulo dell impianto e del relativo calore recuperato; il calcolo dell energia elettrica utilizzata dagli impianti per la distribuzione dei fluidi termovettore; la valutazione del fattore di carico per l individuazione delle condizioni a carico parziale in relazione al comportamento (ore effettiva di funzionamento) del sistema edificio impianto.

3 Il metodo di calcolo prevede la seguente procedura 1. Determinazione del fabbisogno ideale di raffrescamento Q C,nd secondo la procedura descritta nella UNI TS Parte 1; 2. Il calcolo delle perdite dei sottosistemi dell impianto di climatizzazione estiva e del relativo calore recuperato; 3. Il calcolo del fabbisogno termico per il trattamento dell aria; 4. Il calcolo del fabbisogno elettrico degli ausiliari dell impianto di climatizzazione Q aux ; 5. Il calcolo del coefficiente medio mensile mm delle macchine frigorifere; 6. Il calcolo del fabbisogno di energia primaria per la climatizzazione estiva Q C,P.

4 Fabbisogno di Energia primaria Q C,P = Σ k Q aux f p,el + Σ k [(Q cr,k,x + Q v,k,x / mm,k,x )] f p,x Con Q aux Q cr Q v f p,el f p,x fabbisogno di energia elettrica per gli ausiliari; fabbisogno effettivo per il raffrescamento; fabbisogno per trattamenti dell aria; fattore di conversione in energia primaria; fattore di conversione in energia primaria del vettore energetico utilizzato dal generatore. Il pedice x indica le diverse fonti di energia in ingresso.

5 Rendimento medio stagionale È uguale al rapporto tra il fabbisogno di energia termica utile ed il fabbisogno di energia primaria durante la stagione di climatizzazione estiva: glo = Σ k (Q C,nd,k + Q v,k ) / Q C,P Dove Q C,nd Q v è il fabbisogno ideale per il raffrescamento; è il fabbisogno termico per il trattamento dell aria.

6 Fabbisogno effettivo di energia termica Q Cr si ottiene aggiungendo al fabbisogno ideale dell edificio le perdite dovute all impianto e sottraendo eventuali recuperi: Q cr,k = Q c,nd,k + Q l,e,k + Q l,rg,k + Q l,d,k + Q l,d,s,k Q rr,k Dove Q c,nd,k Q l,e,k Q l,rg,k Q l,d,k Q l,d,s,k Q rr,k è il fabbisogno ideale dell edificio; sono le perdite totali di emissione; sono le perdite totali di regolazione; sono le perdite totali di distribuzione; sono le perdite totali di accumulo; è l energia termica recuperata.

7 Perdite per distribuzione Ai fini di questo calcolo i sistemi di climatizzazione estiva vengono suddivisi in due macrogruppi: 1. Sistemi che utilizzano come fluido termovettore solo aria; 2. Sistemi che utilizzano come fluidi termovettore sia aria che acqua. Perdite di accumulo Gli impianti che lavorano con acqua refrigerata possono essere dotati di un serbatoio di accumulo. In questo caso devono essere prese in considerazione sia le perdite del serbatoio sia le perdite di calore del circuito di collegamento generatore serbatoio. Energia termica recuperata Q rr,k = Q rc,k + Q crc,k Q rc,k Q crc,k energia recuperata da recuperatori di calore; energia recuperata da climatizzatori con recupero.

8 Fabbisogno di energia termica dell edificio per il trattamento dell aria Q v,k = (Q v,m,h ) k q h k (Q v,m,h ) k Fabbisogno specifico orario medio dovuto al trattamento dell aria espresso in (kj/kg). Ai fini del calcolo dell energia primaria Q C,P il fabbisogno specifico orario medio è dato dall equazione (Q v,m,h ) k = H k con H k entalpia dell aria esterna; h k numero di ore di funzionamento del mese considerato; q è la portata d aria di ventilazione secondo la UNI TS Parte 1.

9 Inerzia Termica è la capacità di un componente edilizio (parete o tetto) di: attenuare le oscillazioni della temperatura ambiente dovuta ai carichi termici interni ed esterni variabili nell arco del giorno (radiazione solare, persone, elettrodomestici); accumulare il calore e rilasciarlo dopo un certo numero di ore nel tempo.

10 Consideriamo una parete piana sotto particolari ipotesi semplificative (supponendo il flusso termico di tipo sinusoidale e di direzione perpendicolare alla superficie, il mezzo isotropo e omogeneo e di spessore semi infinito) e imponiamo le condizioni iniziali spaziali (temperature sulle due facce esterne) corrispondenti ad una temperatura esterna forzante del tipo: T( ) o sin( )

11 La risposta della temperatura nella parete sarà: T(,x ) o e x sin( x )

12 Le difficoltà analitiche sopraggiungono quando si considera il caso reale di un mezzo non omogeneo e di spessore finito quale può essere una parete reale multistrato. La risposta del mezzo alla sollecitazione esterna dipende infatti, oltre che dai comuni parametri termofisici e geometrici (conducibilità, spessori, coefficienti liminari di convezione sulle facce estreme) anche dalla particolare stratigrafia della parete, cioè dall'ordine con cui i vari strati di materiale si susseguono rispetto alla direzione del flusso termico. Risulta infatti che una parete con materiali di uguale spessore ma disposti in ordine diverso dà luogo a un diverso comportamento in transitorio.

13 Il D.P.R. 2 aprile 2009, n. 59 all'art. 4 comma 18 stabilisce: Per tutte le categorie di edifici, comunque classificati ad eccezione, esclusivamente per le disposizioni di cui alla lettera b) successiva, delle categorie E.s, E.6, E.7 ed E.8, il progettista, al fine di limitare i fabbisogni energetici per la climatizzazione estiva e di contenere la temperatura interna degli ambienti: a) valuta puntualmente e documenta l'efficacia dei sistemi schermanti delle superfici vetrate, esterni o interni, tali da ridurre l'apporto di calore per irraggiamento solare;

14 b) esegue, in tutte le zone climatiche ad esclusione della F, per le località nelle quali il valore medio mensile dell'irradianza sul piano orizzontale, nel mese di massima insolazione estiva, I m,s sia 290 W/m 2 : 1. relativamente a tutte le pareti verticali opache con l'eccezione di quelle comprese nel quadrante nord ovest I nord I nord est, almeno una delle seguenti verifiche: che il valore della massa superficiale Ms, di cui alla definizione del comma 22 dell'allegato A del D. Leg.vo n. 192/05 e s.m.i., sia superiore a 230 kg/m 2 ; che il valore del modulo della trasmittanza termica periodica Y IE, di cui alla definizione del comma 4, dell'articolo 2 del D.P.R 2 aprile 2009, n. 59 sia minore di 0,12 W/m 2 K; 2. relativamente a tutte le pareti opache orizzontali ed inclinate che il valore del modulo della trasmittanza termica periodica Y IE, di cui alla definizione del comma 4, dell'articolo 2 del D.P.R 2 aprile 2009, n. 59 sia 0,20 W/m 2 K.

15 Gli effetti positivi che si ottengono con il rispetto dei valori di massa superficiale o trasmittanza termica periodica delle pareti opache previsti alla lettera b), possono essere raggiunti, in alternativa, con l'utilizzo di tecniche e materiali, anche innovativi, ovvero coperture a verde, che permettano di contenere le oscillazioni della temperatura degli ambienti in funzione dell'andamento dell'irraggiamento solare. In tal caso deve essere prodotta una adeguata documentazione e certificazione delle tecnologie e dei materiali che ne attesti l'equivalenza con le predette disposizioni.

16 Definizione del comma 22 dell'allegato A del D. Leg.vo n. 192/05 e s.m.i Comma 22. Massa superficiale è la massa per unità di superficie della parete opaca compresa la malta dei giunti esclusi gli intonaci, l'unità di misura utilizzata è il kg/m 2 n M s s j 1 j j Definizione del comma 4, dell'articolo 2 del D.P.R 2 aprile 2009, n. 59 Comma 4. Trasmittanza termica periodica YIE (W/m 2 K), è il parametro che valuta la capacità di una parete opaca di sfasare ed attenuare il flusso termico che la attraversa nell'arco delle 24 ore, definita e determinata secondo la norma UNI EN ISO 13786:2008 e successivi aggiornamenti.

17 Ai fini dello studio del transitorio termico e per la valutazione delle caratteristiche termiche dinamiche si utilizzano i metodi indicati dalla norme UNI EN 832 Calcolo del fabbisogno di energia per il riscaldamento e UNI EN Caratteristiche termiche dinamiche Metodi di calcolo. In condizioni transitorie i concetti usuali di resistenza termica stazionaria, di trasmittenza termica stazionaria e di capacità termica stazionaria debbono essere rivisti poiché non sono più validi essendo riferiti alle condizioni stazionarie. È intuibile che una parete e gli strati che la compongono introducono uno smorzamento dell onda termica incidente alle varie profondità di penetrazione ed uno sfasamento. In definitiva si ha un comportamento capacitivo, derivante dalla capacità termica degli strati, che di fatto produce un ritardo dell onda termica all interno degli strati.

18 Supponendo per semplicità di avere una forzante di temperatura esterna di tipo sinusoidale si può indicare in forma complessa nella forma, per il generico strato n: t j n t j n n n n n e ˆ e ˆ ) t cos( ˆ 2 1 t j n t j n n n n n e ˆ e ˆ ) t cos( ˆ 2 1 Analogamente per il flusso termico

19 Viene definita profondità di penetrazione periodica la profondità alla quale l ampiezza delle variazioni di temperatura è ridotta di un fattore e (numero di Nepero) in un materiale omogeneo di spessore infinito soggetto a variazioni sinusoidali di temperatura sulla sua superficie, cioè si ha: Con e c densità e calore specifico del mezzo.

20 Nell ambito della notazione complessa sin qui utilizzata si definisce matrice di trasferimento termico una matrice che mette in relazione le ampiezze complesse della temperatura e del flusso termico su un lato di uno strato con le ampiezze complesse della temperatura e del flusso termico sull altro lato, cioè: Z ˆ qˆ 2 2 Z Z Z Z ˆ qˆ 1 1 Gli elementi della matrice sono numeri complessi. La matrice di trasferimento termico per un componente edilizio composto da n strati omogenei viene calcolata come prodotto delle matrici dei singoli strati, inclusi gli strati liminari: Z Z Z Z Z Z n * Z n1 *...* Z 2 * Z 1

21 Posto: d con d lo spessore del generico strato e la profondità di penetrazione, si può scrivere Se la parete è costruita da più strati allora una matrice di trasferimento complessiva è data dal prodotto delle matrici di trasferimento dei singoli strati.

22 Se lo strato j mo è uno strato liminare o uno strato d aria la sua matrice di trasferimento è data da: Con R j la resistenza termica dello strato d aria.

23 Si definiscono trasmittanze termiche periodiche, dette anche Ammettenze, (rapporto tra il flusso termico periodico che attraversa per unità di superficie su un lato del componente e la sollecitazione termica periodica sullo stesso lato nell ipotesi che la temperatura sull altro lato del componente sia costante) le seguenti espressioni, per lo strato interno: Y Z qˆ 11 i 11 Z ˆ 12 i ˆ e0 Per lo strato esterno Y Z qˆ 22 e 22 Z ˆ 12 e ˆ i0 Il termine Y 12 = Y 21 è Y 1 qˆ i 12 Y21 Z ˆ 12 e i 0

24 Il fattore di attenuazione (f a ) o fattore di decremento è il rapporto tra il modulo delle trasmittanza termica dinamica e la trasmittanza termica in condizioni stazionarie: fa qˆ m ˆ n U Ymn U Y12 U È una grandezza adimensionale il cui valore è compreso tra 0 e 1 (1 assenza di attenuazione). U è la trasmittanza a regime stazionario della parete. Il ritardo del fattore di decremento (Sfasamento) è il ritardo temporale tra il massimo del flusso termico entrante nell ambiente interno e il massimo della temperatura dell ambiente esterno: t f T argy 2 12 Con l argomento valutato nel campo 0 2

25 Le capacità termiche areiche dello strato interno e dello strato esterno sono date da: k 1 C A 1 Y 11 T 2 Z Z k 2 C A 2 Y 22 T 2 Z Z = frequenza angolare della variazione termica = 2 p/t

26 E evidente che elevati valori delle capacità termiche areiche significa avere elevata capacità di immagazzinare calore (il fattore di utilizzazione degli apporti gratuiti aumenta al crescere delle capacità termiche areiche). Più semplicemente, in regime invernale per poter sfruttare in modo razionale i carichi termici solari occorre disporre di pareti con elevate capacità areiche. In estate dove si verificano delle elevate variazione di temperatura esterna (sole aria) è necessario che le pareti siano in grado di ridurre e ritardare sensibilmente i picchi di temperatura sulla superficie interna della parete in modo da attenuare il flusso termico ceduto all interno. In particolare perché il processo sia efficiente è necessario che lo sfasamento sia tale da portare i picchi di temperatura sulla superficie interna durante le ore serali, quando la temperatura esterna dell aria è più bassa ed è quindi possibile raffreddare attraverso la ventilazione. In pratica bassi valori del fattore di decremento f congiuntamente a alti valori della capacità termica areica interna e alti valori nello sfasamento della trasmittanza termica periodica denotano migliori caratteristiche delle pareti nell attenuazione degli effetti delle sollecitazioni termiche esterne estive.

27 ESEMPI

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29 Valutazione qualitativa delle caratteristiche dell involucro edilizio volte a contenere il fabbisogno per la climatizzazione estiva. In alternativa al metodo basato sulla determinazione dell indice di prestazione termica dell edificio per il raffrescamento Ep e,invol, si può procedere alla determinazione di indicatori quali; lo sfasamento (S), espresso in ore, e il fattore di attenuazione (f a ), coefficiente adimensionale. Sfasamento Attenuazione Prestazioni Qualità prestazionale S > 12 fa 0,15 Ottime I 12 S > 10 0,15 < fa 0,30 Buone II 10 S > 8 0,30 < fa 0,40 Sufficienti III 8 S > 6 0,40 < fa 0,60 Mediocri IV 6 S fa > 0,60 Cattive V Nei casi in cui le coppie di parametri caratterizzanti l edificio non rientrano coerentemente negli intervalli fissati in tabella, per la classificazione prevale il valore dello sfasamento.

30 TEMPERATURA ARIA SOLE È una temperatura fittizia che tiene conto contemporaneamente sia degli scambi termici (conduttivi e convettivi) con l aria esterna che dell irraggiamento solare ricevuto. E, infatti, sensazione comune che la temperatura esterna sia più elevata nelle zone soleggiate rispetto a quelle in ombra.

31 Si definisce la Temperatura aria sole quella temperatura fittizia dell aria esterna che produrrebbe, attraverso una parete in ombra, lo stesso flusso termico che si ha nelle condizioni reali, ossia sotto l azione simultanea della temperatura esterna e della radiazione solare. Nei calcoli tecnici è lecito adottare l espressione approssimata: Tas Te I hoe Pertanto la temperatura aria sole dipende dal fattore di assorbimento dei materiali, dalle capacità di scambio convettivo e dall irraggiamento solare.

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33 Temperatura aria sole per a=0.2 e a=0.9 ed esposizione Sud, Est ed Ovest. Si osservi come la temperatura aria sole sia legata all esposizione della parete e quindi al suo irraggiamento solare.

34 In particolare, osservando i fattori di assorbimento per lunghezze d onda corte si intuisce il perché, nell Architettura Mediterranea le pareti esterne degli edifici siano bianche e che questa sia caratterizzata dal bianco, cioè che sia un Architettura solare. Se si assume h= 25 W/(m²K) e si prendono in considerazione due valori di irraggiamento tipici per le condizioni invernali ed estive e due fattori di assorbimento =0.1 (latte di calce) e =0.5 (parete marrone) si ha la seguente tabella per la differenza di temperatura T as T a : Calcolo della differenza di temperatura aria sole meno ambiente Si osserva che la parete chiara surriscalda meno in estate (3.2 C contro 16 C della parete scura) come avviene nelle zone mediterranee. D altra parte se prevalgono le condizioni climatiche invernali la parete scura presenta un surriscaldamento maggiore (8 C contro 1.6 C).

35 EFFETTI DELLA MASSA SUPERFICIALE Il DLgs 192/05 e il D.Lgs 311/06 pongono attenzione sugli effetti della massa superficiale sull andamento della temperatura interna degli ambienti durante il periodo estivo. La massa superficiale è data dal prodotto della densità (o della densità apparente per mezzi non omogenei) per lo spessore dell elemento (parete esterna, soffitto, pavimento,.). Il valore limite indicato dalle norme vigenti è di 230 kg/m². Per valori inferiori occorre dimostrare che non si hanno surriscaldamenti ulteriori rispetto al caso con massa superficiale di 230kg/m². Questo parametro risulta anche molto importante, oltre che per i requisiti termici delle pareti, anche per i requisiti acustici degli edifici potendosi dimostrare che da esso dipende anche il potere fonoisolante delle pareti.

36 L importanza della massa superficiale è facilmente intuibile da quanto precedentemente esposto sul transitorio termico degli edifici e in particolare sulla costante di tempo =RC che dipende fortemente dalla massa totale dell edificio.

37 La costante di tempo può anche scriversi come: L ultimo membro ci dice che la costante di tempo è tanto maggiore (per cui si hanno periodi di raffreddamento e di riscaldamento lunghi) quanto maggiore è, a parità del rapporto c/h, il rapporto V/A cioè il rapporto di forma dell oggetto. Si osservi, infatti, che l iglù esquimese ha la forma emisferica e per questo solido il rapporto V/A è il massimo possibile. La sfera, infatti, ha il maggior volume a parità di superficie disperdente o, se si vuole, la minor superficie disperdente a parità di volume. Pertanto la forma di quest abitazione è geometricamente ottimizzata per il minimo disperdimento energetico e quindi per un maggior transitorio di raffreddamento.

38 Un edificio che, a pari volume V, ha grande superficie A è certamente più disperdente di un edificio con superficie esterna minore. Architettonicamente sono quindi da preferire forme più chiuse, compatte (edifici di tipo condominiale) rispetto a quelle aperte, movimentate (edifici a villette separate) che comportano maggiori superficie esterna e quindi maggiori disperdimenti termici.

39 FLUSSO TERMICO PER TRASMISSIONE Riferimenti normativi: EN ISO Caratteristiche termiche dinamiche UNI Metodo di calcolo della temperatura interna estiva degli ambienti Φ/A = U (T e,m T i ) + f a U (T e,t ϕ T e,m ) Parametri termofisici di involucro: U: trasmittanza [W/(m 2 K)] f a : fattore di attenuazione [ ] ϕ: sfasamento [h] T i : Temperatura dell aria interna T e,m : Temperatura sole aria media giornaliera [T e,t = T ae,t + (α I t / h e )] T e,t ϕ : Temperatura sole aria all ora t ϕ Parete senza capacità termica: f a = 1 ; ϕ = 0 Φ/A = U (T e,t T i )

40 RIDUZIONE DEL FLUSSO TERMICO SCAMBIATO PER TRASMISSIONE Φ/A = U (T e,m T i ) + f a U (T e,t ϕ T e,m ) Riduzione del fattore di attenuazione Riduzione della trasmittanza Aumento dello sfasamento Bassi valori di trasmittanza offrono un contributo positivo sia in estate che in inverno. Attenuazione e sfasamento sono correlati

41 ISOLANTE A BASSA O ALTA DIFFUSIVITÀ TERMICA (a = λ/ρ c)? Parete esistente (U=1,16 W/m 2 K; fa=0,46 ; ϕ=8 h): Muratura a cassavuota in laterizio faccia a vista Intervento di isolamento dall esterno: rispetto di U LIM =0,5 W/(m 2 K), secondo DLgs 192/05 Località: Genova. Zona climatica: D Lana di roccia: λ=0,045 W/(m K) ; ρ=70 kg/m 3 ; c=840 J/(kg K) a=1, m 2 /s f a =0,2 ; ϕ=10 h Lana di legno: λ=0,065 W/(m K) ; ρ=400 kg/m 3 ; c=2100 J/(kg K) a=7, m2/s f a =0,14 ; ϕ=12 h Sono da preferire, quindi i materiali con bassa diffusività termica.

42 L IMPORTANZA DELL ORIENTAMENTO DELLA PARETE Località: Foggia T ae,m = 26,6 C ; T ae,max = 33,9 C ; ΔT ae,max = 13 C Lana di legno: s=7 cm ; λ=0,065 W/(m K) ; ρ=400 kg/m3 ; c=2100 J/(kg K) Parete isolata: fa=0,15 ; ϕ=12 h ; U=0,49 W/(m2 K) Flusso termico areico [W/m 2 ]

43 NUOVA COSTRUZIONE: DUE ESEMPI A CONFRONTO Parete tradizionale: M s =230 kg/m 2 ; f a =0,24 ; ϕ=10 h ; U=0,45 W/(m 2 K) Parete in laterizio alveolato da 25 cm e densità di 700 kg/m 3, isolata con 5 cm di lana di roccia, intonacata su entrambi i lati Parete leggera: M s =87 kg/m 2 ; f a =0,15 ; ϕ=12 h ; U=0,18 W/(m 2 K) Parete stratificata a secco costituita da pannelli in fibra di vetro e lana di legno. Finiture in lastre in cartongesso