Università degli Studi di Padova

Transcript

1 Università degli Studi di Padova Facoltà di Ingegneria Dipartimento di tecnica e gestione dei sistemi industriali Tesi di Laurea Magistrale Analisi del fabbisogno energetico nella ristrutturazione di un involucro edilizio con l applicazione di serramenti prestazionali in PVC, vetrate isolanti e pompa di calore RELATORE: Ch.mo Prof. Renato Lazzarin LAUREANDO: Mattia Baggio ANNO ACCADEMICO:

2

3 INDICE INTRODUZIONE.. 5 CAPITOLO 1. RIQUALIFICAZIONE ENERGETICA DEGLI EDIFICI RESIDENZIALI Introduzione Il problema dell isolamento termico Definizione di isolamento termico Coefficiente di scambio termico dell edificio Bilancio energetico dell edificio in regime invernale Calcolo dei carichi termici: periodo invernale Dispersioni termiche per trasmissione Dispersioni termiche per ventilazione Carichi termici generati internamente Apporti gratuiti generati dalla radiazione solare Calore latente Ponti termici Direttive europee e leggi nazionali.. 25 CAPITOLO 2. SOLUZIONI TECNICHE PER IL RETROFIT ENERGETICO Introduzione Possibilità di intervento Gli impianti L involucro Energie rinnovabili Ristrutturazione dell involucro edilizio: la sostituzione dei serramenti. 35 1

4 2.3.1 Nodo anta-telaio: materiali costruttivi, proprietà e prestazioni energetiche Componenti vetrate: principali caratteristiche e strutture Impianto di riscaldamento Caldaia a condensazione Pompa di calore. 67 CAPITOLO 3. DESCRIZIONE DEI SOFTWARE UTILIZZATI Introduzione TRNSYS Architettura principale di TRNSYS Simulazioni in ambiente TRNSYS WINDOW Schermata iniziale Frame Library Glazing System Library Schermata Output.. 86 CAPITOLO 4. DEFINIZIONE DELLA STRUTTURA DELL EDIFICIO OGGETTO DELLE SIMULAZIONI Introduzione Descrizione dell edificio Creazione del modello di edificio Interfaccia grafica TRNBuild Definizione della struttura Strutture opache Strutture vetrate Condizioni al contorno

5 CAPITOLO 5. SIMULAZIONI ENERGETICHE DINAMICHE IN TRNSYS Introduzione Simulation Studio Descrizione dei Type utilizzati nella simulazione Descrizione delle località oggetto dell analisi Descrizione delle diverse tipologie di strutture vetrate Risultati delle simulazioni Simulazioni dinamiche Milano Simulazioni dinamiche Roma Simulazioni dinamiche Palermo Possibilità applicative della pompa di calore in abbinamento ad impianti a radiatori nella ristrutturazione energetica di edifici Risultati simulazioni pompa di calore riscaldamento Funzionamento monoenergetico della pompa di calore Funzionamento bivalente della pompa di calore Confronto pompa di calore con radiatori vs superfici radianti Risultati simulazioni pompa di calore raffrescamento Valutazione economica retrofitting energetico 174 CONCLUSIONE 181 BIBLIOGRAFIA

6 4

7 INTRODUZIONE I cambiamenti climatici, la necessità di ridurre le emissioni di gas serra e la necessità di ridurre i costi energetici nel settore residenziale sono i principali motori che spingono i paesi industrializzati del mondo, tra cui l Italia, verso il risparmio energetico. Il settore delle costruzioni rappresenta infatti il comparto produttivo in cui pesano, a livelli sempre meno sopportabili dagli Stati, l eccessivo consumo di elevate quantità di energia prodotta, l ingente produzione di agenti inquinanti e di rifiuti, e il consumo indiscriminato di risorse naturali. Servono dunque politiche, azioni sistemiche e organiche coordinate dallo Stato, dalle Regioni e soprattutto dalla amministrazioni locali per la promozione del risparmio energetico in edilizia, l incentivazione all incremento dell efficienza energetica e la regolazione della sostenibilità in edilizia. Da tempo la Commissione Europea sollecita tutti gli Stati membri alla promozione della sostenibilità negli interventi di trasformazione del territorio, anche in relazione alla riduzione delle emissioni di CO 2, incoraggiando l inserimento di requisiti di sostenibilità nelle procedure d appalto oltre all introduzione di incentivi fiscali. L'obiettivo è quello di ottimizzare la resa del sistema edificio-impianto, riducendo gli sprechi ed elevando il livello di qualità dell'intero settore, a vantaggio non solo degli utenti diretti ma anche degli organi di Governo e della società civile. L energia impiegata nel settore delle costruzioni, sia residenziale sia terziario, per il riscaldamento degli ambienti e dell acqua calda sanitaria (ACS o DHW) rappresenta circa il 20% del consumo energetico totale italiano. La maggior parte di questo consumo è dovuto sia ad edifici scarsamente isolati e non progettati per sfruttare gli apporti gratuiti di calore, sia a impianti e generatori di calore obsoleti e con bassissimi valori di rendimento rispetto a quelli ottenibili con apparecchi più moderni. Buona parte di questi edifici è stata progettata senza alcuna attenzione al contenimento dei consumi energetici, inoltre circa la metà delle abitazioni esistenti non ha subito nel tempo nessun tipo di intervento né a livello di involucro edilizio né a livello di impianto perciò gli interventi realizzabili nel campo dell edilizia residenziale esistente può quindi raggiungere risultati importanti per una decisiva riduzione dei consumi complessivi. 5

8 Grazie agli obiettivi ambiziosi, già prefissati dal Protocollo di Kyoto e dalla Direttiva Europea 2006/32/CE (obiettivi al 2020), di riduzione del consumo energetico e di emissione di gas serra, negli ultimi anni si è posta sempre crescente attenzione alla valutazione dell impatto dell utilizzo di nuove tecnologie per migliorare la situazione energetica del parco edilizio italiano e in questo scenario diventa molto importante riuscire a valutare quantitativamente l effetto dell adozione delle varie tecnologie disponibili ai fini di massimizzarne i vantaggi in termini di ricerca della miglior efficienza economica ed energetica. Questo elaborato ha l obiettivo di mostrare come la riqualificazione energetica di un edificio residenziale, data dalla sola sostituzione dei serramenti esistenti con dei nuovi sistemi ad elevate prestazioni di isolamento, comporti un risparmio energetico e un minor carico termico rispetto alla soluzione esistente tale da permettere la sostituzione dell impianto di riscaldamento tradizionale a caldaia con un impianto moderno ad elevate prestazioni come la pompa di calore ad alta temperatura, che rispetto ad altri sistemi di riscaldamento ha le seguenti caratteristiche: Tecnologia già disponibile e diffusa Utilizza per il 75% energia proveniente da fonti rinnovabili (aria, acqua e suolo) Ha una resa che è doppia rispetto alla miglior tecnologia a combustibile (caldaia a condensazione) Tecnologia duttile perché in base all ambiente in cui ci si trova possono essere utilizzate le soluzioni che meglio si adattano alla sorgente termica presente Si integra facilmente con le tecnologie tradizionali e rinnovabili Per raggiungere tale scopo è stato utilizzato il software commerciale TRNSYS 17, fornito da Solar Energy Laboratory, University of Wisconsin-Madison, che ha permesso di realizzare le simulazioni energetiche dinamiche dell involucro edilizio, al variare della tipologia di componente vetrato, per la valutazione dei carichi invernali ed estivi. Nel primo capitolo viene affrontato il problema dell isolamento termico negli edifici residenziali, sono analizzati i processi di scambio di energia e massa che coinvolgono l involucro dell edificio ed infine vengono elencate le principali norme e leggi in materia di isolamento termico degli edifici. 6

9 Nel secondo capitolo viene affrontato il tema della riqualificazione energetica degli edifici, vengono descritti i principali interventi realizzabili facendo particolare attenzione, per quanto riguarda l involucro, alle componenti trasparenti. Vengono descritte le varie soluzioni tecnologiche adottabili, e lo stato dell arte, sia per quanto riguarda la ristrutturazione dei serramenti che dell impianto di riscaldamento. Nel terzo capitolo è presente una descrizione dei software utilizzati per l esecuzione delle simulazioni energetiche dinamiche sull edificio. Il quarto capitolo riguarda la descrizione del modello di edificio oggetto delle simulazioni, ne viene descritta la struttura e le condizioni impostate per le simulazioni. Nel quinto capitolo vengono descritte le modalità di simulazione e i risultati ottenuti. 7

10 8

11 CAPITOLO 1. RIQUALIFICAZIONE ENERGETICA DEGLI EDIFICI RESIDENZIALI 1.1 Introduzione Gli edifici residenziali costruiti a partire dal dopoguerra fino a tutti gli anni 80, vale a dire quando ancora non si parlava di costi energetici e di emissioni dovute agli impianti di riscaldamento, non sono dotati di un buon isolamento termico quindi sono caratterizzati da consumi energetici elevati e livelli di comfort termico del tutto inadeguati. L Italia è responsabile del 17,5% delle emissioni di CO 2 imputabili agli usi energetici nel comparto abitativo in Europa, il contributo più alto tra quelli degli Stati membri (fonte Eurima), mentre da dati del Ministero dello Sviluppo Economico emerge che gli edifici italiani sono responsabili del 35,9% dell'inquinamento prodotto. Il patrimonio edilizio italiano è composto da edifici, residenziali e non, caratterizzati da elevate dispersioni termiche per trasmissione durante il periodo invernale (attraverso i componenti opachi e trasparenti) e da rilevanti problematiche di surriscaldamento nel periodo estivo. Oggi in Italia si stimano circa 32 milioni di unità abitative, di cui 12,1 milioni sono edifici residenziali, che richiedono circa 32 miliardi di euro di spesa energetica complessiva annua. In Italia il fabbisogno medio di un'unità residenziale si attesta intorno ai 180 kwh/m 2 di energia primaria, il valore più alto nell'ue (fonte: Mip Politecnico di Milano, su dati Eurima), in base alle stime dell'enea solo una piccola parte dello stock abitativo esistente, dal 5 al 7%, si trova nelle classi energetiche più efficienti: A, B e C (standard minimo per le nuove costruzioni) che in genere consumano meno di 75 kwh/m 2 all'anno (dato variabile a seconda della zona climatica e delle caratteristiche dell'edificio). Premessa l'indiscutibile urgenza ambientale di intervenire per ridurre l'inquinamento prodotto da edifici, la riqualificazione energetica del patrimonio esistente si tradurrebbe innanzitutto in risparmi economici per i proprietari. 9

12 1.2 Il problema dell isolamento termico A causa della mancanza di normative e leggi che imponessero dei limiti prestazionali per gli edifici residenziali, e quindi determinate direttive di costruzione con determinati livelli di isolamento, il principale problema del parco edilizio italiano e lo scarso o assente livello di isolamento termico degli edifici residenziali, sia per la parte opaca che per quella trasparente; basti pensare che il 70% degli edifici sono stati realizzati prima del 1976, anno della prima normativa sull'efficienza energetica Legge n. 373 del 30/04/1976. I consumi nel settore residenziale, rispetto agli altri settori, sono in crescita e si aggirano attorno al 2% annuo; la quota maggiore, circa il 61%, è rappresentata dai fabbisogni di energia per il riscaldamento. L isolamento termico è il modo più efficace, dal punto di vista economico, per ridurre i consumi di energia e le emissioni negli edifici. Per ottenere sostanziali miglioramenti sul risparmio energetico nel settore residenziale è evidente l importanza di utilizzare materiali e tecnologie costruttive che consentano di diminuire il consumo energetico degli edifici (residenziali e non), allo stesso tempo è fondamentale l utilizzo di strumenti che consentano di stimare i fabbisogni energetici degli edifici già in fase preliminare e di progetto. Prendendo in considerazione un edificio residenziale tradizionale, quindi non isolato, si possono stimare le seguenti perdite di calore attraverso le principali componenti che compongono l involucro edilizio (Figura 1.1): - Pareti esterne 20-25% - Finestre 20-25% - Aerazione 20-25% - Tetto o solaio ultimo piano 15-20% - Cantina 5-6% - Perdite della caldaia 10-12% 10

13 Figura 1.1: Perdite involucro edilizio Una maggiore efficienza energetica dell involucro edilizio si può ottenere minimizzando le perdite e sfruttando al massimo i guadagni solari passivi ed i contributi interni di calore. Per abbattere i consumi degli edifici residenziali esistenti sono necessari interventi che riducano le perdite di calore, migliorando quindi l'efficienza energetica. Tali interventi consistono principalmente: nella sostituzione degli infissi; nell isolamento termico delle pareti; nell isolamento del tetto; nell ammodernamento dell impianto di riscaldamento. Le prestazioni energetiche dell edificio, quindi la classificazione energetica dell edificio stesso, consentono pertanto di attribuire una valutazione alle abitazioni attraverso l attribuzione di una classe. Come illustrato in Figura 1.2 la scelta di adottare per la classificazione energetica una tabella policromatica, dal verde (basso fabbisogno energetico) al rosso (alto fabbisogno energetico) abbinata alle lettere dell alfabeto serve per consentire a tutti di capire se un edificio consuma molta o poca energia: alla classe A+ è associato il consumo più basso mentre alla classe G è associato il consumo più basso, 11

14 Figura 1.2: Classificazione energetica degli edifici Di seguito vengono riportati i consumi medi indicativi per ciascuna classe di edificio: Classe energetica A+ : < 15 kwh/m 2 annuo Classe energetica A: tra kwh/m 2 annuo = < 3 litri gasolio/ m 2 annuo Classe energetica B: tra kwh/ m 2 annuo = 3,1-5 litri gasolio/ m 2 annuo Classe energetica B+: tra kwh/ m 2 annuo = 3,1-5 litri gasolio/ m 2 annuo Classe energetica C: tra kwh/ m 2 annuo = 5,1-7 litri gasolio/ m 2 annuo Classe energetica D: tra kwh/ m 2 annuo = 7,1-9 litri gasolio/ m 2 annuo Classe energetica E: tra kwh/ m 2 annuo = 9,1-12 litri gasolio/ m 2 annuo Classe energetica F: tra kwh/ m 2 annuo = 12,1-16 litri gasolio/ m 2 annuo Classe energetica G: > 231 kwh/ m 2 annuo = > 16 litri gasolio/ m 2 annuo Generalmente in un edificio tradizionale l elemento costruttivo più debole, cioè che isola termicamente peggio e causa più perdite di calore, è rappresentato dalle componenti trasparenti ovvero le finestre. Come si può vedere dalla termografia riportata in Figura 1.3, un edificio con serramenti scarsamente isolanti ha le maggiori perdite di calore proprio attraverso le finestre (zone rosse). 12 Figura 1.3: Termografia di un edificio residenziale tradizionale

15 1.3 DEFINIZIONE DI ISOLAMENTO TERMICO L isolamento termico degli edifici è possibile grazie a materiali le cui caratteristiche fisiche permettono di ridurre il flusso termico di calore scambiato tra due ambienti che solitamente sono a temperature differenti. La grandezza fisica che permette di definire la capacità di isolamento termico di un determinato materiale è la conducibilità termica (λ) definita come l'attitudine di un corpo alla trasmissione del calore per conduzione, essa dipende solo dalla natura del materiale e non dalla sua forma. Più basso è il valore di conducibilità termica migliore è la capacità di isolamento del materiale. La conducibilità termica (λ) espressa in, secondo la legge di Fourier, è la quantità di calore che attraversa, nell'unità di tempo, una parete di area unitaria e spessore unitario, per effetto di una differenza di temperatura pari a 1 Kelvin: con: λ= Q d T Q : quantità di calore che attraversa la superficie unitaria nell unità di tempo d : spessore unitario ΔT : differenza di temperatura agli estremi della parete. Considerando complessivamente il sistema isolante si introduce un altra grandezza che tiene conto dello spessore del materiale: la resistenza termica (R). La resistenza termica è il rapporto tra lo spessore del materiale isolante (s) e la conducibilità termica (λ), se riferita all unità di superficie viene espressa in : = λ Per calcolare la prestazione energetica di una parete (o copertura) composta da più strati di materiale eterogeneo la resistenza termica totale (R T ) sarà uguale alla somma delle resistenze parziali di ciascun strato della struttura: con: = = λ = resistenza termica dello strato i-esimo con spessore i-esimo e conducibilità termica i-esima λ. 13

16 1.4 COEFFICIENTE DI SCAMBIO TERMICO DELL EDIFICIO Le superfici dei componenti che costituiscono l involucro edilizio scambiano calore con l ambiente esterno ed interno tramite convezione ed irraggiamento. Quando si è in presenza di diverse modalità di scambio termico: conduzione, convezione e irraggiamento si parla di coefficiente globale di scambio termico che è anche detto coefficiente di trasmittanza termica (U). Il coefficiente di trasmittanza termica (U) definisce, in condizioni di regime stazionario, la quantità di calore che, nell unità di tempo, passa attraverso l unità di superficie quando c è una differenza di temperatura tra le due facce di 1 grado Kelvin; l unità di misura che esprime il coefficiente di trasmittanza termica è. Il coefficiente globale di scambio termico (U) è dato dal reciproco della somma delle resistenze termiche di conduzione attraverso lo spessore del materiale e di convezione ed irraggiamento tra superfici ed ambiente: dove: = 1 = # :coefficiente di adduzione lato interno, il reciproco di tale coefficiente permette il calcolo della resistenza termica di convezione ed irraggiamento della faccia interna; # :coefficiente di adduzione lato esterno, il reciproco di tale coefficiente permette il calcolo della resistenza termica di convezione ed irraggiamento della faccia esterna; : sommatoria delle resistenze termiche dei vari strati che compongono la superficie di separazione. Come si può vedere dall equazione il coefficiente di trasmittanza termica è dato dal reciproco della resistenza termica globale (R G ). Per avere bassi valori di trasmittanza termica la resistenza termica deve essere più elevata possibile, questo è ottenibile con spessori (s) dei materiali elevati oppure con coefficienti di conducibilità termica (λ) più bassi possibile. 14

17 Data la relazione di scambio termico tra due fluidi separati da una parete si capisce che minore è il valore del coefficiente di scambio termico, minore è lo scambio termico tra i due fluidi quindi l isolamento è maggiore. $ = % (' ' # ) con: ' : temperatura in gradi Kelvin all interno dell ambiente, rilevata in posizione tale da non risentire dei moti convettivi innescati dalla temperatura superficiale della parete stessa; ' # : temperatura in gradi Kelvin all esterno dell ambiente, rilevata in posizione tale da non risentire dei moti convettivi innescati dalla temperatura superficiale della parete stessa; % ) : superficie della parete divisoria; : coefficiente di trasmittanza termica della parete. 1.5 BILANCIO ENERGETICO DELL EDIFICIO DURANTE IL PERIODO INVERNALE Un edificio può essere considerato un sistema termodinamico aperto in cui avvengono scambi di massa (aria umida) tra l ambiente interno e l ambiente esterno, confinato con l ambiente esterno dal suo involucro (componenti opache e trasparenti). Nella valutazione del bilancio energetico dell edificio si ipotizza che esso operi in regime stazionario; in realtà non è così perché, sebbene la temperatura all interno è mantenuta pressoché costante dall impianto termico di riscaldamento, all esterno la temperatura e la radiazione solare variano durante il corso della giornata. Nella valutazione del bilancio energetico dell edificio durante il periodo invernale l ipotesi che il sistema edificio operi in regime stazionario può essere considerata valida perché, alle nostre latitudini, la radiazione solare durante il periodo invernale è di entità poco rilevante. Un altra ipotesi semplificativa e necessaria è la monodimensionalità dei flussi termici attraverso gli elementi dell involucro edilizio, questa ipotesi non considera la presenza di ponti termici che invece si registrano in prossimità di discontinuità sia geometriche (angolo parete) che di materiale (giunzione tra strutture con materiali diversi). 15

18 Per poter valutare il bilancio termico si deve scomporre l edificio in zone termiche che sono caratterizzate da proprietà termo fisiche e condizioni al contorno omogenee, inoltre si devono definire degli intervalli temporali di analisi. Per ognuna delle zone deve essere impostata un equazione di equilibrio termico in cui operano i flussi termici scambiati con l esterno, i flussi termici scambiati con le altre zone e le variazioni di energia interna. La scelta di intervalli temporali troppo piccoli e di molte zone termiche rende il calcolo molto complicato. Secondo il primo principio per un sistema aperto si ha: $ *= ++, con: Q = calore assorbito dal sistema; L = lavoro eseguito dal sistema; H = variazione di entalpia del sistema (energia interna ed energia di pressione del fluido); E = variazione della somma delle altre forme di energia immagazzinabili dal sistema (meccanica, cinetica, elastica). Il sistema considerato, ovvero l'aria interna all'involucro, non ha scambi di lavoro con l'ambiente esterno e poiché non si verificano variazioni apprezzabili né della quota né della velocità dell'aria tra le sezioni di immissione ed espulsione dal sistema, possiamo affermare che E = 0 ed L = 0. Alla luce delle seguenti semplificazioni l equazione diventa: $ = + Ipotizzando che l aria all interno dell involucro si comporti come un gas perfetto e non considerando il bilancio di vapore, si può affermare che la variazione di entalpia H vale: +=-. (' /012# ' 0312# ) quindi: $ = += -. (' /012# ' 0312# ) con: = massa dell aria all interno della zona (involucro edilizio); -. = calore specifico a pressione costante dell aria; 16

19 (' /012# ' 0312# )= temperature dell aria prima e dopo la trasformazione termodinamica. Ogni scambio di calore provoca quindi una trasformazione termodinamica che porta al cambiamento della temperatura a bulbo secco dell aria interna alla zona occupata (l involucro edilizio). Considerando, come sostenuto nelle ipotesi fatte in precedenza, che il sistema operi in regime stazionario, la variazione di energia interna è nulla e la temperatura è costante durante tutto il periodo di studio. Tenendo conto dei vari carichi termici gravanti sul sistema (Figura 1.4), dove per convenzione durante il periodo invernale i flussi verso l interno o generati internamente hanno segno positivo, si ha: 4$ $ $ :,6< 7 +$ :,=# 7 9=0 Figura 1.4: Flussi termici durante il periodo invernale 1.6 CALCOLO DEI CARICHI TERMICI: PERIODO INVERNALE Nei prossimi paragrafi vengono analizzati in dettaglio i carichi termici presenti nel periodo invernale e per ognuno di essi viene spiegata la procedura di calcolo così come è indicata nella normativa italiana UNI/TS : Dispersioni termiche per trasmissione Sono la potenza termica, $ :,6< 7, trasmessa attraverso tutte le componenti dell involucro edilizio: superfici opache, superfici trasparenti, copertura e verso il terreno. Le dispersioni termiche per trasmissione sono influenzate da: 17

20 isolamento termico dell involucro: maggiore è l isolamento, quindi minore è la trasmittanza termica delle componenti dell involucro, minori sono le dispersioni termiche per trasmissione; rapporto S/V: è il rapporto tra superficie e volume dell involucro edilizio, minore è la superficie rispetto alla volumetria interna minori saranno le dispersioni per trasmissione; presenza di ponti termici (vedi paragrafo 1.6.3). Per ogni zona termica dell edificio e per ogni mese lo scambio termico per trasmissione, nel caso di riscaldamento, si calcola con la seguente formula (si ipotizza che la temperatura dell aria interna e quella media radiante siano coincidenti) come indicato nella norma UNI/TS :2008: con: $ :,6< =+ 6<,1?@ 4A 06,#6,: A # 9 B+CD <,E F <,0,E G B E + 6<,1?@ : coefficiente globale di scambio termico per trasmissione attraverso l involucro e verso il terreno, corretto per tenere conto della differenza di temperatura interno-esterno; A 06,#6,: : temperatura interna di regolazione per il riscaldamento nella zona considerata, secondo il DPR 412/93 integrato con DPR 551/99 e la norma UNI/TS :2008 per gli edifici residenziali si può assumere una temperatura interna di 20 C; A # : temperatura media mensile dell ambiente esterno, in base alla località e al mese si trovano i valori nelle tabelle della norma UNI 10349; B: è la durata, in [s], del mese considerato; H E D <,E F <,0,E I B: rappresenta il flusso termico dovuto alla radiazione infrarossa verso la volta celeste Coefficiente globale di scambio termico Il coefficiente globale di scambio termico tiene conto sia dello scambio termico attraverso l involucro sia dello scambio termico verso il terreno, esso è ricavato come: + 6<,1?@ = + J ++ K ++ L ++ M 18

21 con: + J : coefficiente di scambio termico per trasmissione verso l ambiente esterno, + J =( % )+( N,@ ) tiene conto dello scambio termico attraverso le i-esime superfici ( % ) e dell effetto degli j-esimi ponti termici ( N,@ + K : coefficiente di scambio termico stazionario per trasmissione verso il terreno, secondo la norma UNI EN ISO si calcola + K =% / O 6< dove % è la superficie del solaio, / è la trasmittanza termica unitaria del solaio (compresi i ponti termici nelle intersezioni solaio-parete) e O 6< è un fattore correttivo, contenuto nel Prospetto 6 della norma UNI/TS :2008, che varia in base alle tipologia di fondamenta dell edificio. + L : coefficiente di scambio termico per trasmissione attraverso gli ambienti non climatizzati + L =+ P O 6<,Q dove + P è il coefficiente globale di scambio termico tra l ambiente climatizzato e quello non climatizzato e i valori di O 6<,Q si possono assumere dal Prospetto 5 della norma UNI/TS : M :coefficiente di scambio termico per trasmissione verso altre zone climatizzate, interne o esterne all edificio, a temperatura diversa Extra flusso termico radiativo Esso è l extra flusso termico dovuto alla radiazione infrarossa verso la volta celeste, è generato dal fatto che durante la notte la temperatura del cielo è minore di quella dell edificio. Nella norma UNI/TS :2008 tale flusso termico è considerato come incremento dello scambio termico per trasmissione invece nella UNI EN ISO 13790:2008 è considerato come riduzione degli apporti termici solari. Come descritto in precedenza la formula per calcolare tale flusso termico è: 19

22 CD <,E E F <,0,E G B con: F <,0,E [W]: extra flusso termico radiativo verso la volta celeste del componente edilizio k-esimo, mediato sul tempo; F <,0,E = R -,S % -,S h U ' RU dove # è la resistenza termica superficiale esterna, V,E è la trasmittanza termica, % V,E è la superficie di scambio, h < è il coefficiente di scambio termico esterno per irraggiamento e ' #< è la differenza media di temperatura tra la temperatura dell aria esterna e temperatura media apparente del cielo; D <,E : fattore di forma tra il componente edilizio k-esimo e la volta celeste, è adimensionale ed è dato da: D <,E = D 8W(1+cos[) 2 dove D 8W è il fattore di riduzione per ombreggiatura (vale 1 in assenza di ombreggiatura da elementi esterni) e S è l angolo di inclinazione del componente sull orizzonte. Il calcolo di D <,E e F <,0,E è effettuato secondo quanto riportato nel punto 11.4 della norma UNI/TS :200 e della norma UNI EN ISO 13790: Dispersioni termiche per ventilazione Nel caso di riscaldamento sono le perdite energetiche, $ :,=# 7, derivanti da due tipi di flusso d aria: quello di infiltrazione che dipende dalla tenuta stagna dell involucro edilizio (i punti deboli sono le finestre) e quello di ventilazione che serve al ricambio d aria negli ambienti interni per avere aria pulita. Lo scambio termico per ventilazione è dato dalla differenza di entalpia tra il flusso d aria alla temperatura A 06,#6,: che esce dal locale e il flusso d aria che entra alla temperatura A #, esso vale: $ :,=# 7 = + =#,1?@ 4A 06,#6,: A # 9 B 20

23 + è il coefficiente globale di scambio termico per ventilazione della zona considerata, secondo la norma UNI/TS :2008 può essere calcolato con la seguente formula: + =#,1?@ = ] 1 -.,1 CO =#,E ^=#,6,E _ =#,E G E con: ] 1 = densità dell aria a 20 C, pari a 1,3 EK `; -.,1 = calore specifico a pressione costante dell aria a 20 C, pari a 1000 a EK ; O =#,E = fattore correttivo della temperatura per il flusso d aria k-esimo, per quei casi in cui la temperatura di mandata è diversa dalla temperatura esterna; ^=#,6,E = frazione di tempo in cui si verifica il flusso d aria k-esimo; _ =#,E = portata sul tempo del flusso d aria k-esimo. I fattori che incidono principalmente sulla qualità dell aria all interno degli ambienti residenziali, e non, sono l umidità relativa e il contenuto di CO 2 (anidride carbonica) nell aria Carichi termici generati internamente La potenza termica generata internamente all edificio, $ 506 7, è data da due componenti: $ = $ $ K< 7 la potenza termica, $ 5. 7 generata dall impianto di riscaldamento per mantenere la temperatura impostata e dagli apporti gratuiti interni, $ K< 7. Gli apporti termici gratuiti principalmente derivano da: Calore emanato dalle persone che occupano gli ambienti interni: per quanto riguarda la componente di calore sensibile mediamente varia dai 65 W di una persona seduta agli 800 W per una persona che sta eseguendo uno sforzo fisico; Calore prodotto dal sistema di illuminazione; Calore sensibile e latente prodotto da cucine e fornelli durante la cottura dei cibi; Calore disperso per effetto Joule dagli elettrodomestici. 21

24 Secondo la normativa UNI/TS :2008 lo scambio termico, espresso in W, derivante dagli apporti interni gratuiti per abitazioni residenziali fino a 170 m 2 di superficie utile di pavimento % / può essere stimato con la seguente formula: F 06 =5.294 % / % / ) Per superficie % / maggiore di 170 m 2 il valore di F 06 è pari a 450 W. La potenza termica $ 5. 7 generata dall impianto è data da: $ 5. 7 = $ $ 82 7 ($ :,=# 7 + $ :,6< 7 ) L impianto di riscaldamento deve essere progettato per assicurare il carico termico che permetta di ottenere una temperatura interna che consenta il comfort abitativo, per il dimensionamento si deve considerare una temperatura fissa di progetto di 20 C e tenere in considerazione il fabbisogno energetico di picco, cioè la situazione più critica per la stazione invernale Apporti gratuiti generati dalla radiazione solare La potenza termica entrante attraverso le componenti trasparenti e opache dell involucro, derivante dall irraggiamento solare $ 82 7, dipende principalmente da forma e orientamento dell edificio, posizione geografica, dimensione delle aperture e dalla presenza o meno di schermature solari. La potenza termica derivante dall irraggiamento solare è data da: $ 82 7 = g,e % V1.,E D 8W,E dove: g,e = irradianza solare media sulla superficie k-esima dell involucro edilizio, i valori sono contenuti nella norma UNI (catalogati per capoluogo di provincia e per le varie orientazioni); % V1.,E = area di captazione solare effettiva della superficie k-esima, varia a 22 seconda che il componente dell involucro edilizio che si sta studiando sia opaco o trasparente; - per i componenti opachi (pareti o copertura) l area di captazione si calcola con la seguente formula

25 % V1.,E = E E E %.,E dove E è il fattore di assorbimento solare del componente k-esimo (dipende dal colore della superficie esterna, assume valore di 0.3 per componenti chiari, 0.6 per componenti con colori intermedi e 0.9 per colori scuri), E è la trasmittanza termica del componente, E è la resistenza termica esterna del componente k-esimo e %.,E è l area proiettata. - per i componenti trasparenti (vetrate o finestre) l area di captazione si calcola con la formula % V1.,E =D V,E 82,E (1 D h,e ) % =,E dove D V,E è il fattore di riduzione relativo all utilizzo di schermature solari mobili, 82,E è la trasmittanza di energia solare totale dell elemento vetrato aggiustata in base all angolo di incidenza (i valori si trovano tabellati nella norma UNI EN 410 in base alla tipologia di vetro), D h,e è il coefficiente di riduzione dovuto al telaio e % =,E è l area proiettata totale. D 8W,E = fattore di ombreggiatura dovuto ad elementi esterni, dipende dalle caratteristiche geometriche dell elemento ombreggiante, dalla latitudine, clima, orientazione dell elemento ombreggiato e dal periodo considerato Calore latente Nel calcolo della potenza termica $ 5. 7 dell impianto di riscaldamento gli scambi di calore latente vengono trascurati. Gli scambi di calore latente, diversamente da quelli di calore sensibile descritti nei paragrafi precedenti, non influiscono sulla temperatura a bulbo secco dell aria ma influiscono sui parametri di comfort abitativo; essi sono: Calore latente generato internamente: deriva dalla respirazione ed evaporazione cutanea delle persone o da apparecchiature e processi presenti all interno dell edificio; Differenze di umidità specifica tra l aria all interno e all esterno dell involucro edilizio: solitamente in inverno l umidità dell aria all interno è maggiore rispetto 23

26 all umidità dell aria esterna e perciò il flusso di calore latente è verso l esterno dell edificio. Perdite di vapore acqueo attraverso l involucro (trascurabile rispetto agli altri) Ponti termici I ponti termici sono delle discontinuità presenti nell involucro, geometriche e di materiale, che creano delle deviazioni dalle condizioni di flusso monodimensionale attraverso la superficie ovvero delle vie preferenziali alla propagazione del calore. Possono essere di due tipi: Ponti termici geometrici: componenti edilizi e punti della struttura edilizia in cui la superficie interna riscaldata è minore della superficie esterna raffreddata, ad esempio l innesco tra parete e solaio (Figura 1.5-c). Il flusso di calore abbandonando il perimetro interno, in corrispondenza dello spigolo, si ripartisce su un perimetro esterno maggiore determinando un flusso di calore maggiore. Ponti termici dovuti a discontinuità nei materiali: parti di involucro composti da diversi materiali che presentano un coefficiente di conducibilità termica λ maggiore rispetto al materiale circostante, ad esempio travi in metallo, pilastri in cemento armato etc (Figura 1.5-b). Figura 1.5: Tipologie ponti termici Favorendo gli scambi di calore tra interno ed esterno i ponti termici possono arrivare anche a triplicare la trasmissione del calore in una sezione dell edificio, pur rappresentando solo una minima parte della superficie stessa. 24

27 1.7 DIRETTIVE EUROPEE E LEGGI NAZIONALI Senza dubbio si deve all Europa la spinta più significativa all innovazione energetica ed ambientale nel settore dell edilizia, tale cambiamento è ritenuto strategico ai fini della lotta ai cambiamenti climatici e per la riduzione della spesa energetica delle famiglie e delle imprese. A partire dal 2002, attraverso provvedimenti sempre più dettagliati, si è andata definendo e articolando una prospettiva di cambiamento nel settore delle costruzioni. La Direttiva 2002/91/CE sul rendimento energetico nell edilizia può essere considerata il primo passo di un processo, che anche in Italia, ha portato alla consapevolezza di quanto si debba migliorare nel settore dell edilizia per portare alla riduzione dei consumi e delle emissioni. Tale direttiva comprende quattro elementi principali, necessari per conformarsi al protocollo di Kyoto: Una metodologia comune di calcolo del rendimento energetico integrato degli edifici; I requisiti minimi sul rendimento energetico degli edifici di nuova costruzione e degli edifici esistenti sottoposti ad importanti ristrutturazioni; I sistemi di certificazione degli edifici, nuovi ed esistenti, e l esposizione (nei soli edifici pubblici) degli attestati di rendimento energetico; L ispezione periodica delle caldaie e degli impianti centralizzati di aria condizionata, e la valutazione degli impianti di riscaldamento dotati di caldaia installati da oltre 15 anni. A livello nazionale tale direttiva è stata recepita con il Dlgs 192/2005, esso è rivolto a stabilire criteri, condizioni e modalità per migliorare le prestazioni energetiche degli edifici dal fine di favorire lo sviluppo, la valorizzazione e l integrazione delle fonti rinnovabili e la diversificazione energetica, contribuire a conseguire gli obiettivi nazionali di limitazione delle emissioni di gas a effetto serra posti dal protocollo di Kyoto e promuovere la competitività dei comparti più avanzati attraverso lo sviluppo tecnologico. Il decreto disciplina: Metodologia di calcolo delle prestazioni energetiche degli edifici e relativi requisiti minimi, Valori limite di trasmittanza termica dei componenti dell involucro edlizio, 25

28 l obbligo di schermature solari per favorire l ombreggiamento nel periodo estivo. La Direttiva 2006/32/CE sull Efficienza degli usi finali dell energia e i servizi energetici ha indicato la direzione verso cui i paesi della Comunità europea dovevano muoversi in termini di efficienza energetica. Prioritario diventava quindi la riduzione dei consumi energetici attraverso il miglioramento del rendimento energetico degli edifici ed eliminare le barriere che ostacolano un efficiente uso dell energia. In Italia la Direttiva 2006/32/CE è stata recepita con il Dlgs 115/2008. Al fine di contribuire al miglioramento della sicurezza dell'approvvigionamento energetico e alla tutela dell'ambiente attraverso la riduzione delle emissioni di gas a effetto serra, stabilisce un quadro di misure volte al miglioramento dell'efficienza degli usi finali dell'energia sotto il profilo costi e benefici, il decreto definisce quindi: gli obiettivi indicativi, i meccanismi, gli incentivi e il quadro istituzionale, finanziario e giuridico necessari ad eliminare le barriere e le imperfezioni esistenti sul mercato che ostacolano un efficiente uso finale dell'energia; crea le condizioni per lo sviluppo e la promozione di un mercato dei servizi energetici e la fornitura di altre misure di miglioramento dell'efficienza energetica agli utenti finali. Con il DPR n.50 del 2/4/2009, concernente l attuazione della Direttiva Europea 2002/91 sul rendimento energetico in edilizia, sono stati definiti i criteri, i metodi di calcolo e i requisiti minimi per l efficienza energetica degli edifici. Il testo fissa i requisiti minimi della prestazione energetica degli impianti e degli edifici nuovi ed esistenti, confermando quelli già stabiliti all allegato I del Dlgs 192/2005, con l aggiunta dell introduzione di un valore massimo ammissibile della prestazione energetica per il raffrescamento estivo dell involucro edilizio. Sul tema della certificazione energetica il 2 febbraio 2007 è entrato in vigore il D.Lgs. 311/2006, che ha recepito le Direttive sul tema e ha modificato in parte il D.Lgs. 192/2005 prevedendo, a partire dal 1 luglio 2007, l obbligo di certificazione energetica per gli edifici esistenti superiori a m 2 ed estendendolo dal 1 luglio 2008 a tutti gli edifici mentre dal 1 luglio 2009 anche alle singole unità immobiliari nel caso di trasferimento della proprietà. 26

29 In particolare il Decreto stabilisce la metodologia per il calcolo delle prestazioni energetiche, le ispezioni da effettuare per gli impianti di climatizzazione e la sensibilizzazione nei confronti dei cittadini per l uso razionale dell energia. La classificazione climatica dei comuni è stata introdotta dal D.P.R. n. 412 del 26 agosto 1993, nel quale è fornito il valore dei gradi giorno dei comuni italiani. I gradi giorno (GG) indicano fabbisogno termico di un area geografica relativa alle normative vigenti sul riscaldamento - raffrescamento delle abitazioni, il valore numerico rappresenta la somma delle differenze giornaliere (solo positive o solo negative) tra la temperatura dell ambiente, convenzionalmente fissata a 20 C, e la temperatura media giornaliera esterna. La somma delle differenze giornaliere, tra le due temperature, viene eseguita per tutti i giorni del periodo annuale convenzionale. Un valore basso indica un breve periodo di riscaldamento/raffreddamento e temperature medie giornaliere prossime alla temperatura fissata per l'ambiente. Al contrario, valori elevati, indicano periodi di riscaldamento/raffreddamento prolungati e temperature medie giornaliere nettamente inferiori/superiori rispetto alla temperatura di riferimento. Nel territorio italiano, in funzione dei gradi giorno (GG), sono state definite sei fasce climatiche (Figura 1.6) e fissati i limiti massimi relativi al periodo annuale di esercizio dell'impianto termico ed alla durata giornaliera di attivazione: - fascia A: < 600 GG (dal 1º dicembre al 15 marzo, 6 ore); - fascia B: tra 601 e 900 GG (dal 1º dicembre al 31 marzo, 8 ore); - fascia C: tra 901 e 1400 GG; (dal 15 novembre al 31 marzo 10 ore); - fascia D: tra 1401 e 2100 GG; (dal 1º novembre al 15 aprile, 12 ore); - fascia E: tra 2101 e 3000 GG; (dal 15 ottobre al 15 aprile, 14 ore); - fascia F: > 3000 GG; (dalle ore 5 alle ore 23 di ciascun giorno); Figura 1.6 Fasce climatiche 27

30 Con il Decreto Ministeriale del 26 Giugno 2009 sono state stabilite le Linee Guida Nazionali per la certificazione energetica degli edifici. L unico limite imposto dal Decreto era quello della certificazione minima di Classe C per il riscaldamento invernale che è entrato in vigore il 1 Gennaio 2010 per i nuovi edifici. Inoltre la redazione dell attestato di certificazione energetica è sì obbligatoria, ma non vengono definite le sanzioni a cui si incorre nel caso di compravendita di immobili senza il suddetto attestato, al contrario di quanto previsto dalla Direttiva Europea 2002/91. Con l Allegato 3 del Dlgs 28/2011 si è finalmente completato il quadro normativo relativo agli obblighi di installazione di fonti rinnovabili per soddisfare i fabbisogni termici ed elettrici delle abitazioni. Dal primo Giugno 2012 nei nuovi edifici, e nei casi di ristrutturazioni non leggere, gli impianti di produzione di energia termica devono essere progettati e realizzati in modo da garantire il contemporaneo rispetto della copertura, tramite il ricorso ad energia prodotta da impianti alimentati da fonti rinnovabili, del 50% dei consumi previsti per l acqua calda sanitaria e delle seguenti percentuali della somma dei consumi previsti per l acqua calda sanitaria, il riscaldamento e il raffrescamento. L efficienza energetica in edilizia è infatti un tassello della politica energetica e climatica europea, con la Direttiva 2009/28/CE Clima-energia, obbiettivo: 20/20/20 l Unione Europea impone un tetto massimo di emissione di CO 2 a livello comunitario perciò tutti i principali responsabili della produzione delle emissioni di CO 2 saranno incoraggiati a sviluppare tecnologie produttive pulite e tecnologie che ne permettano la diminuzione. Le misure previste imporranno ai governi dei paesi membri dell Unione Europea obbiettivi giuridicamente vincolanti, il pacchetto clima-energia intende consentire all Unione Europea entro il 2020 di: ridurre di almeno il 20% le emissioni di gas serra, portare al 20% il risparmio energetico attraverso l aumento dell efficienza energetica, soddisfare il 20% del nostro fabbisogno energetico mediante l utilizzo di energie rinnovabili, rispetto ai valori registrati nel

31 Per capire il futuro del settore delle costruzioni in Europa bisogna guardare alla Direttiva Europea 31/2010, entrata in vigore nel febbraio 2012, abrogando la precedente Direttiva 91/2002. La Direttiva 31/2010 promuove il miglioramento della prestazione energetica degli edifici, tenendo conto delle condizioni locali e climatiche esterne nonché delle prescrizioni relative al clima degli ambienti interni e dell efficacia sotto il profilo dei costi. Nel provvedimento è definito il quadro comune generale di una metodologia per il calcolo della prestazione energetica degli edifici e delle unità immobiliari che gli Stati membri sono tenuti ad applicare in conformità a quanto indicato nell allegato I della direttiva e che dovranno essere rivisti a scadenze regolari di massimo 5 anni. La metodologia di calcolo tiene conto delle caratteristiche termiche dell edificio, degli impianti di riscaldamento e di produzione di acqua calda, di condizionamento e ventilazione, di illuminazione, della progettazione, posizione e orientamento dell edificio, dei sistemi solari passivi e di protezione solare, delle condizioni climatiche interne, dei carichi interni. Il calcolo della prestazione energetica deve essere differenziato a seconda della categoria di edificio. Per gli edifici di nuova costruzione viene data notevole importanza ed attenzione alle tecnologie quali i sistemi di fornitura energetica decentrati basati su fonti rinnovabili, cogenerazione, teleriscaldamento (o teleraffrescamento) e pompe di calore. Stessi requisiti vengono applicati per gli edifici esistenti sottoposti a ristrutturazioni importanti, cercando di migliorare sensibilmente la prestazione energetica al fine di soddisfare i requisiti minimi.la Direttiva stabilisce che a partire dal 1 gennaio 2021 tutti gli edifici di nuova costruzione siano edifici a energia prossima allo zero, in cui il fabbisogno energetico deve essere talmente basso, o nullo, da poter essere coperto in misura molto significativa da energia da fonti rinnovabili, compresa quella prodotta in loco o nelle vicinanze. Questi requisiti valgono già dal 1 Gennaio 2019 per i nuovi edifici pubblici.da segnalare in ultimo l entrata in vigore il 5 Dicembre 2012, della nuova Direttiva Europea 2012/27 sull efficienza energetica. Viene stabilito che ogni Stato membro debba ottemperare a nuovi obblighi di riduzione dei consumi di energia del patrimonio edilizio pubblico. La norma prevede inoltre l avvio di piani di riqualificazione energetica dell edilizia pubblica: a partire dal 2014 si dovrà garantire la riqualificazione energetica del 3% minimo annuale degli immobili più energivori. 29

32 30

33 CAPITOLO 2. SOLUZIONI TECNICHE PER IL RETROFIT ENERGETICO 2.1 Introduzione Con il termine retrofit energetico dell edificio si intendono tutte le operazioni, sia tecnologiche che gestionali, mirate al conferimento di un nuovo (prima inesistente) o superiore (prima inadeguato) livello prestazionale alle costruzioni esistenti dal punto di vista dell efficienza energetica. Il retrofit energetico si configura come un processo di retroazione, in quanto aggiornamento, adattamento, adeguamento, attuato con l applicazione di tecnologie, sistemi ed elementi tecnici che risultano innovativi, più evoluti ed efficienti delle soluzioni adottate con lo scopo di diminuire i consumi, e di conseguenza i costi sostenuti. Circa il 54% dell attività edilizia è dedicato all intervento su edifici esistenti con lo scopo di migliorarne le prestazioni energetiche; le cattive prestazioni energetiche degli edifici sono prevalentemente condizionate dall errata scelta, dimensionamento e posizionamento dei materiali isolanti, nonché nelle dispersioni per effetto di ponti termici e da deficit o decadimenti prestazionali delle chiusure vetrate. Altri fattori che influiscono negativamente sugli aspetti energetici sono individuabili nelle dispersioni dovute alla errata progettazione degli ambienti in relazione alle destinazioni d uso, alla loro ventilazione non controllata e all orientamento non ottimale dell involucro edilizio. In generale, gli interventi di riqualificazione energetica del patrimonio edilizio esistente sono finalizzati a: migliorare il comfort degli ambienti interni; contenere i consumi di energia, quindi ridurre le emissioni di inquinanti e il relativo impatto sull ambiente; utilizzare in modo razionale le risorse, attraverso lo sfruttamento di fonti energetiche rinnovabili in sostituzione dei combustibili fossili; ottimizzare la gestione dei servizi energetici; 31

34 Gli interventi principali in grado di garantire un retrofit vantaggioso interessano sia il sistema tecnologico sia la gestione energetica dell edificio; dal punto di vista tecnologico gli interventi riguardano fondamentalmente: il miglioramento delle prestazioni dell involucro edilizio (incremento dell isolamento termico, sostituzione dei serramenti, installazione di idonei sistemi di schermatura solare...); la sostituzione di componenti obsoleti degli impianti di climatizzazione invernale e di illuminazione con altri più efficienti dal punto di vista energetico; l utilizzo dell energia gratuita del sole per la produzione di energia elettrica (pannelli fotovoltaici) e termica (collettori solari); la corretta gestione della ventilazione naturale e del raffrescamento passivo al fine di limitare la diffusione di impianti di condizionamento estivo, responsabili dell incremento dei consumi elettrici; Gli interventi di retrofit energetico prevedono dunque l applicazione di tecnologie innovative finalizzate al risparmio e all uso efficiente di energia, alla produzione di energia rinnovabile su piccola scala e alla climatizzazione passiva. L efficienza energetica degli edifici è determinata prevalentemente dalle prestazioni dell involucro, dal rendimento degli impianti, dall uso di fonti energetiche rinnovabili e dai sistemi di controllo passivo del comfort estivo ed invernale. 2.2 Possibilità di intervento Uno dei problemi maggiori che il retrofit energetico deve affrontare è la dispersione termica attraverso l involucro ed i suoi elementi tecnici. I principali fattori che determinano prestazioni energetiche basse e spesso negative sono: cattiva progettazione dell edificio, mancanza di orientamento idoneo iniziale, o eccessivi ponti termici nel sistema dei serramenti. Se poi si scende in profondità con l analisi, si possono individuare altre cause spesso correlate sempre a scelte iniziali e difficili, vista l esistenza dell edificio, da debellare; tra questi si individuano facilmente gli isolanti, dimensionati e posizionati spesso in modo non idoneo, nonché la scelta di serramenti, le cui prestazioni sono facilmente degenerate nel tempo. Risulta perciò facile capire come i miglioramenti delle prestazioni energetiche di un edificio non possano prescindere dall intervenire anche sull'involucro, in particolare sull efficienza degli elementi tecnici orizzontali e verticali. 32

35 2.2.1 Gli impianti Se, ad una prima analisi, l edificio appare progettato in modo discreto e le dispersioni non sono così elevate si può procedere con un primo intervento leggero di retrofit, andando ad intervenire solo sulla parte impiantistica. L efficienza energetica degli impianti occupa un ruolo rilevante, la sostituzione degli impianti esistenti con altri a maggiore efficienza permette di ridurre i consumi relativi al riscaldamento invernale ed al raffrescamento estivo e quindi di avere un miglioramento energetico, senza dover alterare la morfologia del fabbricato, con dispendio di soldi e cantieri aperti. Oggi, dei circa 20 milioni di impianti per la produzione termica funzionanti in Italia, solo il 9% utilizza una caldaia a condensazione. Questa soluzione, a fronte di un costo di investimento superiore del 35-40%, consente un risparmio che si aggira attorno al 20% rispetto ad un impianto tradizionale. Oltre alle caldaie a condensazione tra le tecnologie efficienti per la produzione di energia termica ci sono le pompe di calore, sistemi in grado di trasferire calore da una sorgente ad un corpo con temperatura più alta, che però sono solo il 2% degli impianti termici L involucro Agire sulla riduzione delle dispersioni termiche, quindi anche energetiche, rappresenta la condizione preliminare per interventi volti al raggiungimento di livelli prestazionali più elevati poiché l eventuale apporto energetico, derivante dall ottimizzazione impiantisca o dall uso di sistemi solari attivi e passivi oltre che dal ricorso alla ventilazione naturale, è limitato alla presenza di un involucro disperdente. Le soluzioni più comuni in questo tipo di retrofit energetico sono: la scelta di un isolamento più efficiente magari operando anche dall interno dell edificio stesso, la sostituzione degli infissi con elementi che garantiscano maggior isolamento e l introduzione di soluzioni in grado di avere un controllo e uno sfruttamento solare positivo. Le tecniche di isolamento non sono tutte uguali, in base all analisi delle prestazioni dell edificio nella conformazione esistente ci sono varie modalità d azione. Per quanto riguarda l isolamento delle pareti, ad esempio, può essere preferibile l una o l altra posizione dell isolante: ad esempio esterna alle pareti (isolamento a cappotto) in caso di riscaldamento centralizzato a funzionamento continuo oppure interna (coibentazione con pannelli isolanti) nel caso di riscaldamento autonomo. 33

36 Oltre agli interventi su pareti verticali possono essere eseguiti interventi di isolamento sulla copertura e/o suolo. Per quanto riguarda la sostituzione degli infissi con elementi più performanti la scelta deve essere fatta sia sulla tipologia di sistema vetrato installato, sia in base al materiale costruttivo del nodo anta-telaio Energie rinnovabili Rientrano in questa categoria gli impianti per il solare termico, essi possono servire per la sola produzione di acqua calda sanitaria (DHW) oppure interagiscono in modo combinato con il sistema di riscaldamento. Per gli impianti combinato la superficie captante deve essere mediamente doppia rispetto agli impianto per la sola produzione di acqua calda sanitaria, con un costo circa 35% maggiore; pertanto oggi la convenienza economica del solare, rispetto ai tradizionali costi di approvvigionamento dell energia termica, c è soltanto in caso di installazione dell impianto per la sola produzione di acqua calda sanitaria. Nei prossimi paragrafi verranno descritte le soluzioni di retrofit energetico analizzate in questa tesi. Per quanto riguarda l involucro edilizio l attenzione verrà focalizzata sulle componenti finestrate e vetrate per poter quantificare i benefici, in termini di fabbisogni e risparmio energetico, che comporta la sostituzione dei serramenti in un edificio residenziale esistente. Mentre per quanto riguarda l impianto è stato valutato se, con la sostituzione delle sole componenti finestrate, poteva essere installata la pompa di calore al posto della caldaia tradizionale mantenendo come terminali i radiatori dell impianto precedente. 34

37 2.3 Ristrutturazione dell involucro edilizio: la sostituzione dei serramenti La finestra è sempre stata un punto critico dell edificio sia sul piano costruttivo, in quanto il vano interrompe la continuità della parete, sia dal punto di vista tecnologico, in quanto elemento in grado di aprirsi e di chiudersi, a seconda delle esigenze degli utenti, modificando, in questo modo, le prestazioni energetiche dell involucro stesso. Inoltre, come si è già detto, nel bilancio energetico dell edificio l infisso è causa di circa 1/3 dei consumi per il riscaldamento. Per ridurre le dispersioni termiche a livello di involucro edilizio nel presente lavoro è stata valutata la sola sostituzione dei serramenti, in questo paragrafo verranno descritti i principali materiali costruttivi del nodo anta-telaio e le possibili soluzioni a livello di componente vetrata Nodo anta-telaio: materiali costruttivi, proprietà e prestazioni energetiche I serramenti possono essere classificati in base a diversi parametri, primo tra tutti il tipo di materiale dei telai. Questo fattore incide fortemente nelle valutazioni delle prestazioni energetiche dell infisso a causa delle proprietà fisiche di ciascun materiale. Negli ultimi anni si sta facendo particolare attenzione alla scelta dei vari materiali perché, sul piano del profilo ambientale, esistono diversità considerevoli in termini di energia incorporata (cioè quella energia necessaria alla estrazione, produzione, lavorazione e trasporto del prodotto) e di scenari di fine vita; questi ultimi fattori però non rientrano nei criteri di scelta della nostra analisi ma vengono ugualmente trattati vista l importanza. Di seguito, pertanto, nel descrivere i diversi materiali con cui è possibile fabbricare il nodo anta-telaio dei serramenti si metteranno a confronto alcuni dati riguardanti: proprietà del materiale stesso, distinte per vantaggi e limiti; prestazioni energetiche di isolamento termico e tenuta dei telai, fornite per valori medi ricavati dai dati diffusi dagli stessi produttori; alcune considerazioni sul profilo ambientale distinte in approvvigionamento del materiale, energia incorporata e scenari di fine vita. I dati sono ovviamente sintetici ed inevitabilmente incompleti ma servono per avere un quadro generale, quanto più possibile ampio, in grado di orientare i progettisti nella fase di scelta del serramento di volta in volta più appropriato. 35

38 Serramenti in legno Il legno è il materiale tradizionalmente più usato per la produzione di serramenti. Esso è caratterizzato da un basso coefficiente di trasmittanza termica, da un aspetto gradevole, dall'attitudine ad essere lavorato facilmente e dal soddisfacente comportamento in esercizio del serramento. Le proprietà naturali del materiale sono: durabilità naturale, adeguata massa volumetrica, stabilità dimensionale in fase di esercizio, resistenza meccanica e rigidezza, durezza superficiale del legno, tenuta della viti. Le essenze di legno principalmente utilizzate sono: il larice (nelle diverse specie), l abete rosso, il pino, il castagno, il Douglas ed i legni lamellari. Essendo il legno un materiale naturale, per migliorare la durata dell'infisso ed evitare l'insorgere di deformazioni e di fenomeni quali l imbarcamento, il legno deve essere essiccato; inoltre, se il legno non presenta una sufficiente durabilità naturale, è indispensabile un trattamento preservante che abbia un'efficace azione contro funghi ed insetti. A livello prestazionale questi serramenti garantiscono una buona tenuta all aria e all'acqua, una buona resistenza al carico del vento, ottimi risultati nell'abbattimento del rumore esterno (se vengono utilizzati vetri con composizione adeguata degli spessori ed intercapedini) e livelli di isolamento termico che sono vincolati allo spessore dei profili. Valori tipici della trasmittanza termica (U f ) del nodo anta-telaio di serramenti in legno, in funzione dello spessore del profilo e della tipologia di legno, variano da un minimo di 1,3 W/m 2 K fino a 2,4 W/m 2 K. Per migliorare le prestazioni di tenuta ed isolamento dei serramenti si è diffuso, inoltre, un uso aggiuntivo di guarnizioni (due o tre guarnizioni) e un tipo di battuta a giunto aperto che invece utilizza una unica guarnizione al centro del profilo del telaio alla quale viene aggiunta una guarnizione verso l interno per migliorare le prestazioni di isolamento acustico e per impedire all aria calda di fuoriuscire. Per garantire una migliore stabilità del serramento vengono usati anche i legni lamellari, ottenuti per incollaggio di sottili elementi uniti tra loro in modo da sfalsare i nodi per controbilanciare la tendenza all'imbarcamento di ciascun elemento. 36

39 Figura 2.1: Sezioni di serramenti in legno I profili di legno sono gli elementi caratterizzanti le parti strutturali di un infisso e, per garantire una durata nel tempo del serramento, è necessario un corretto dimensionamento dello spessore, della larghezza media e della loro lunghezza. I moderni prodotti in legno presentano in generale sezioni da un minimo di 70 mm fino ad un massimo di 100 mm (utilizzati principalmente per le case passive), in cui si alternano strati di legno a strati di isolante. In commercio esistono infissi in legno con l anima in sughero. Essi sono prodotti in profili con sezioni quadrate o rettangolari a L, a Z ed a T per poter essere utilizzati in svariate tipologie di serramento; le battute possono presentare dei tagli netti o curvilinei e, sulla base del tipo di battuta e del profilo impiegato, i profilati possono essere del tipo a gola semplice o a dentelli. La modificazione della morfologia dei profili ha portato all aumento del numero delle sezioni dovuto all'aumento delle dimensioni delle ante, all uso di guarnizioni con la conseguente diffusione della battuta a giunto aperto. Essendo il legno un materiale organico, esso deve essere protetto dall'umidità e dalle radiazioni ultraviolette attraverso trattamenti superficiali o con l uso di vernici. Quest ultima necessità ha prodotto le principali innovazioni nel settore delle vernici ad acqua, ecologiche per l ambiente e non dannose per la salute degli utenti. Tra i materiali utilizzati per la protezione del legno dall umidità si stanno diffondendo anche quelli provenienti dalle nano-tecnologie, che consentono anche di raggiungere migliori prestazioni in termini di trasmittanza termica. Gli infissi, se realizzati con cura e precisione, conservano una buona tenuta nel tempo ma richiedono operazioni di manutenzione, quale la verniciatura, per far in modo che le prestazioni dei serramenti non peggiorino e che i serramenti non si rovinino (fenomeno di marcescenza). 37

40 Tra i materiali di ultima generazione sono stati introdotti il legno modificato con procedimenti innovativi, come il Thermoholz e il Wood-Plastic Composites, quest ultimo (Figura 2.2) nasce dalla combinazione tra il legno e altri materiali, nelle seguenti percentuali: 50-80% legno, 50-20% polimeri (PP, PE, PVC) con l aggiunta di additivi. Figura 2.2: Wood-Plastic Composites I risultati di uno studio sul ciclo di vita del serramento in legno, condotto dall ENEA in collaborazione con il Consorzio Legno- Legno, dal titolo Serramenti in Legno e Ambiente, ha evidenziato che la fase più impattante per l ambiente, è quella di uso. Di seguito (Tabella 2.3) vengono riportate le principali caratteristiche, proprietà e prestazioni medie dei serramenti in legno presenti commercio. 38 Tabella 2.3: Proprietà e prestazioni dei serramenti in legno

41 Serramenti in alluminio L'allumino che viene utilizzato per la fabbricazione dei profili dei serramenti è costituito da leghe con silicio e magnesio, con basse percentuali di rame. Legare l alluminio con un altro materiale significa migliorare: le caratteristiche fisiche, la finitura superficiale dei profili e la loro lavorabilità. Svariate sono le combinazioni e i metodi di classificazione delle leghe: un primo criterio riguarda la natura dell'elemento aggiunto, altri si basano sul procedimento metallurgico per cui le leghe migliorano le caratteristiche meccaniche, altri ancora, infine, dividono tra leghe da fonderia e leghe da trasformazione plastica, le quali possono essere lavorate per laminazione, estrusione, fucinatura e trafilatura. Proprio queste ultime tipologie di leghe vengono utilizzate per realizzare i profili per serramenti. Essi possono presentarsi al naturale (ossia con l'aspetto e il colore che derivano dal processo di ossidazione anodica), colorati per elettrocolorazione o verniciati con resine sintetiche. Sia i profili semplicemente anodizzati che quelli colorati devono essere sottoposti a fissaggio, che provoca la chiusura della porosità dell'ossido anodico, in tal modo si annullano le capacità di assorbimento di sostanze coloranti, oli e liquidi e si aumentano le capacità di resistenza alla corrosione a agli agenti atmosferici. L alluminio ha numerose proprietà quali la resistenza, la leggerezza, buone proprietà meccaniche e buona tenuta agli agenti atmosferici; quest ultima proprietà fa si che i serramenti in alluminio abbiano una buona durabilità nel tempo con costi di gestione molto bassi e operazioni di manutenzione limitate alla sola sostituzione delle guarnizioni. Tuttavia l alluminio è un buon conduttore di calore (λ=204 W/mK), proprietà che non è molto utile alla realizzazione di serramenti isolanti. Il valore della trasmittanza termica (U f ) del nodo anta-telaio di un infisso tradizionale in alluminio (Figura 2.4) varia tra i valori 6,1-7 W/m 2 K. Figura 2.4: Serramenti tradizionali in alluminio 39

42 Per ridurre re il valore di trasmittanza termica (U f ) del nodo anta-telaiotelaio i profili sono realizzati con il sistema a taglio termico e giunto aperto, tali soluzioni sono ideali per garantire una migliore tenuta nei confronti delle dispersioni termiche e per risolvere il problema del ponte termico a livello del serramento. I profilati a "taglio termico" (Figura 2.5) si basano sul principio dell'interruzione della continuità del metallo attraverso l'inserimento di listelli isolanti realizzati con un opportuno materiale a bassa conducibilità termica in corrispondenza di una camera interna al profilato. Figura 2.5: Serramenti in alluminio a taglio termico Il sistema più diffuso, come si può vedere nelle immagini sopra, consiste nell'estrudere estrudere assieme all alluminio un profilato in PVC o altro materiale plastico; per migliorare ulteriormente le prestazioni è uso comune iniettare una schiuma poliuretanica all'interno del profilato estruso. Il valore di trasmittanza termica (U f ) scende fino a valori di 3 W/m 2 K e può essere ulteriormente ridotto, fino a 1,9 W/m 2 K, con telaio da 75 mm a giunto aperto con tre guarnizioni. Relativamente alla tenuta agli agenti atmosferici, oltre che per ottenere valori di trasmittanza termica (U f ) il più bassi possibile, la produzione attuale si avvale di infissi a giunto aperto. Viene utilizzato questo sistema costruttivo perché la guarnizione esterna utilizzata nei serramenti normali non è sufficiente ad evitare infiltrazioni di aria ed acqua all'interno del serramento quando, ad esempio, in presenza di elevata pressione esterna (forti raffiche di vento) il profilo dell'anta tende ad flettersi verso l interno dell edificio determinando il distacco della guarnizione dal telaio e di conseguenza il passaggio di aria e acqua all interno. 40

43 Il giunto aperto é un sistema di tenuta che prevede una guarnizione centrale (Figura 2.6 in rosso) che, ad anta chiusa, preme contro la pinna (nella Figura 2.6 in verde) e impedisce il passaggio di aria ed acqua che viene drenata attraverso i fori di scarico praticati sulla superficie esterna del lato sotto del telaio grazie ad un fenomeno di equilibrio tra la pressione interna al profilo e quella esterna. Figura 2.6: Sistema giunto aperto La particolarità di questo sistema é che più il vento soffia più la tenuta aumenta, così la guarnizione centrale sul telaio é in grado di generare condizioni di perfetta tenuta. La ricerca degli ultimi anni ha portato all assottigliamento dei setti per ridurre la conduttività, ad una compartizione più evoluta della camera del telaio per minimizzare le dispersioni termiche e all aumento dello spessore del taglio termico; inoltre si punta sull integrazione di fermavetri isolanti e sull interruzione dei flussi in prossimità del vetrocamera. Negli ultimi anni, soprattutto per un fattore estetico e di differenziazione sul mercato, molte case produttrici di profilati in alluminio per serramenti hanno iniziato a produrre e commercializzare profili combinati in alluminio-legno e alluminio-pvc. L unione del legno o del PVC all alluminio, oltre che per un fattore estetico, è stata realizzata per ottenere l effetto taglio termico ottenendo prestazioni simili a quelle ottenibili con un profilo in alluminio a taglio termico, trasmittanza termica (U f ) che varia da 2,2 W/m 2 K a 3,2 W/m 2 K, ma con costi maggiori dovuti allo speciale processo produttivo. Solitamente il legno è posizionato all interno così, non essendo esposto agli agenti atmosferici e ai raggi UV, non ha bisogno di manutenzione nel tempo. Un problema legato a questa tipologia di profili è la possibile creazione di condensa, in determinate condizioni ambientali, tra l unione dei due materiali. 41

44 Di seguito (Tabella 2.7) vengono riportate le principali caratteristiche, proprietà e prestazioni medie dei serramenti in alluminio presenti commercio. Tabella 2.7: Proprietà e prestazioni dei serramenti in alluminio Serramenti in PVC Introdotto negli anni 50 si è fortemente imposto sul mercato perché è un prodotto più economico degli altri tipi ma altamente isolante, stabile agli urti, resistente agli agenti atmosferici e non richiede una particolare manutenzione delle superfici. Il PVC, polivinilcloruro, si presenta sottoforma di polvere composta per il 57% da sale e il 43% da petrolio che, miscelata con vari additivi, viene trasformata in prodotto finito. Rispetto al tipo e alla percentuale di tali sostanze aggiunte, si ottengono differenti formulazioni di PVC, dai materiali flessibili simili alla gomma ai materiali rigidi. 42

45 Il PVC viene trasformato in profilati per infissi mediante il processo di estrusione, si ottiene un prodotto le cui caratteristiche di aspetto superficiale, colore, precisione dimensionale e resistenze all'urto sono già determinate. I profili sono ottenuti a caldo per estrusione e passano attraverso un sistema di calibratura e un dispositivo di raffreddamento in condizioni controllate in modo che le sottili sezioni delle pareti non subiscano distorsioni. Le barre sagomate che si ottengono hanno una sezione pluricamera che ne aumenta la stabilità e migliora l isolamento termico, la produzione è molto vasta e consente di avere profili di diverse dimensioni, complanari all esterno, a gradino ecc. Nella camera centrale, creata appositamente di dimensioni maggiori, deve essere inserito un rinforzo in acciaio zincato per aumentare la stabilità del serramento (che altrimenti sarebbe inferiore ai serramenti in legno o alluminio). Il punto di forza del serramento in PVC è sicuramente la sua eccellente capacità di isolare termicamente; a seconda del numero di camere della sezione e del numero di guarnizioni si possono ottenere valori di trasmittanza termica (U f ) del nodo anta-telaio che possono variare da 1,5 W/m 2 K fino a 1,0 W/m 2 K (Figura 2.8). Figura 2.8: Serramenti in PVC In alcuni casi, se viene aggiunto del poliuretano espanso all interno delle camere (Figura 2.9), si ottengono valori di trasmittanza termica (U f ) inferiori a 1,0 W/m 2 K. Figura 2.9: Serramenti in PVC 43

46 Grazie a alla sua caratteristica di isolante termico permette di ottenere rilevanti risparmi energetici perché, a parità di spessore, hanno valori di trasmittanza termica molto inferiori dei serramenti in alluminio o legno. La tenuta agli agenti atmosferici è ottenuta mediante doppia o tripla guarnizione che funziona per compressione. Nei modelli a giunto aperto viene mantenuta una guarnizione complanare al perimetro dell anta e sulla battuta, ma la resistenza agli agenti atmosferici è assicurata da una guarnizione in materiale plastico posta in posizione centrale che opera principalmente a flessione. Sono presenti, inoltre, i profili per il fermavetro a scatto che può essere di varie forme, smussato o arrotondato, in base alla forma dei profili principali. Nel serramenti in PVC l evoluzione è consistita soprattutto nell aumentare il numero di camere in modo da massimizzare la stabilità finale del profilo. Secondo il PVC Forum Italia - Centro di informazione sul PVC, al giorno d oggi, meno del 20% dei serramenti venduti in Italia è realizzato in PVC mentre la quota sale ben oltre al 50% nei paesi del Nord Europa. Per imporsi sul mercato del serramento alle aziende produttrici di PVC non sono bastati gli elevati livelli prestazionali ed i costi bassi, le principali problematiche che la filiera del PVC ha dovuto affrontare negli ultimi anni riguardano la riduzione degli impatti ambientali. PVC Forum Italia Centro di Informazione sul PVC, attraverso il marchio SIPVC (associazione senza fini di lucro che riunisce le principali aziende di produzione e trasformazione del PVC italiane), a tale scopo ha predisposto una Dichiarazione di eco-compatibilità e di lunga durata con la quale le aziende associate garantiscono: L'utilizzo di risorse naturali ed ad oggi non rinnovabili per il 47% (petrolio) e inesauribili per il 53% (sale); La riciclabilità al 100% dei propri prodotti; Che il processo produttivo avviene con metodi di "best practices" limitando il più possibile il dispendio di energia; Che i prodotti, in condizioni standard di riferimento, mantengono inalterate le proprie eccellenti prestazioni per un lungo periodo di tempo; Che i manufatti sono conformi alle norme di prodotto UNI EN e UNI EN e che sono marcati CE per il settore delle costruzioni; Il pieno rispetto del Regolamento REACH sulle sostanze chimiche; 44

47 Che i manufatti sono prodotti senza l utilizzo di metalli pesanti e, nel caso di utilizzo di materiale riciclato, che la presenza di eventuali metalli pesanti è conforme ai limiti di legge e al Regolamento REACH; Che i serramenti e gli avvolgibili sono il classico esempio di PVC-U, cioè di PVC rigido non plastificato, cioè esente da qualsiasi tipo di plastificante; Che i serramenti e gli avvolgibili sono dotati di specifici analisi del ciclo di vita (LCA) secondo le norme UNI EN ISO e Tabella 2.10: Proprietà e prestazioni dei serramenti in PVC Nelle analisi eseguite in questo elaborato è stato scelto di utilizzare serramenti con nodo anta-telaio in PVC perché, come descritto nei paragrafi precedenti, hanno numerosi vantaggi rispetto al legno o alluminio tra cui: impermeabilità, leggerezza, bassa conduttività termica, manutenzione quasi assente, ottimo isolamnento termico e acustico e soprattutto un prezzo inferiore. A parità di spessore, rispetto a serramenti in legno o in alluminio, i serramenti in PVC assicurano prestazioni termiche migliori. 45

48 2.3.2 Componenti vetrate: principali caratteristiche e strutture Le linee di ricerca attuali considerano il serramento come un complesso sistema filtro selettivo capace di interagire con i campi di forze esterni trasformandoli in risorse per la riduzione dei consumi energetici dell edificio (estivi ed invernali). Inoltre, l infisso deve garantire il comfort degli utenti attraverso il controllo delle condizioni microclimatiche interne. Tutto questo è permesso dalla componente vetrata del serramento che, in base alla sua natura e composizione, permette il passaggio di una determinata frazione di energia termica proveniente dall esterno. Allo scopo di limitare le dispersioni, la risposta del settore del serramento è stata quella di puntare sul raggiungimento di livelli prestazionali sempre più alti nell isolamento termico e nella tenuta, fino a raggiungere risultati spesso competitivi anche con quelli dell involucro opaco. L attuale tecnologia del vetro, ad esempio, offre alte prestazioni oltre la trasparenza, legate alle prestazioni energetiche e di comfort. A seconda della zona climatica e degli obiettivi del progetto si possono effettuare diverse scelte tecniche che vanno dal semplice vetrocamera ad isolamenti molto più sviluppati grazie all impiego di gas saturi o di stratificazioni di vetro fino ad arrivare a soluzioni che sfruttano nanotecnologie e l utilizzo del vuoto. Il grado di isolamento può migliorare notevolmente a seconda del tipo di vetro e del riempimento dell intercapedine. I valori limite di trasmittanza termica (U g ) che devono rispettare le chiusure trasparenti, considerando le sole prestazioni dei vetri, sono contenuti in Tabella In seguito all aggiornamento del Dlgs 311/06 con il Dlgs 56/2010 i valori limite contenuti nella Tabella 4b dell Allegato C sono in vigore dal 1 Luglio 2010 e non dal 1 Gennaio 2011: Tabella 2.11: Valori limite della trasmittanza termica Ug delle componenti vetrate 46

49 Vetrocamera semplice Essi sono composti da due lastre di vetro, di spessore variabile dai 4 ai 6 mm, separate da un intercapedine, con spessore che varia dai 12 ai 16 mm, riempita d'aria ed uniti con una cornice, nella maggior parte dei casi in alluminio, contenente sali igroscopici in grado di assorbire l eventuale umidità ed incollati perimetralmente con prodotti che ne assicurano la tenuta e l impermeabilità (ad esempio il butile). In Figura 2.12 è rappresentata la struttura del vetrocamera semplice. Figura 2.12: Struttura vetrocamera semplice Rispetto al vetro semplice ha maggiori capacità isolanti grazie alla doppia lastra di vetro e soprattutto grazie all intercapedine d aria che funge da isolante termico. Nonostante questa miglioria tecnica i vetrocamera a due lastre semplici con intercapedine contenete aria hanno una trasmittanza termica (U g ) di circa 3,0 W/m 2 K. Nello studio svolto in questa tesi è stato scelto un vetrocamera semplice con le seguenti caratteristiche: Nome Composizione Ug [W/m 2 K] Fattore solare G VETRO_ ,8 0,755 I valori di trasmittanza termica (U g ) ottenibili da questa tipologia di vetro sono insufficienti per rientrare nei limiti, indicati in Tabella 2.11, imposti dal Dlgs 56/2010 (solo due comuni, Lampedusa e Porto Empedocle, sono in zona A). Per contenere le perdite di calore entro un livello massimo ammissibile dovrebbero avere almeno una trasmittanza U < 2,0 W/m 2 K. Per ottenere valori di trasmittanza termica (U g ) inferiori si deve applicare un rivestimento detto basso emissivo durante la fabbricazione del vetro. 47

50 Vetrocamera basso emissivo semplice La struttura del vetrocamera basso emissivo è la stessa del vetrocamera semplice ovvero: due lastre di vetro, di spessore variabile dai 4 ai 5 mm, separate da un intercapedine, con spessore che varia dai 12 ai 16 mm, contenente sali igroscopici in grado di assorbire l eventuale umidità ed incollati perimetralmente con prodotti che ne assicurano la tenuta e l impermeabilità (ad esempio il butile). Come anticipato precedentemente, per ottenere valori di trasmittanza termica (U g ) inferiori a quelli ottenibili con il vetrocamera semplice, quindi prestazioni di isolamento termico migliori, si deve applicare un rivestimento basso emissivo durante la fabbricazione del vetro. Il rivestimento basso emissivo è uno scarso trasmettitore di calore, per ridurre l interscambio si adoperano sottili strati di materiali dielettrici, ossidi metallici e metalli alternati (Figura 2.14), la cui principale caratteristica è quella di essere trasparenti nel visibile e altamente riflettenti nel lontano infrarosso. Questo trattamento permette di raggiungere un emissività pari a 0,04, molto bassa rispetto a quella di un vetro non trattato che è pari a 0,84 (Figura 2.13) Figura 2.13: Spettro remissività vetro basso emissivo Il rivestimento basso emissivo, che può essere realizzato mediante due processi, si divide in due gruppi: rivestimento magnetronico (ossidi metallici depositati sotto vuoto mediante processo elettromagnetico) o rivestimento pirolitico (ossidi metallici depositati tramite pirolisi all uscita del forno e ad alte temperature). 48 Figura 2.14: Struttura rivestimento basso emissivo

51 Il rivestimento basso emissivo viene applicato sulla superficie all interno dell intercapedine nella lastra interna del vetrocamera (Figura 2.15), in tal modo il buona parte del calore assorbito dal vetro rivestito viene riflesso verso l interno della stanza e non si sposta verso la lastra esterna; permettendo allo stesso tempo al calore derivante dagli apporti solari di entrare liberamente, fenomeno noto come guadagno solare passivo. Figura 2.15: Rivestimento basso emissivo su vetrocamera In base alla tipologia di vetri installati e grazie a questo rivestimento si possono ottenere valori di trasmittanza termica (U g ) vicini a 1,4 W/m 2 K. Nello studio svolto in questa tesi è stato scelto un vetrocamera basso emissivo semplice con le seguenti caratteristiche: Nome Composizione Ug [W/m 2 K] Fattore solare G VETRO_2 4 BE ,4 0,610 I doppi vetri con rivestimento basso emissivo sono elementi architettonici in grado di incrementare l isolamento termico degli ambienti, rispetto ai doppi vetri tradizionali. Per massimizzare l isolamento termico al posto di iniettare nell intercapedine aria secca possono essere iniettati gas nobili quali Argon (Ar), Xenon (Xe) e Kripton (Kr) o miscele degli stessi con percentuali che variano dal 90 al 95% di gas nobile. Tra i gas più impiegati vi è sicuramente l Argon, caratterizzato da un ottimo rapporto prezzo/prestazioni, mentre più raramente vengono utilizzato lo Xenon e il Krypton a causa dell elevato costo. L utilizzo di gas Argon, o di una miscela dello stesso, per la realizzazione di vetri isolanti consente di abbassare ulteriormente il valore di trasmittanza termica (U g ) in quanto caratterizzato da una minore conducibilità termica rispetto all aria permette di ridurre la dispersione termica attraverso il vetro. 49

52 In Figura 2.16 sono riportati i valori secondo UNI EN 673 della trasmittanza termica di un vetrocamera composto da due vetri float da 6 mm, non rivestiti, in funzione dello spessore dell intercapedine e del gas di riempimento. Figura 2.16: Andamento del valore di trasmittanza termica di un vetrocamera 6/camera/6 Si nota che, come è logico attendersi, aumentando lo spessore di gas a bassa conducibilità termica il valore-u diminuisce. C è però uno spessore dell intercapedine superato il quale l isolamento termico non migliora ulteriormente ma tende a peggiorare leggermente. È in corrispondenza a questo spessore, variabile in funzione della differenza di temperatura fra le facce delle lastre che racchiudono l intercapedine e delle proprietà del gas di riempimento, che hanno inizio i moti convettivi il cui effetto negativo è superiore a quello positivo dell aumento di spessore dell intercapedine contenete il gas isolante. Ciò rende inutile l applicazione di dell intercapedini superiori allo spessore limite. Un altro accorgimento che permette di abbassare ulteriormente il valore di trasmittanza termica (Ug) del vetrocamera è l adozione di distanziatori Warm Edge TGI (Figura 2.17) al posto dei comuni distanziatori in alluminio. Figura 2.17: Distanziatori Warm Edge TGI 50

53 I distanziatori Warm Edge TGI sono realizzati in acciaio inossidabile accoppiato con polipropilene, un materiale plastico di alta qualità che migliora le proprietà meccaniche e l isolamento termico del profilo, grazie alla sua bassa conduttività. La perfetta unione dei due materiali riduce notevolmente lo scambio termico e garantisce al contempo ottime prestazioni di impermeabilità al gas e tenuta all umidità. Per questo motivo il distanziatore TGI é un profilo Warm Edge : il basso valore Psi (Ψ) del bordo favorisce un migliore valore trasmittanza termica della finestra, indipendentemente dal materiale utilizzato per anta e telaio. In base alla tipologia di vetri installati, al rivestimento basso emissivo e all utilizzo del distanziatore Warm Edge TGI si possono ottenere valori di trasmittanza termica (U g ) che possono raggiungere valori da 1,2 W/m 2 K a 1,0 W/m 2 K utilizzando gas argon all interno dell intercapedine. Negli ultimi anni nel settore dei serramenti si sta facendo sempre più attenzione al fattore solare del vetro G ossia la percentuale di energia, conforme alla norma EN 410, che attraversa il vetro in rapporto all energia solare incidente, esso è pari al flusso trasmesso più il flusso ritrasmesso verso l'interno del locale per convezione e irraggiamento (Figura 2.18). Quanto più basso è il fattore solare G, tanto meno importanti sono gli apporti energetici derivanti dall energia derivante dal sole. Figura 2.18: Fattore solare G delle superfici vetrate I vetri basso emissivi hanno un alto fattore solare, che può arrivare intorno al 70%, questo li rende perfetti per la stagione invernale, ma molto meno per quella estiva, soprattutto in zone molto calde e soleggiate. Come si può capire il principale problema dei vetri basso emissivi è l'irraggiamento solare, che se d inverno apporta energia termica gratuitamente ed è quindi positivo; d'estate questo, a determinate latitudini e per grandi superfici vetrate, può essere un problema per il raffrescamento dell'edificio. 51

54 Vetro triplo basso emissivo con gas nelle due intercapedini I vetri tripli sono comparsi sul mercato successivamente ai doppi vetri con lo scopo di migliorare le prestazioni delle superfici vetrate per renderle più vicine a quelle delle superfici opache in muratura. Come si può vedere in Figura 2.19 la composizione è data da: vetro esterno con trattamento basso emissivo verso l interno, prima intercapedine di spessore variabile contenente gas, vetro centrale, seconda intercapedine di spessore variabile contenente gas, vetro interno con trattamento basso emissivo. Figura 2.19: Composizione triplo vetro Per poter raggiungere valori di trasmittanza termica (U g ) che variano da 0,8 W/m 2 K fino a 0,5 W/m 2 K (nei più moderni sistemi) si devono combinare alla perfezione lo spessore dei distanziatori, meglio se del tipo Warm Edge TGI, e la tipologia di gas nobile, quali argon, xenon o kripton, all interno delle intercapedini. Gli spessori tipici delle intercapedini variano dai 10 mm ai 16 mm e si ottengono tripli vetri con spessore complessivo che varia, in funzione dello spessore dei singoli vetri, dai 44 mm ai 52 mm. I tripli vetri, tuttavia, a fronte di valori di trasmittanza termica minori rispetto ai doppi vetri, hanno lo svantaggio di assorbire una maggiore quantità di luce e dunque di essere poco trasparenti con valori di fattore solare G in molti casi inferiore a 0,5. Nello studio svolto in questa tesi è stato scelto un triplo vetrocamera basso emissivo con Argon nelle intercapedini con le seguenti caratteristiche: Nome Composizione Ug [W/m 2 K] Fattore solare G VETRO_3 4 BE 16 Ar 4 16 Ar 4 BE 0,6 0,400 52

55 I tripli vetri rispetto ai doppi vetri, che in molti casi già in conformazione standard raggiungono valori di fattore solare G superiori a 0,5, difficilmente nella conformazione standard riescono a superare tale valore penalizzando notevolmente gli apporti gratuiti provenienti dalla radiazione solare. Per far in modo di avere elevate prestazioni di isolamento termico ed elevato fattore solare nei tripli vetri, come per i doppi, si ricorre all utilizzo di vetri extrachiari con trattamento basso emissivo che riflette molto efficacemente l infrarosso lungo (low-e) all interno di una stanza, massimizzando nel contempo la trasmissione della luce naturale e la radiazione solare corta. Questa tipologia di vetri viene utilizzata, in modo particolare, per ridurre le spese di riscaldamento durante il periodo invernale perché si cercano di sfruttare il più possibile gli apporti derivanti dall energia dei raggi solari entranti nei locali. Sebbene siano delle vetrate isolanti uno svantaggio è che durante il periodo estivo, a certe latitudini e per superfici vetrate molto estese, la quota di energia entrante derivante dai raggi solari provoca un innalzamento della temperatura nei locali e quindi maggiori spese di raffrescamento. Le prestazioni tipiche di trasmittanza termica (U g ), lievemente maggiori rispetto ad un triplo vetro basso emissivo in conformazione standard, con gas argon nelle intercapedini si aggirano attorno a valori di 0,6-0,8 W/m 2 K. Per quanto riguarda il fattore solare G, i valori più comuni variano da un minimo di 0,52 fino a raggiungere valori vicini o superiori allo 0,6. 53

56 Vetrocamera basso emissivo con Aerogel monolitico nell intercapedine L Aerogel fu scoperto circa 80 anni fa da Kistler, è una sostanza sottoforma di gel secco ottenuta nella maggior parte dei casi mediante un processo di sintesi molto complesso in condizioni di essicazione supercritiche. La struttura ottenuta, un reticolo interno di catene di biossido di silicio (SiO 2 ) con un gran numero di micro porosità riempite di aria secca, è molto leggera (la sua densità può avere valori di kg/m 3 ) e ha proprietà fisiche, termiche, ottiche e acustiche di rilievo che dipendono sia dal processo di sintesi sia dalla fonte di silice. L Aerogel tra i materiali solidi ha la minor conduttività termica, che si aggira attorno al valore di 0,010, tuttavia questo materiale è molto fragile e deve essere evitato il contatto con l acqua e l umidità. Sul mercato l Aerogel è presente in due forme: Aerogel opaco: esso è sottoforma di mantelli flessibili ottenuti dall aggiunta di fibre nel gel durante il processo di essicazione, questo permette di ridurre la fragilità del materiale portando la conduttività termica a circa 0,13, il problema è che ha un costo di dieci volte superiore rispetto a materiali con le stesse proprietà; Aerogel trasparente: esso è disponibile sottoforma di pannelli o in granuli, inseriti all interno del vetrocamera offrono eccellenti proprietà termiche, buon apporto di energia proveniente dai raggi solari e buon abbattimento acustico; i sistemi vetrati con Aerogel monolitico non sono ancora utilizzati in larga scala (i primi prototipi comparsi sul mercato risalgono al 2005). L Aerogel monolitico ha buone proprietà ottiche ma ha la tendenza di diffondere la luce trasmessa con il risultato che gli oggetti visti attraverso esso risultano offuscati, in forma di pannello questo è meno marcato rispetto ai granuli (Figura 2.20). Figura 2.20: Aerogel monolitico in forma di granuli e pannelli 54

57 Inoltre, la resa dei colori è modificata rispetto alla realtà e questo è un problema che ha frenato molto l utilizzo dell Aerogel nei vetri delle finestre, influenzando le caratteristiche della luce in entrata modifica l aspetto e il colore delle superfici. L Aerogel monolitico sottoforma di pannelli ha un valore di trasmissione luminosa pari a 0,60 che è molto inferiore rispetto a quello del vetro che è circa 0,90. La realizzazione di sistemi vetrati con Aerogel all interno dell intercapedine è un processo molto complesso a causa delle caratteristiche dell Aerogel stesso. Sia per la comodità di utilizzo che per le migliori proprietà ottiche è più utilizzato l Aerogel in pannelli, i quali possono essere di vari spessori e vengono assemblati tra una lastra di vetro normale all esterno e una con trattamento basso emissivo all interno (Figura 2.21). Figura 2.21: esempio di sistema vetrato con Aerogel La trasmissione luminosa, il parametro ottico più importante nell illuminazione diurna degli ambienti, e il valore di trasmittanza termica generale del vetro (U g ) sono influenzate dallo spessore del pannello racchiuso tra le due lastre di vetro (come illustrato in Figura 2.22). Figura 2.22: trasmittanza termica in funzione dello spessore di Aerogel 55

58 Le prestazioni tipiche di trasmittanza termica (U g ) si attestano attorno a valori di 0,6-0,8 W/m 2 K, molto simili a quelle ottenute con un triplo vetro con gas Argon nelle intercapedini. La trasmissione luminosa, se confrontata con quella di un triplo vetro a parità di trasmittanza termica, risulta inferiore del 13%. Nello studio svolto in questa tesi è stato scelto un vetrocamera basso emissivo con Aerogel monolitico sottoforma di pannelli all interno dell intercapedine con le seguenti caratteristiche: Nome Composizione Ug [W/m 2 K] Fattore solare G VETRO_4 4 BE 16 Aerogel 4 0,7 0,408 Questa tipologia di sistema vetrato è ancora in fase di studio per riuscire a migliorare il processo di produzione dell Aerogel rendendolo il più trasparente possibile e per renderlo industrializzabile riducendone sensibilmente i costi. 56

59 Vacum glazings Il primo prototipo di Vacum glass fu realizzato nel 1913 da Zoller ma successivamente non fu più prodotto fino al Il principio alla base di questa tipologia di vetri, è la realizzazione del vuoto all interno dell intercapedine che può essere completamente o parzialmente svuotata del suo contenuto d aria fino al raggiungimento della pressione assoluta pari a 1/ atm al fine di aumentarne la resistenza termica diminuendo gli scambi radiativi e annullando gli scambi convettivi tra le lastre. Per evitare, però, che le lastre distanti 0,3-0,5mm collassino a causa della depressione, è necessario disporre, come si vede in Figura 2.23, dei sistemi di separazione (spacers o pillars). Figura 2.23: Struttura Vacum glasses La realizzazione del vuoto all interno di vetri con trattamento basso emissivo permette di raggiungere valori di trasmittanza termica (U g ), simili a quelli raggiungibili con tripli vetri basso emissivi, che variano da 0,6 a 0,9 W/m 2 K. Il problema principale di questa tipologia di vetri è la presenza di puntini opachi dovuti alla presenza dei distanziatori che, come si vede in Figura 2.24, devono essere posizionato ogni 40 mm. Figura 2.24: Posizionamento dei distanziatori (pillars) 57

60 Per aumentare le prestazioni di questi sistemi vetrati, ottenendo valori di trasmittanza termica inferiori a quelli ottenibili con vetri tripli, si deve ricorrere a soluzione ibride. Un esempio di questa soluzuzione è il sistema SPACIA-21, realizzato dalla collaborazione di NGS e Pilkington, il quale prevede la combinazione (Figura 2.25) di: sistema Vacum glass all interno, intercapedine riempita con gas Argon, vetro esterno con rivestimento basso emissivo rivolto verso l interno. Figura 2.25: Struttura sistema SPACIA-21 Con le soluzioni ibride di vetrocamera isolante con Vacum glass si possono ottenere prestazioni di isolamento termico elevato con spessori totali del vetro inferiori rispetto ad un vetro triplo, i valori di trasmittanza termica (U g ) ottenuti sono inferiori a 0,6 0,7 W/m 2 K e si possono raggiungere valori vicini a 0,3 0,4 W/m 2 K progettando accuratamente sia gli spessori di vetro ed intercapedine che il gas di riempimento dell intercapedine maggiore. studio svolto in questa tesi è stato scelto un Vacum glass formato con le seguenti caratteristiche: Nome Composizione Ug [W/m 2 K] Fattore solare G VETRO_5 4BE-1 Vacum-4-16Ar 4BE 0,4 0,408 Altri fattori che limitano molto l utilizzo dei Vacum glass e delle soluzioni ibride su larga scala, oltre a quello estetico e visivo della presenza dei distanziatori, sono l elevato costo di realizzazione causato dalle speciali attrezzature necessarie. 58

61 Vetri a controllo solare Una soluzione al problema dell eccessivo surriscaldamento degli ambienti interni, durante il periodo estivo, dovuto agli apporti solari possono essere i vetri a controllo solare. Questi vetri, caratterizzati da un fattore solare G basso, diminuiscono la quota di energia termica derivante dai raggi solari entranti diminuendo i costi di raffrescamento ma, durante il periodo invernale, comportano un aumento dei costi di riscaldamento poiché limitano gli apporti energetici gratuiti derivanti dai raggi solari. Il vetro a controllo solare è un prodotto ad elevato contenuto tecnologico realizzato dall'industria del vetro per consentire il passaggio della luce solare attraverso una finestra o la facciata di un edificio, operando contemporaneamente la riflessione all'esterno di gran parte del calore solare. In questo modo gli spazi interni rimangono luminosi e molto più freschi rispetto all'impiego di vetro normale. Il vetro a controllo solare, che non necessariamente deve essere colorato o a specchio, incorpora degli strati invisibili di speciali materiali che possiedono la duplice proprietà di consentire il passaggio della luce solare respingendone però il buona parte del calore. Il suo funzionamento, illustrato in Figura 2.26, consiste nel controllare la radiazione termica di origine solare mediante i meccanismi di riflessione, trasmissione ed assorbimento. Figura 2.26: Vetri a controllo solare In climi caldi o negli edifici con elevati carichi termici entranti, perché molto esposti o con elevata superficie vetrata, il vetro a controllo solare minimizza il guadagno solare respingendo le radiazioni e contribuendo ad eliminare l'abbagliamento. In condizioni climatiche più temperate questa funzione offre un buon equilibrio tra controllo solare e alti livelli di luce naturale. 59

62 Vetri selettivi basso emissivi Un altra possibile soluzione al problema dell eccessivo surriscaldamento degli ambienti interni, durante il periodo estivo, dovuto agli apporti solari possono essere sono i vetri selettivi che prendono il meglio dai vetri basso emissivi e da quelli a controllo solare: nei periodi invernali trattengono il calore all interno dell ambiente mentre nei periodi estivi riflettono i raggi solari limitando gli apporti solari. I vetri selettivi sono caratterizzati dalla presenza di particolari rivestimenti basso emissivi che permettono il passaggio di una sola componente della radiazione luminosa, quella nel campo del visibile che dunque consente un ottima illuminazione, bloccando invece le radiazioni a più alta lunghezza d onda come quelle situate nel campo dell infrarosso che sono responsabili dell incremento della temperatura. Da un punto di vista costruttivo una vetro selettivo viene realizzato esattamente come uno basso emissivo, ovvero applicando un deposito sottilissimo di metallo (o di ossido metallico), che può essere realizzato sia con processo magnetronico, piuttosto che pirolitico (come avviene più frequentemente per questa tipologia di vetri) e che viene posizionato però non sulla faccia interna del vetro interno (come avviene per i vetri basso emissivi), ma bensì sul lato interno del vetro esterno. I vetri selettivi avendo prestazioni intermedie rispetto a quelli riflettenti e a quelli basso emissivi, sono particolarmente indicati per aree climatiche caratterizzate da condizioni climatiche variabili, sia in inverno che in estate, tipiche di molte zone del nostro paese. Durante la stagione invernale, infatti, una vetrata selettiva è in grado di trattenere il calore generato all interno dei locali d abitazione limitando le dispersioni termiche ma limita gli apporti solari gratuiti provenienti dall esterno per irraggiamento, nonostante ciò non pregiudica in alcun modo il confort ambientale (Figura 2.24). In estate invece la sua caratteristica di limitare gli apporti provenienti dall esterno per irraggiamento diventa essenziale in quanto riesce a minimizzare l effetto serra che altrimenti si verrebbe a creare all interno degli ambienti a causa del trattenimento del calore interno riflesso (Figura 2.27). 60 Figura 2.27: Vetri selettivi, principio di funzionamento

63 Switchable liquid shading system Considerando che fabbisogno e richiesta energetica variano sia al variare delle stagioni sia al variare delle condizioni climatiche all interno della stessa stagione, anche gli apporti energetici solari devono variare con esso. Gli apporti solari durante il periodo estivo devono essere i più bassi possibili per non aumentare il carico necessario al raffrescamento, in inverno invece dovrebbero essere più alti possibile per ridurre i carichi termici richiesti all impianto di riscaldamento; queste diverse esigenze richiedono dei sistemi che permettano di adattare le proprietà dei sistemi vetrati alle condizioni esterne. Questo sistema, chiamato anche smart window, integra in una normale struttura vetrata un sistema commutabile di schermatura attraverso un liquido inserito all interno di un intercapedine che permette alla vetrata di adattarsi, in termini di proprietà termiche e visive, alle condizioni esterne. In Figura 2.28 è possibile vedere che la struttura di questa tipologia di sistema deriva dalla struttura di un vetrocamera al quale è stato sostituito il vetro esterno con altri due vetri separati da una sottile intercapedine (circa 1,5 mm) che contiene il liquido che esegue la schermatura. Figura 2.28: Struttura smart window L innovazione principale è data dallo speciale liquido utilizzato, caratterizzato da bassa viscosità e deboli legami chimici con il vetro, che nel riempire e svuotare l intercapedine su tutta la superficie del vetro non lascia alcun residuo; un altra caratteristica fondamentale per il liquido è che non deve né evaporare né congelare all interno del sistema. 61

64 La presenza del liquido e lo speciale funzionamento al variare delle condizioni esterne richiede un sistema di funzionamento (Figura 2.29) appositamente progettato: attorno al telaio del serramento deve essere previsto un serbatoio che contiene il liquido quando il sistema è impostato per elevata trasmittanza, deve esser previsto un serbatoio contenente il gas che compensa la presenza del liquido finestra; un sistema distributivo che serve a trasportare sia il gas che il liquido dagli appositi serbatoi fino all interno dell intercapedine; una micro pompa necessaria al pompaggio del liquido all interno e successivamente all esterno della cavità. Figura 2.29: Sistema di funzionamento della smart window L intero sistema è progettato per essere controllato automaticamente a seconda delle condizioni climatiche esterne e dei parametri di comfort interno pre-impostati: l immagine a sinistra in Figura 2.30 rappresenta il tipico comportamento in regime invernale o quando è richiesto di massimizzare l apporto derivante dalla radiazione solare, l immagine a destra in Figura 2.30 rappresenta il tipico comportamento in regime estivo in cui deve essere limitata la radiazione entrante per minimizzare i carichi di raffrescamento. Nelle stagioni intermedie il funzionamento dipende dalle condizioni climatiche, dall intensità solare e dalla temperatura esterna. 62 Figura 2.30: Funzionamento invernale ed estivo della smart window

65 2.4 Impianto di riscaldamento Il passo successivo all aumento (se prima scarso) o all applicazione (se prima inesistente) dell isolamento termico delle componenti opache e trasparenti nella ristrutturazione di edifici residenziali, con lo scopo di diminuire le dispersioni termiche, è la sostituzione dell impianto di riscaldamento con uno a maggiore efficienza. La sostituzione degli impianti esistenti con altri a maggiore efficienza permette di ridurre i consumi relativi al riscaldamento invernale ed al raffrescamento estivo e quindi di avere un miglioramento energetico. Le principali soluzioni impiantistiche che possono esser utilizzate nella ristrutturazione energetica di edifici residenziali sono le caldaie a condensazione e le pompe di calore, nei prossimi paragrafi verranno descritte brevemente queste due tipologie Caldaie a condensazione Le caldaie a condensazione si vanno sempre più diffondendo sia spinte da normative sempre più restrittive in termini di efficienza media stagionale, sia per effetto delle incentivazioni economiche presenti a livello nazionale. Il processo di combustione del metano, come quello di qualsiasi altro idrocarburo, porta a definire due valori limite della quantità di calore prodotta per unità di massa del combustibile: il primo comprende il calore latente dei fumi e prende il nome di potere calorifico superiore (pcs) espresso in [MJ/kg], il secondo tiene conto solo del calore sensibile dei fumi, minore del precedente, e prende il nome di potere calorifico inferiore (pci) espresso sempre in [MJ/kg]. Per il gasolio la differenza tra potere calorifico inferiore e superiore è del 6%, mentre per il gas metano sale fino all 11%. Maggiore è la differenza tra potere calorifico superiore e potere calorifico inferiore, maggiori sono le possibilità di utilizzo della tecnica della condensazione. Le caldaie a temperatura costante, dove il combustibile maggiormente utilizzato era il gasolio, non sono idonee ad operare in regime di condensazione dei fumi e sono state attuate tutte le possibili strategie per evitare la condensa visto che la presenza di composti contenenti zolfo nei fumi poteva originare sostanze aggressive (acido solforico) per i principali metalli con cui erano costruite le tubazioni. 63

66 Il vapor d acqua, prodotto dalla reazione di combustione del metano CH O 2 = CO H 2 O + calore di combustione comincia a condensare al di sotto della temperatura di rugiada, dell ordine di 59 C, temperatura alla quale la pressione parziale del vapore contenuto nei fumi è pari alla pressione di saturazione e, per combustione stechiometrica, alla pressione atmosferica. In altre parole a 59 C il contenuto di vapor d acqua nei fumi è massimo e, ad una temperatura appena inferiore, incomincia a separarsi in forma liquida. In questo modo si abbassa la pressione parziale del vapore, quindi il contenuto di vapore nei fumi è diminuito, e la pressione di saturazione viene raggiunta a temperature più basse (Figura 2.31); per potere fare condensare tutto il vapore d acqua presente nei fumi occorre pertanto che questi continuino a raffreddarsi. Figura 2.31: Temperatura di rugiada dei fumi nella caldaia a condensazione Per sfruttare al meglio la condensazione è di fondamentale importanza che la combustione si avvicini il più possibile le condizioni stechiometriche ideali sia per mantenere una temperatura di rugiada dei fumi più alta possibile in modo da raggiungere facilmente le condizioni di condensazione, sia per poter usufruire ancora di una temperatura utile relativamente elevata con cui alimentare l impianto di riscaldamento. Per riuscire a creare queste condizioni nelle caldaie a condensazione i bruciatori sono sempre del tipo ad aria soffiata con controlli modulanti sofisticati in modo da limitare ogni eccesso d aria che andrebbe ad alterare le condizioni di combustione. L incremento di efficienza nella generazione di calore non si è limitato solo alla quota del condensato, il raffreddamento dei fumi al di sotto del punto di rugiada ha consentito anche un recupero del calore sensibile dei fumi valutabile in 4-5 punti percentuali. 64

67 Queste caldaie oltre a limitare le emissioni di CO 2 in atmosfera, dato l elevato rendimento, risultano avere anche il minimo impatto ambientale per quanto riguarda l emissione degli ossidi di azoto (NO x ) visto il basso livello termico dei fumi. Un problema che si deve affrontare è lo scarico delle condense acide dei fumi della combustione, una caldaia a condensazione scarica meno di un litro di condensa per metro cubo di gas metano bruciato. Il rendimento di produzione del calore (Figura 2.32) trova le sue limitazioni maggiori nella tipologia di impianto che deve servire, può raggiungere valori del 108% se l impianto è del tipo a bassa temperatura (pavimento o soffitto radiante), ha comunque rendimenti maggiori delle comuni caldaie in commercio (Figura 2.33). Figura 2.32: Rendimento al variare del carico Se come combustibile c è il gasolio ogni discorso di condensazione sembra precluso dalla presenza dello zolfo e quindi dalla sicura esistenza di acido solforico nelle condense dei fumi, inoltre la quota entalpica latente è circa la metà di quella del gas naturale.nonostante ciò esistono in commercio caldaie a gasolio realizzate per la condensazione, si distinguono da quella per la combustione a gas per le seguenti caratteristiche: Il punto di rugiada dei gas di combustione prodotti dal gasolio è inferiore di 10K rispetto a quello del gas combusto perciò la condensazione ha inizio più tardi, La differenza tra pci e pcs è 6% quindi il ricavo supplementare di energia è inferiore, La progettazione e la scelta dei materiali da impiegare per le caldaie a gasolio a condensazione è condizionata dalla presenza di zolfo nel combustibile. L acqua di condensa deve essere completamente trattata mediante un apposito impianto di neutralizzazione. 65

68 In Figura 2.33 sono raffigurati i rendimenti dei principali sistemi di riscaldamento in funzione del carico. Figura 2.33: Rendimenti dei vari sistemi di riscaldamento Ai fini del contenimento dei consumi energetici la legislazione vigente in materia impone che il rendimento dei generatori termici, in nuovi edifici o in ristrutturazioni energetiche, non sia inferiore ad un valore minimo corrispondente a: i =(j+2logm 0 )% con X=90 per le zone climatiche A, B, C; X=95 per le zone D, E, F, dove m 0 è la potenza nominale resa dal generatore di calore espressa in W. Il rispetto dei valori minimi del rendimento, unitamente ai valori minimi di trasmittanza termica richiesti per i componenti dell involucro edilizio, consentono la verifica automatica delle prestazioni energetiche dell edificio. La stessa norma di legge impone che la temperatura del fluido termovettore sia al massimo di 60 C. Gli impianti che sicuramente sfruttano appieno le prestazioni delle caldaie a condensazione sono tutti quegli impianti funzionanti a bassa temperatura (temperatura massima di ritorno inferiore a 55 C) in modo tale che i fumi della caldaia possano cedere totalmente il calore latente di condensazione in ogni condizione di esercizio dell impianto. Tipici impianti di riscaldamento aventi queste caratteristiche sono gli impianti a pannelli radianti di qualunque tipo (pavimento, parete, soffitto) o ventilconvettori. La caldaia a condensazione può essere vantaggiosamente impiegata anche nel caso di una sostituzione di una vecchia caldaia con impianto tradizionale. 66

69 2.4.2 Pompa di calore Con il termine pompa di calore si intende un sistema che, operando con continuità, preleva calore da una sorgente a temperatura più bassa rendendolo disponibile (assieme all equivalente termico dell energia impiegata per rendere possibile questa operazione) per utilizzo esterno ad una temperatura che è mediamente superiore. Il nome di pompa di calore deriva quindi dall operazione di elevazione del livello termico di energia disponibile come calore, questa operazione è utile quando l energia termica è resa utilizzabile ad una temperatura superiore a quella dell ambiente esterno. Il principio operativo su cui si basa la pompa di calore, come è visibile in Figura 2.34, è del tutto analogo a quello di un tradizionale impianto frigorifero, in termini ideali può essere rappresentato in maniera semplificata mediante un ciclo di Carnot inverso. Figura 2.34: Ciclo di Carnot inverso La differenza sostanziale è che per un impianto frigorifero si ha l asporto di calore da un sistema a temperatura inferiore a quella ambiente mentre per un impianto a pompa di calore si ha la cessione di calore ad un sistema a temperatura superiore a quella ambiente; alla luce di questa differenza risultano diversi i campi di temperatura entro cui operano gli impianti frigoriferi ed a pompa di calore. Le principali fonti di calore utilizzate in entrambi gli impianti possono essere sorgenti naturali appartenenti all ambiente esterno (suolo, aria o acqua) oppure fonti di calore artificiali (flussi di calore emessi da processi industriali e non). Le pompe di calore, oltre che per il riscaldamento, possono essere utilizzate anche per il raffreddamento in quanto il calore può venire poi trasferito nella direzione opposta cioè dall applicazione che viene refrigerata verso l ambiente circostante (quest ultimo sempre ad una più alta temperatura). Se la differenza di temperatura tra la sorgente calda e la sorgente fredda è elevata non vi è convenienza economica nell impiego di una pompa di calore rispetto all utilizzo diretto del calore di combustione dei tradizionali combustibili fossili. 67

70 In termini energetici, in fase di riscaldamento, le prestazioni di una pompa di calore si valutano per mezzo del valore del coefficiente di effetto utile (ε o COP) che è definito come: opm = R^^Rqqr RsRUtRqu-r vquwr RsRUtux sr-rxuux yru rqqrsruwr in termini di potenza risulta: opm= $ { * dove $ { è il calore fornito alla sorgente a temperatura più alta e * lavoro impiegato per effettuare la fornitura di calore. Il COP, variabile a seconda del tipo di pompa di calore e delle condizioni di funzionamento, in genere ha valori prossimi a 3. Questo valore è tanto maggiore quanto più bassa è la temperatura a cui il calore viene ceduto nel condensatore e quanto più alta la temperatura della sorgente da cui viene assorbito nell evaporatore, inoltre va tenuto conto che la potenza termica resa dalla pompa di calore dipende dalla temperatura a cui la stessa assorbe calore. Nelle pompe di calore elettriche a compressione i termini di questo rapporto diventano: al numeratore il calore fornito dalla pompa di calore [kw] e a denominatore l elettricità fornita al compressore [kw]; perciò per 1 kwh di energia elettrica consumato, fornirà 3 kwh di calore al mezzo da riscaldare. Nelle pompe di calore azionate da energia termica viene definito un altro coefficiente che indica il rapporto di energia primaria, Primary Energy Ratio (PER), dove l energia fornita rappresenta il potere calorifero superiore del combustibile. Per le pompe di calore ad azionamento elettrico tale coefficiente può essere definito moltiplicando il COP per l efficienza della produzione di energia: m,= i opm dove η è l efficienza di conversione dell input di energia primaria derivante dall azione del compressore. 68

71 Se la pompa di calore viene utilizzate per produrre freddo non si parla più di COP ma di EER, esso è calcolato come:,, = $ ) * dove $ ) è il calore prelavato dalla sorgente a temperatura più bassa e * lavoro impiegato per effettuare la fornitura di calore. Anche l EER, come il COP, sarà tanto maggiore quanto minore è la differenza di temperatura tra l ambiente da riscaldare e la sorgente di calore. I principali vantaggi derivanti dall utilizzo della pompa di calore sono: unico impianto ed un unico servizio di climatizzazione invernale ed estiva, inoltre può essere utilizzata anche per la produzione di acqua calda sanitaria; risparmi di energia che vanno dal 40 al 60% rispetto alle caldaie tradizionali a combustibile fossile, con conseguente riduzione delle emissioni inquinanti (CO 2, NO x, SO x ); per il funzionamento preleva il 75% dell energia dall ambiente (aria, acqua o suolo) mentre per il restante 25% ricorre ad energia elettrica; Un limite all utilizzo delle pompe di calore è che la temperatura dell acqua calda prodotta con le tecnologie attuali è abbastanza bassa e che comunque, al salire della temperatura, scende sensibilmente la resa. Esistono quattro tipologie fondamentali di pompa di calore: aria-aria; aria-acqua; acqua-aria; acqua-acqua; in cui il primo termine indica la tipologia di sorgente fredda mentre il secondo sta ad indicare la sorgente calda, nei paragrafi seguenti verrà fatta una breve descrizione di queste tipologie. 69

72 Pompa di calore acqua-aria e acqua-acqua Le pompe di calore acqua-aria e acqua-acqua sfruttano l acqua, superficiale (fiumi, laghi, mare, ) o di falda, come sorgente fredda a bassa entalpia. Considerando come sorgente fredda le acque superficiali si può dire che esse risentono, in maniera più o meno sensibile, le variazioni del clima esterno e quindi la loro temperatura è variabile nel corso della stagione invernale. Siccome nei periodi più freddi la temperatura dell acqua è sempre superiore alla temperatura dell aria l efficienza stagionale delle pompe di calore che utilizzano come sorgente fredda acque superficiali è superiore a quella delle pompe di calore ad aria. Hanno però il problema dello smaltimento delle acque utilizzate, ad esempio non possono essere re-immesse nei fiumi con un salto termico oltre 3 K. Nel caso di impiego di acqua dolce questi macchinari sono molto semplici da realizzare ma necessitano di un sistema di decontaminazione e filtraggio dell acqua per eliminare i vari sedimenti presenti, nel caso di acqua di mare siamo in presenza di temperature medie più elevate, e di conseguenza anche di efficienze superiori, ma di contro i vari componenti devono essere realizzati con materiali resistenti all acqua salata e alla salsedine e quindi ben più costosi. Le acque di falda invece hanno il vantaggio di avere una temperatura costante e sufficientemente elevata perciò anche la loro efficienza è maggiore rispetto al caso in cui la sorgente fredda è acqua superficiale. I problemi per questa soluzione consistono nel fatto che non dappertutto sono disponibili falde acquifere e, dove lo sono, non sempre c è il permesso di emungerle ed è necessario rispettare i regolamenti locali o regionali. La re-immissione a valle in falda ha un trascurabile impatto ambientale perché il terreno è in grado di disperdere facilmente il calore. Figura 2.35: Pompe di calore acqua-acqua Uno svantaggio dei sistemi che usano l acqua come fonte di calore, nei confronti di quelli che usano l aria, è il maggior costo iniziale d impianto per la parte di estrazione di calore dalla sorgente. 70

73 Pompa di calore aria-aria e aria-acqua Queste pompe di calore usano come sorgente di calore aria esterna, o ancor meglio dove è disponibile aria aspirata dai locali per essere evacuata. Alla categoria di pompe di calore aria-aria appartengono i sistemi monoblocco o split, formati da un unità esterna che scambia calore, prelevandolo o cedendolo, con l aria esterna, e trasporta detto calore attraverso le tubazioni del refrigerante nei vari ambienti interni, cedendolo o asportandolo dall aria interna con uno o più diffusori d aria interni. L unità interna può essere del tipo canalizzabile ed in questo caso il calore sarà trasportato non attraverso le tubazioni del refrigerante ma con canali d aria che possono raggiungere ogni ambiente interno, anche l unità esterna può essere canalizzata consentendo di prelevare l aria esterna con la quale scambiare il calore e questo comporta il vantaggio di poterla collocare all interno dell edificio in un locale tecnico (es. nello scantinato). I canalizzati possono essere anche di tipo monoblocco, con la possibilità di essere collocati a piacere sia all interno che all esterno dell edificio, in funzione delle esigenze logistiche. Della categoria fanno parte anche i Roof-Top, macchine da esterno, con canali di mandata e ripresa dell aria interna trattata (riscaldata o raffreddata), le cui taglie di capacità superiore vengono normalmente collocate sui tetti a terrazza, per climatizzare grandi spazi commerciali, fiere, etc. Un altro tipo particolare di diffusore aria è l Unità di Trattamento Aria (UTA), posta in un locale termico od anche all esterno come i Roof-Top e come questi dotata di canali che trasportano l aria trattata nelle zone da climatizzare. Queste unità hanno la possibilità, oltre che di riscaldare o raffreddare l aria, di depurarla con filtri e di deumidificarla od umidificarla fino al valore desiderato: questa ultima funzione è importante perché, e non tutti lo sanno, il semplice riscaldamento di aria invernale fino alle condizioni di temperatura desiderata porta quest ultima a condizioni di umidità relativa inaccettabili (secco eccessivo) per il comfort e la salute umana, ed anche per certi manufatti di origine organica, come per esempio il legno. 71

74 Alla seconda tipologia, pompe di calore aria-acqua, appartengono i sistemi idronici con sorgente esterna aria, sono i refrigeratori d acqua a pompa di calore reversibile. Essi si differenziano dai primi perché riscaldano, o raffreddano, acqua contenuta in un circuito idrico che trasporta il calore nei terminali posti nelle varie zone da climatizzare. Terminali quali fan coils e pannelli radianti possono funzionare in maniera ottimale con le basse temperature tipiche delle pompe di calore. Queste pompe di calore che usano l aria come sorgente trovano le condizioni più favorevoli per il loro impiego nelle zone a clima moderato, come le nostre regioni meridionali, ma i recenti progressi tecnologici le rendono adatte anche alle regioni del nord raggiungendo buone efficienze (soprattutto se si considera l efficienza media stagionale). Un altro grande vantaggio di questa tipologia è che, a differenza di quelle con sorgente geotermica, non richiede costi di investimento per raggiungere la sorgente stessa, visto che l aria si trova dappertutto e soprattutto si possono installare ovunque, anche se in zona non esistono falde acquifere o giardini/terreni dove posare le serpentine di scambio termico interrate orizzontali od anche in pozzi verticali. Figura 2.36: Pompe di calore aria-acqua Il sistema considerato in questo lavoro è una pompa di calore aria-acqua perchè, in condizioni di retrofit energetico di un edificio residenziale, questa tipologia di pompe di calore soddisfa le esigenze di riscaldamento, condizionamento di impianti residenziali di piccola e media potenza; inoltre può anche provvedere alla produzione di acqua calda sanitaria, funzione non trattata in questo elaborato. 72

75 Queste tipologie possono essere installate sia all esterno che all interno e possono essere impiegate in impianti a ventilconvettori, impianti radianti e negli impianti esistenti con terminali a radiatori. Nelle seguenti figure sono riportati i grafici relativi alle curve caratteristiche della pompa di calore nei quali sono presenti le prestazioni a seconda della temperatura dell acqua in uscita, in funzione della temperatura esterna. In Figura 2.37 sono elencate le prestazioni nominali della pompa di calore della tipologia A7W35 per impianti tradizionali (es. radiatori) Figura 2.37: Prestazioni nominali pompa di calore I grafici seguenti consentono di ricavare i coefficienti correttivi da applicare alle prestazioni nominali (potenza termica, COP, potenza elettrica assorbita in riscaldamento, potenza frigorifera, EER, potenza elettrica assorbita in raffrescamento) per ottenere le reali prestazioni nelle condizioni di funzionamento scelte. La condizione nominale di riferimento per il riscaldamento è A7W35 cioè: sorgente : aria in 7 C b.s. 6 C b.u. impianto : acqua in 30 C out 35 C Nei grafici sono presenti delle curve relative alla temperatura dell acqua in uscita lato impianto, si deve scegliere la curva indicante la temperatura di funzionamento dell impianto installato: - curva A = temperatura uscita lato impianto 55 C - curva B = temperatura uscita lato impianto 45 C - curva C = temperatura uscita lato impianto 35 C - curva D = temperatura uscita lato impianto 25 C 73

76 Figura 2.38: Coefficienti correttivi potenza termica e potenza elettrica assorbita Figura 2.39: Coefficienti correttivi COP 74

77 La condizione nominale di riferimento per il raffrescamento è A7W35 cioè: sorgente : aria in 35 C b.s.. impianto : acqua in 12 C out 7 C Nei grafici sono presenti delle curve relative alla temperatura dell acqua in uscita lato impianto: - curva A = temperatura uscita lato impianto 24 C - curva B = temperatura uscita lato impianto 18 C - curva C = temperatura uscita lato impianto 12 C - curva D = temperatura uscita lato impianto 7 C Figura 2.40: Coefficienti correttivi potenza frigorifera e potenza elettrica assorbita Figura 2.41: Coefficienti correttivi EER 75

78 I grafici in Figura 2.42 rappresentano le temperature limite di funzionamento, sia per quanto riguarda la temperatura esterna che per la temperatura lato impianto, della pompa di calore in riscaldamento e in raffrescamento. Figura 2.42: Temperature limiti di funzionamento pompa di calore 76

79 CAPITOLO 3. DESCRIZIONE DEI SOFTWARE UTILIZZATI 3.1 Introduzione Nel capitolo vengono presentati il software utilizzato per la simulazione dinamica dell edificio e il software che ha permesso di definire le specifiche tecniche e geometriche dei serramenti, e relative componenti vetrate, applicati all involucro stesso. Per la simulazione dinamica è stato utilizzato il software TRNSYS (versione 17) mentre per la definizione dei serramenti e delle componenti vetrate è stato utilizzato il software WINDOW (versione ). 3.2 TRNSYS 17 TRNSYS (Transient Energy System), sviluppato dalla University of Wisconsin Madison e dall Università del Colorado, è una piattaforma completa, flessibile ed estensibile per eseguire simulazioni termiche in regime dinamico di vari sistemi, tra i quali anche gli edifici multi zona. Questo software, disponibile commercialmente dal 1975, è conosciuto ed utilizzato da ingegneri e ricercatori di tutto il mondo per dimostrare la validità di nuovi studi e ricerche nell ambito dell energia: dal semplice sistema per produzione di acqua calda sanitaria al progetto e simulazione degli edifici e dei loro impianti; integrando strategie di controllo compatibili con il benessere degli occupanti e sistemi ad energia alternativa (eolico, solare, fotovoltaico, sistemi ed idrogeno) ecc.. Il programma viene costantemente aggiornato grazie al lavoro di sviluppo congiunto di un insieme di istituzioni, quali: Solar Energy Laboratory negli Stati Uniti, Thermal Energy Systems Specialist negli Stati Uniti, Aiguasol Enginyeria in Spagna, Centre Scientifique et Technique du Bâtiment in Francia, Transsolar GmBH Energietechnik in Germania). La versione utilizzata in questo studio è la 17 del Due fattori chiave de successo del software TRNSYS sono: la sua aperta struttura modulare e il codice di programmazione disponibile agli utenti che possono modificare i moduli a seconda delle proprie esigenze. 77

80 L architettura del software, basata su file con estensione.ddl, permette all utente di modificare i modelli esistenti o crearne di nuovi in base alle proprie esigenze di analisi tramite i più comuni linguaggi di programmazione (C++, FORTRANT, PASCAL, ), in aggiunta TRNSYS può essere facilmente collegato con molte altre applicazioni (Microsoft Excel, Matlab, EES, ) per operazioni di pre/post-processing. Il campo di applicazione di TRNSYS include i seguenti sistemi: sistemi solari (termici e fotovoltaici); edifici a basso consumo energetico e sistemi HVAC con avanzate caratteristiche di progetto (ventilazione naturale, free-cooling, doppie facciate, ); sistemi per energie rinnovabili; cogenerazione e celle a combustibile Architettura principale di TRNSYS TRNSYS è composto da una suite di programmi integrati tra loro: TRNSYS Simulation Studio: è la principale interfaccia grafica del software, attraverso questo programma è possibile collegare i vari componenti del sistema che si sta studiando. E possibile creare un nuovo progetto semplicemente selezionando e trascinando i componenti interessati nell area di lavoro (Figura 3.1), connettendoli uno con l altro a seconda della logica di funzionamento del sistema studiato e impostando i parametri globali della simulazione. Figura 3.1. Simulation Studio, interfaccia grafica di TRNSYS 78

81 Ogni Type (componente) è descritto da un modello matematico e presenta una serie di parametri (parameters), ingressi (input), uscite (output) i quali possono essere impostati dall utente oppure collegati ad un file esterno. I risultati delle simulazioni possono essere integrati su file, stampati e visualizzati in forma di grafici (Figura 3.2). Figura 3.2. Esempio di grafico creato da Simulation Studio TRNBuild.exe: è l interfaccia grafica utilizzata per modellizzare edifici e strutture (Figura 3.3). Consente di inserire i dati di input, di specificare tutti i dettagli della struttura e tutto quello che è necessario a simulare il comportamento termico dell edificio (come le proprietà ottiche e termiche delle finestre, gli apporti termici interni, i settaggi per la climatizzazione e riscaldamento, ). Figura 3.3. Interfaccia grafica di TRNBuild 79

82 3.2.2 Simulazioni in ambiente TRNSYS La simulazione in ambiente TRNSYS è realizzata tramite l assemblaggio di una serie di Type (componenti), individuate in una libreria già esistente, all interno dell interfaccia Simulation Studio. I vari Type devono essere interconnessi in modo da permettere lo svolgimento di una sequenza ordinata di operazioni che dipende dal tipo di studio e dal tipo di simulazione che si vuole eseguire. Ogni Type è descritto da un modello matematico detto proforma. Il proforma è una subroutine in Fortran che modella il componente in termini di equazioni matematiche, ha una struttura a black-box con INPUT, OUTPUT e PARAMETRI (Figura 3.4). Figura 3.4. Struttura Type a black box Tutti i Type utilizzati nel progetto, le modalità secondo le quali questi saranno chiamati a interagire tra loro e le impostazioni generali della simulazione sono raccolti in un file, detto file deck, che rappresenta l input vero e proprio al motore di simulazione. Il file deck è composto da due parti: TRNDll.dll : è il simulation engine cioè il motore che contiene i codici dei componenti, li legge, li richiama e determina la convergenza dei risultati. TRNExe.exe : rappresenta la parte esecutiva che effettua la simulazione e stampa i risultati. Esegue l intero sistema di equazioni associato al file deck, per ogni temestep di simulazione impostato, tramite un processo iterativo dei valori in input e output che soddisfi tutte le equazioni (Figura 3.5). Figura 3.5. Logica di simulazione TRNSYS 80

83 3.3 Window6 Il software Window6 è stato sviluppato dall Università di Berkeley per lo studio, la progettazione e il calcolo degli indici di prestazione termica di strutture vetrate e superfici finestrate (valori U, coefficienti di guadagno termico solare SHGC, coefficienti di ombreggiatura, ). Window6 fornisce un metodo semplice e versatile per l analisi del trasferimento del calore attraverso le finestre, coerentemente con la procedura di valutazione sviluppata dal NFRC (National Fenestration Rating Council) e compatibile con la norma ISO 15099:2003 Thermal performance of windows, doors and shading devices. Le funzioni che caratterizzano il software sono: 1. Analisi di superfici finestrate o strutture vetrate con qualsiasi combinazione di: tipologia di vetro, tipologia di gas nell intercapedine dei vetrocamera, tipologia di divisori o distanziali, tipologia di accoppiamento anta-telaio, condizione climatica e inclinazione. 2. Accesso ai database contenenti le caratteristiche termo fisiche dei componenti della finestra (sistemi di vetri, gas nella vetrocamera, tipologia di telaio e divisori vari) e le varie condizioni ambientali. Il software, attraverso al database di Optics5, ricava contiene i dati spettrali dei vetri. 3. Possibilità di impostare le caratteristiche, le dimensioni e le proprietà termo fisiche di ogni elemento che compone il serramento (telaio, vetro, ). 4. Stampa dettagliata dei risultati delle prestazioni di una finestra o di un suo componente. 5. Compatibilità di formato dei dati e collegamento con i software DOE 2.1 ed il software di simulazione dinamica TRNSYS Schermata iniziale Il programma, per creare una superficie finestrata o una struttura vetrata, inizialmente richiede di compilare i seguenti campi (Figura 3.6): Riquadro A: parte della schermata iniziale che contiene le informazioni generali relative alla superficie finestrata (o alla struttura vetrata) che si sta creando; le informazioni che si devono dare sono: numero identificativo (ID#), nome (Name), tipologia del sistema (Type) con le relative misure in larghezza e altezza (Widht, Height), inclinazione rispetto al piano (Tilt) e condizioni ambientali (Enviromental Condition) 81

84 Riquadro B: sezione della schermata iniziale in cui c è la rappresentazione grafica del sistema finestrato (o struttura vetrata) che è stato creato immettendo i dati in nostro possesso nei campi descritti in precedenza; selezionando uno dei componenti del sistema finestra rappresentato si può accedere ad altre schermate (spiegate in seguito in questo capitolo) che consentono di definire e variare le caratteristiche e prestazioni dei componenti (telaio e vetro). Riquadro C: Total Window Results, sezione della schermata iniziale in cui è presente il riassunto delle prestazioni del sistema finestrato creato; per avviare la procedura di calcolo da parte del software si deve premere Calc (F9), come indicato nella lista di comandi sulla sinistra della schermata iniziale. Riquadro D: Click on a component to display the characteristics below, in questa sezione appaiono le caratteristiche delle componenti del sistema che vengono selezionate nella rappresentazione grafica del Riquadro B; le due componenti sono : Frame (telaio), Glazing System (vetro). A B C D Figura 3.6. WINDOW6, schermata iniziale 82

85 3.3.2 Frame Library È possibile accedere a questa schermata selezionando con il puntatore del mouse, nel Riquadro B di Figura 3.6, la componente che rappresenta il telaio del sistema finestra in analisi. Si può scegliere tra tipologie di telaio, già esistenti nei database di WINDOW6, realizzate con materiali diversi (Figura 3.7) oppure creare una nuova tipologia di telaio (creando un nuovo ID# ed assegnandogli un nome) compilando i campi qui sotto elencati (Figura 3.8): U-VALUES si deve inserire il valore di trasmittanza termica del telaio, espresso in [W/m 2 K]. FRAME, Projected Frame Dimension, si deve inserire lo spessore del telaio; nel campo sottostante. FRAME, Material Abs, si deve inserire l assorbimento del materiale che compone il telaio. Figura 3.7. WINDOW6, Frame Library, database Figura 3.8. WINDOW6, Frame Library, new frame 83

86 3.3.3 Glazing System Library È possibile accedere a questa schermata selezionando con il puntatore del mouse, nel Riquadro B di Figura 3.6, la componente che rappresenta il vetro del sistema finestra in analisi. Anche per quanto riguarda la parte relativa ai Glazing System si possono adottare dei sistemi vetrati già presenti nel database del software, oppure si può creare il proprio sistema vetrato. Le operazioni necessarie a creare il proprio sistema vetrato sono elencate di seguito: Assegnazione di un nuovo ID# (identificatore) e di un Name (nome) al sistema vetro che si sta creando. Definizione di # Layers (numero di vetri), Tilt (inclinazione) e Enviromental Conditions (condizioni ambientali) del sistema vetro. Tipologia di vetro, Glass 1,2,, che compone lo strato selezionato: tale scelta deve avvenire tra i vetri contenuti nel database del software (Figura 3.9); in base alle caratteristiche e prestazioni che si vogliono ottenere dal sistema vetrato si devono scegliere vetri diversi in base ai parametri presenti nel database (spessore, trasmissione luminosa, ). Figura 3.9. WINDOW6, Glazing System Library, Select Glass 84

87 Tipologia di gas, Gas 1,2,, presente all interno della vetrocamera: la scelta di eventuali gas presenti nell intercapedine del vetrocamera (qualora il numero di strati # Layers sia maggiore o uguale a 2) deve avvenire tra le varie tipologie contenute all interno del database del software (Figura 3.10) Figura WINDOW6, Glazing System Library, Select Gas È anche possibile creare un nuovo tipo di gas da inserire nel vetrocamera, per far ciò si deve selezionare New nel menù in Figura 3.10 e poi inserire negli appositi spazi il nome e le caratteristiche fisiche del gas (Conductivity Coefficients, Viscosity Coefficients, Specific Heat Coefficients). Tutte le componenti selezionate sono raccolte nella schermata in Figura 3.11, la quale contiene tutte le informazioni riguardanti il sistema vetrato; selezionando Calc (F9), dal menù a sinistra, si avvia la procedura per il calcolo delle prestazioni. Figura WINDOW6, Glazing System 85

88 3.3.4 Schermata Output Per poter utilizzare il sistema vetrato creato l utente in TRNSYS si deve eseguire il Report (Figura 3.12), nel quale si seleziona il formato in cui il report deve essere eseguito (nel nostro caso si sceglie DOE-2). Figura 3.12 WINDOW6, Report La schermata successiva (Figura 3.13) permette di visualizzare l output del report, un file in formato *.txt che contiene tutte le informazioni della finestra creata. Figura WINDOW6, Report, file *.txt Nel prossimo capitolo verrà spiegato com è possibile importare i sistemi finestrati e le superfici vetrate create in TRNSYS. 86

89 CAPITOLO 4. DEFINIZIONE DELLA STRUTTURA DELL EDIFICIO OGGETTO DELLE SIMULAZIONI 4.1 Introduzione Nel capitolo viene presentato l edificio scelto come riferimento per eseguire l analisi e le tre diverse località oggetto dello studio. Nella prima parte è presente una descrizione generale della forma dell edificio e di com è strutturato, vengono inoltre descritte brevemente le tre località oggetto dell analisi. Nella seconda parte viene descritta brevemente l interfaccia grafica TRNBld con la quale è stato creato il modello di edificio, viene descritto com è strutturato il modello di edificio e vengono elencate le varie tipologie di strutture (strutture opache, strutture trasparenti, ) presenti. 4.2 DESCRIZIONE DELL EDIFICIO L edificio oggetto delle simulazioni è una villetta monofamiliare a due piani fuori terra di altezza esterna pari a 5,5 m; gli ambienti del piano terra occupano una superficie di circa 77 m 2 mentre quelli al primo piano occupano una superficie di circa 58 m 2, mentre la superficie vetrata copre il 17% della superficie esterna dell involucro edilizio. L edificio in totale presenta nove diverse stanze, quattro al piano terra e le restanti cinque al primo piano, le quali hanno un altezza di 2,7 m per un volume interno complessivo di 363,5 m 3. Al piano terra sono presenti, come mostrato in Figura 4.1, le seguenti stanze: soggiorno, cucina, garage e bagno piano terra; per quanto riguarda le orientazioni, l entrata principale si trova a nord, il soggiorno ha la parete esterna che guarda ad ovest mentre il portico, sul quale si affaccia il soggiorno, si trova a sud. Al primo piano sono presenti, come mostrato in Figura 4.2, le seguenti stanze: zona notte 1, zona notte 2, zona notte 3 (camere da letto), zona notte 4 (corridoio) e bagno primo piano; per quanto riguarda le orientazioni, il bagno al primo piano ha la parete esterna che guarda ad ovest, due camere da letto (zona notte 1 e 2) hanno la parete esterna che guarda ad est mentre la zona notte 2 e 3 hanno la parete sterna a sud che si affaccia sulla terrazza. 87

90 Figura 4.1. Villetta monofamiliare, piano terra Figura 4.2. Villetta monofamiliare, primo piano In Figura 4.3 è possibile vedere la sezione del edificio. Figura 4.3. Villetta monofamiliare, sezione 88

91 4.3 CREAZIONE DEL MODELLO DELL EDIFICIO Interfaccia grafica TRNBuild La creazione del modello dell involucro edilizio è stata realizzata con l utilizzo di TRNBuild, un programma che guida l utente alla creazione del modello attraverso una sequenza di semplice operazioni e definizioni di dati. All apertura del programma appare la schermata in Figura 4.4 nella quale troviamo quattro sezioni nelle quali sono contenute le seguenti informazioni: Sezione A: contiene le informazioni generali del progetto quali nome, descrizione del progetto, autore del progetto, indirizzo e località nella quale è situato ( in caso non ci sia una precisa località si deve inserire UNDEFINED ). Sezione B: contiene l informazione riguardante l emisfero nel quale è situato l edificio oggetto dello studio. Sezione C: permette la definizione di un certo numero di superfici, associate alle facce dell edificio, definite in base all orientazione spaziale rispetto agli assi geografici e all inclinazione rispetto ad un piano orizzontale di riferimento. Sezione D: contiene informazioni varie come le proprietà fisiche adottate Properties (Figura 4.5), i valori utilizzati in ingresso dal modello di edificio Input (Figura 4.6) e i valori generati Output (Figura 4.7). A C B D Figura 4.4. TRBuild, schermata iniziale 89

92 Figura 4.5. TRBuild, proprietà Figura 4.6. TRBuild, Input Figura 4.7. TRBuild, Output 90

93 Il secondo passo è la definizione delle zone termiche dell edifici. Il principio alla base della scelta del numero di zone dell edificio è quello di raggruppare tra loro le stanze che hanno le stesse caratteristiche e che hanno la stessa necessità di riscaldamento; maggiore è il numero di zone e più accurata è la definizione e controllo delle condizioni termo igrometriche al loro interno. La scelta delle zone non è vincolata alla locazione fisica delle varie stanze, infatti è possibile raggruppare nella stessa zona stanze non adiacenti e stanze situate su piani diversi dell edificio. L edificio oggetto dello studio è stato diviso in sei zone diverse. Ogni stanza del piano terra rappresenta una zona a sé, si sarebbe potuto raggruppare assieme la cucina ed il soggiorno ma visto che il numero totale di zone non è elevato allora si è preferito mantenerle separate. Al primo piano sono state raggruppate tutte le camere da letto (zona notte 1,2,3) e il corridoio (zona notte 4) perché presentano le stesse caratteristiche, mentre il bagno del primo piano è stato lasciato come zona a sé. Si è deciso di non raggruppare stanze di piani diversi perché il primo piano rappresenta il reparto notte e quindi avrà apporti derivanti da carichi interni e richieste di riscaldamento diverse ed in orari diversi rispetto, ad esempio, alla cucina situata al piano terra. Gestendo separatamente le stanze come zone diverse si riesce ad essere più precisi nella definizione dei guadagni termici gratuiti derivanti dalla presenza di fonti termiche o dalla presenza di persone. In Tabella 4.8 è possibile vedere la suddivisione dell edificio nelle varie zone. SUDDIVISIONE DELL EDIFICIO IN ZONE ZONA NOME PIANO SUPERFICIEm 2 Zona 1 Soggiorno m 2 Zona 2 Bagno PT m 2 Zona 3 Cucina m 2 Zona 4 Garage m 2 Zona 5 Zona Notte m 2 Zona 6 Bagno 1P m 2 Tabella 4.8. Suddivisione delle zone termiche 91

94 4.3.2 Definizione della struttura Per ogni zona termica dell edificio, come illustrato in Figura 4.9, si devono definire i seguenti parametri: Sezione A: Walls, comprende tutte le superfici opache che delimitano il volume della stanza (muri esterni, divisori interni, soffitto, pavimento, porte interne, ) Sezione B: Windows, permette di definire la presenza di una superficie trasparente (finestra) all interno di una superficie opaca Sezione C: Airnode Regime Data, permette l impostazione delle condizioni a contorno (riscaldamento, raffrescamento, ventilazione, ). C A B Figura 4.9. TRNBuild, schermata zona Nei paragrafi seguenti verranno spiegate dettagliatamente le soluzioni progettuali scelte nella definizione della struttura dell involucro edilizio Strutture opache Lo strumento Wall Type Manager permette di modellare le pareti dell edificio attraverso la descrizione degli strati che la compongono. In questa fase è possibile utilizzare gli elementi presenti nella libreria dei materiali oppure, allo scopo di mantenere una migliore aderenza tra modello e caso di studio, si possono creare gli strati ad hoc sulla base delle caratteristiche della muratura reale. 92

95 Per far ciò si deve selezionare l icona attraverso la quale si accede alla schermata Layer Type Manager (Figura 4.10) nella quale si deve inserire il tipo di materiale e le proprietà: Conductivity: conduttività termica Ea } Capacity: capacità termica Ea EK Density: densità EK ` Figura TRNBuild, Layer Type Manager Dopo aver definito gli strati che caratterizzano le strutture opache si può procedere alla creazione delle stesse selezionando l icona nel menù in alto; a questo punto compare la schermata in Figura 4.11 nella quale si creano le varie strutture componendole con gli strati creati in precedenza e definendone le proprietà. Figura TRNBuild, Wall Type Manager 93

96 Di seguito verranno riportate la descrizione e le caratteristiche prestazionali di tutte le strutture opache create. Denominazione Descrizione Spessore [m] U-value [W/m 2 K] MUROPORT1 Muro portante Descrizione della struttura: 1) Intonaco esterno 2) Mattone forato 3) Isolante 4) Mattone forato 5) Intonaco interno [m] [m] [m] [m] [m] Denominazione Descrizione Spessore [m] U-value [W/m 2 K] MUROINT Muro interno Descrizione della struttura: 1) Malta gesso 2) Mattone forato 3) Intercapedine 4) Mattone forato 5) Malta gesso [m] [m] [m] [m] [m] Denominazione Descrizione Spessore [m] U-value [W/m 2 K] DIVISINT Muro divisorio interno Descrizione della struttura: 1) Malta gesso 2) Mattone forato 3) Malta gesso [m] [m] [m] 94

97 Denominazione Descrizione Spessore [m] U-value [W/m 2 K] PAVSUTERR Pavimento del piano terra Descrizione della struttura: 1) Piastrelle 2) Sottofondo in cemento magro 3) calcestruzzo alleggerito [m] [m] [m] Denominazione Descrizione Spessore [m] U-value [W/m 2 K] SOLPIANO2 Solaio piano superiore Descrizione della struttura: 1) Intonaco in calce-cemento 2) Struttura in laterocemento 3) Massetto di pendenza in CLS 4) Barriera vapore 5) Isolante + membrana impermeabile 6) Sottofondo 7) Pavimento [m] [m] [m] [m] [m] [m] [m] Denominazione Descrizione Spessore [m] U-value [W/m 2 K] TETTOINCL6 Tetto Descrizione della struttura: 1) Intonaco in calce-cemento 2) Solaio in CLS armato 3) Massetto 4) Massetto della pendenza 5) Isolante 6) Membrana impermeabile 7) Copertura con tegole [m] [m] [m] [m] [m] [m] [m] 95

98 Denominazione Descrizione Spessore [m] U-value [W/m 2 K] PORTAGARAGE Portone garage Descrizione della struttura: 1) Intonaco solaio 2) Solaio 3) Massetto [m] [m] [m] Denominazione Descrizione Spessore [m] U-value [W/m 2 K] PORTAEXT1 Porta esterna Descrizione della struttura: 1) Legno d abete spesso [m] Denominazione Descrizione Spessore [m] U-value [W/m 2 K] TETTOINCL6 Tetto Descrizione della struttura: 1) Legno d abete fino [m] 96

99 Nella schermata di ogni zona dell edificio si devono scegliere le strutture opache che la caratterizzano. Di seguito verrà spiegato come inserire una struttura opaca in una zona: Selezionare il pulsante in Figura 4.12 per inserire una nuova struttura opaca; Scegliere la struttura opaca che compone la parete dal menù a tendina wall type; Definire la superficie della struttura inserita inserendo il valore in m 2 nello spazio area, in caso ci sia una finestra o una porta deve essere inserito il valore totale della superficie della parete perché la superficie della finestra verrà sottratto in automatico durante le simulazioni; Definire la categoria di parete scegliendo external se la parete è di separazione tra il sistema e l ambiente esterno, adiacent se la parete è di separazione tra zone termiche differenti e boundary se la parete è tra ambienti le cui caratteristiche sono impostate dall utente (ad esempio tra due piani); Inserire il valore 0 in geosurf se la parete è verticale, se la parete è verticaòe inserire il valore 1; Definire l orientazione della parete scegliendo dal menù a tendina orientation; Nel caso in cui la parete sia adiacente ad un altra zona dell edificio si dovrà specificare quale è questa zona Figura TRNBuild, inserimento parete opaca 97

100 Strutture vetrate Per completare la struttura del modello di edificio non rimane che associare alle superfici esterne i componenti finestrati ed eventuali porte di accesso, anche in questo caso si possono selezionare dei componenti finestrati presenti nella libreria del software, creare dei componenti finestrati oppure selezionare i modelli creati in WINDOW6 e importati nelle librerie di TRNSYS. Nel modello di edificio creato le strutture trasparenti sono il 17% della superficie delle strutture opache. Il primo passo è quello di aggiungere alle librerie di TRNSYS i modelli di strutture finestrate create con WINDOW6, si deve copiare il contenuto dei file.txt all interno dei file W4-lib.dat e Prgwin assegnando ad ogni tipologia un codice identificativo e un nome, alla fine dei files si devono aggiungere all elenco esistente le nuove tipologie inserite indicando il codice, il nome e le prestazioni. Attraverso l icona si accede allo strumento Window Type Manager nel quale si possono importare i nuovi modelli di strutture finestrate, per far ciò si deve creare una nuova tipologia attraverso l icona e assegnare un nome identificativo. A questo punto si selezionare la nuova tipologia dal menù a tendina window type ed entrare nelle librerie Pool e Lib per selezionare il sistema finestrato esatto tra quelli aggiunti alla libreria (Figura 4.13). Figura TRNBuild, Window Type Manager, WinID-Pool Lib 98

101 Di seguito verranno riportate la descrizione e le caratteristiche prestazionali di tutte le strutture vetrate oggetto dello studio. Denominazione U w [W/m 2 K] Fattore solare VETRO_BASE Descrizione: Intelaiatura in legno con spessore 45mm e trasmittanza termica U f =2.4 W/m 2 K Vetro singolo da 4mm e trasmittanza termica U g =5.8 W/m 2 K Denominazione U w [W/m 2 K] Fattore solare VETRO_ Descrizione: Intelaiatura in PVC a 7 camere spessore 82mm e trasmittanza termica U f =1.0 W/m 2 K Vetrocamera con composizione con aria nell intercapedine e trasmittanza termica U g =2.8 W/m 2 K Denominazione U w [W/m 2 K] Fattore solare VETRO_ Descrizione: Intelaiatura in PVC a 7 camere spessore 82mm e trasmittanza termica U f =1.0 W/m 2 K Vetrocamera con composizione con aria nell intercapedine e trasmittanza termica U g =1.4 W/m 2 K 99

102 Denominazione U w [W/m 2 K] Fattore solare VETRO_ Descrizione: Intelaiatura in PVC a 7 camere spessore 82mm e trasmittanza termica U f =1.0 W/m 2 K Vetrocamera triplo con vetro interno ed esterno basso emissivo con composizione 4 BE-16 Ar-4-16 Ar-4 BE (argon nelle due intercapedini) e trasmittanza termica U g =0.6 W/m 2 K Denominazione U w [W/m 2 K] Fattore solare VETRO_ Descrizione: Intelaiatura in PVC a 7 camere spessore 82mm e trasmittanza termica U f =1.0 W/m 2 K Vetrocamera basso emissivo 4 BE-16-4 con Aerogel monolitico nell intercapedine e trasmittanza termica U g =0.7 W/m 2 K Denominazione U w [W/m 2 K] Fattore solare VETRO_ Descrizione: Intelaiatura in PVC a 7 camere spessore 82mm e trasmittanza termica U f =1.0 W/m 2 K Vetrocamera Vacum con composizione 4 BE Ar -4 BE con argon nell intercapedine da 16 mm mentre nell intercapedine da 1 mm è stato creato il vuoto, trasmittanza termica U g =0.4 W/m 2 K 100

103 Dopo aver inserito tutte le nuove strutture vetrate in TRBuild le si deve aggiungere, nel modello di edificio, all interno delle superfici opache esterne di ogni zona. Di seguito verrà spiegato come inserire, all interno di ogni zona del modello di edificio, le strutture vetrate all interno delle strutture opache esterne: Entrare nella schermata relativa alla zona dell edificio interessata e posizionarsi sopra alla superficie opaca esterna, come mostrato in Figura 4.14, nella quale dovrà essere inserita la superficie vetrata; Selezionare il pulsante in Figura 4.14, sotto alla finestra Windows, per inserire una nuova struttura vetrata; Selezionare dal menù a tendina window type la tipologia di finestra voluta, per cambiare tipologia basterà rientrare in questo menù e selezionare il nuovo sistema; Impostare la superficie finestrata inserendo il valore in m 2 all interno del campo area, al momento della simulazione questa superficie verrà in automatico sottratta alla superficie della parete opaca; Controllare che i parametri category, orientation e view fac. to sky siano gli stessi della superficie opaca nella quale è alloggiata la superficie finestrata. Figura TRNBuild, inserimento superficie vetrata 101

104 Condizioni al contorno Completata la creazione del modello dell involucro edilizio si devono introdurre le condizioni al contorno e i parametri per avviare la simulazione. Per impostare le condizioni iniziali si deve selezionare l icona Initial values. I valori iniziali di temperatura e umidità, per ogni zona termica, sono stati impostati a 20 C per la temperatura e 50% di umidità relativa. Per impostare le condizioni nel periodo di riscaldamento si deve selezionare l icona Heating e scegliere la tipologia di riscaldamento voluta; nel modello creato si è scelto di impostare la temperatura a 20 C. Per impostare le condizioni nel periodo di raffrescamento si deve selezionare l icona Cooling e scegliere la tipologia di raffrescamento voluta; nel modello creato si è scelto di impostare la temperatura a 26 C. Nella definizione dei guadagni gratuiti (immissioni di calore dovuti alla presenza di elettrodomestici, fornelli, luci, persone, ) si è immaginato che la casa sia abitata da una famiglia media composta da 4 persone in cui i figli studiano e i genitori lavorano. Per impostare i guadagni gratuiti si deve selezionare l icona e, per ogni zona, impostare i parametri nella schermata in Figura 4.15 in base alla presenza ipotizzata durante la giornata. 102 Figura TRNBuild, Gains

105 Un altra condizione al contorno da impostare sono i flussi d aria che da una zona possono andare verso un altre, per far ciò si deve selezionare l icona Infiltration ed in base alla zona impostare il valore ipotizzato; per il soggiorno, la cucina e la zona notte è stato impostato un valore pari a 0.8 vol/h mentre per i bagni ed il garage è stato impostato un valore di 1.6 vol/h. L ultima condizione al contorno da impostare è il ricambio d aria, si deve selezionare l icona Ventilation ed impostare il valore 0.3 vol/h 103

106 104

107 CAPITOLO 5. SIMULAZIONI ENERGETICHE DINAMICHE IN TRNSYS 5.1 Introduzione Nella prima parte del capitolo verrà presentata nel dettaglio l interfaccia Simulation Studio del software TRNSYS, utilizzata per le simulazioni dinamiche dell edificio, verranno descritte le variabili considerate nelle varie simulazioni e infine verranno illustrati i risultati ottenuti. 5.2 Simulation Studio TRNSYS Simulation Studio è la principale interfaccia grafica del software attraverso cui è possibile collegare i vari componenti del sistema che si sta studiando ed eseguire le simulazioni dinamiche sull involucro edilizio precedentemente creato. Ogni componente, chiamato Type, è descritto da un modello matematico e presenta una serie di parametri (parameters), ingressi (input), uscite (output) i quali possono essere impostati dall utente oppure collegati ad un file esterno. Ogni Type è costruito e lavora in linguaggio FORTRAN e si basa prevalentemente per la descrizione del comportamento del componente su equazioni differenziali ed algebriche e metodi numerici. Si costruisce lo schema a blocchi del modello in cui ogni blocco è rappresentato da un Type: a sinistra si hanno i blocchi con i dati di ingresso, seguono i blocchi di elaborazione ed infine le informazioni convergono al blocco che rappresenta l edificio, al quale è connesso in uscita uno strumento di stampa e di plotter, attraverso il quale è possibile visualizzare in tempo reale l andamento della simulazione. Il programma lavora per step successivi e in maniera sequenziale, è quindi necessario indicare un tempo di inizio e uno di fine della simulazione, il numero di passi da eseguire e l intervallo di tempo tra due step. E necessario inoltre fornire un preciso ordine logico secondo il quale operare su ciascun Type: il programma infatti può lavorare solo su un blocco alla volta, questo significa che l ordine con cui devono essere disposte i Type è fondamentale per non operare su dati che non sono stati ancora aggiornati. 105

108 I Type sono rappresentati mediante icone interconnesse da appositi collegamenti (link) attraverso i quali si forniscono i dati in ingresso e in uscita dal Type. La simulazione inizia alle ore 0.00 del 1 gennaio e termina alle del 31 dicembre dello stesso anno, è stato scelto un timestep di 15 min per valutare in modo più accurato l andamento dei fabbisogni energetici invernali ed estivi, per un totale di dati su cui poter svolgere le analisi. Lo schema a blocchi del progetto della simulazione base è riprodotto in Figura 5.1. Figura 5.1: Schema a blocchi del progetto in Simulation studio Descrizione dei Type utilizzati nella simulazione In questo paragrafo si darà una breve descrizione dei Type utilizzati all interno della simulazione: Type 9a lettore di dati: Type9a Questo Type permette di introdurre nella simulazione i dati necessari per il funzionamento dei componenti del sistema. È un lettore di dati generico che effettua la lettura ad intervalli di tempo regolari in un file d ingresso, generalmente un file di testo opportunamente formattato, in cui i dati sono organizzati in colonne. 106

109 In questo progetto il lettore di dati è stato utilizzato per inserire come input i dati meteorologici delle stazioni ARPA (Agenzia Regionale per la Prevenzione e protezione Ambientale) delle varie regioni, contenenti informazioni orarie su temperatura, umidità relativa, radiazione solare e velocità del vento. Il lettore è in grado di interpolare i dati, di origine oraria, mediante una legge lineare, creando una funzione che fornisce in modo continuo il valore del dato richiesto. Si riporta in Figura 5.2 la schermata di impostazione del Type dove, nella sezione parameter, si devono impostare dei parametri per permettere al software di leggere correttamente i dati in ingresso. Figura 5.2: Schermata parameter Type 9a In questa analisi i dati in ingresso, collegati al software inserendo il percorso di collegamento esterno nella sezione external files (Figura 5.3), sono i file meteo che sono stati opportunamente formattati per essere letti correttamente a seconda delle indicazioni inserite nella sezione parameter del Type 9a. Figura 5.3: Schermata external files Type 9a 107

110 Type 33e processore psicrometrico Type33e In questo Type sono stati impostati come input (Figura 5.4) il valore di temperatura a bulbo secco dell aria, il valore in percentuale di umidità relativa e la pressione. Figura 5.4: Schermata input Type 33e Inoltre dal Type 9a riceve i valori orari di umidità relativa della località scelta e fornisce come output (Figura 5.5) tutti gli altri dati relativi all umidità dell aria (umidità assoluta, temperatura di condensazione, entalpia dell aria, ). Figura 5.5: Schermata output Type 33e Type 69b processore della temperatura effettiva del cielo Type69b Gli input di questo Type sono l altitudine sopra il livello del mare della località in analisi, inserita dall utente come parametro (Figura 5.6) e la temperatura di condensazione nelle condizioni ambientali importata dal Type 33e. 108 Figura 5.6: Schermata parameter Type 69b

111 Come output (Figura 5.7) calcola la temperatura effettiva del cielo che verrà utilizzata successivamente dal Type 56 per calcolare lo scambio radiativo negli infrarossi tra le superfici esterne dell edificio e l atmosfera, nelle ore notturne (extraflusso radiativo). Figura 5.7: Schermata output Type 69b Type 16c processore solare Type16c Si occupa di interpolare i dati relativi alla radiazione solare globale importati dal Type 9a e di simulare il moto del sole sulla volta celeste in funzione del periodo dell anno e della posizione geografica della località presa in esame, definita dall utente come parametro, inserendo la latitudine della località (Figura 5.8). Figura 5.8: Schermata parameter Type 16c Oltre a questi parametri devono essere assegnati determinati input nell apposita schermata (Figura 5.9) come: il fattore di riflessione del suolo che può variare da 0,2 a 0,7 a seconda che sia coperto o meno da neve, l inclinazione delle varie superfici (0=orizzontale, 90=verticale rivolto verso l azimut) in base al sistema di riferimento scelto e l angolo di azimut solare di ogni superficie cioè l'angolo tra il meridiano locale e la proiezione della linea di vista del sole su piano orizzontale in base al sistema di riferimento scelto (0=rivolto verso l equatore, 90=rivolto verso ovest, 270=rivolto verso est e 180=con l equatore alle spalle). 109

112 Deve essere inoltre impostato dall utente anche il numero di superfici su cui eseguire la valutazione della radiazione. Figura 5.9: Schermata input Type 16c A partire dai dati di radiazione globale e dai valori assegnati in input elabora i valori distinti di radiazione diretta e diffusa per le diverse superfici dell edificio in base all orientazione e l inclinazione della superficie stessa (Figura 5.10). Figura 5.10: Schermata output Type 16c Type 56 edificio multi zona Type56 È il componente che modella e simula la prestazione energetica dell involucro edilizio diviso in zone termiche. Essendo l edificio un sistema complesso i dati di input non vengono direttamente definiti nel file deck ma tramite TRNbuild dove vengono specificati i dettagli della struttura dell edificio e tutto quello che serve a definirne il comportamento energetico dell edificio (descritti nel Capitolo 4). 110

113 Il file edificio.bui generato da TRNbuild è uno degli input che include le informazioni richieste per simulare il sistema edificio-impianto e deve essere richiamato attraverso il collegamento con il file esterno (Figura 5.11). Figura 5.12: Schermata external file Type 56 Oltre a questo devono essere raccolte le informazioni generate come output dai Type descritti in precedenza (Figura 5.12). Figura 5.12: Schermata input Type 56 Gli output generati dal Type 56 (Figura 5.13) si riferiscono a ciascuna zona dell edificio e sono la temperatura interna, l umidità relativa, calore sensibile e latente, apporti derivanti dalla radiazione solare entrante, fabbisogno energetico di riscaldamento e di raffrescamento per ogni singola zona e totale per l edificio. Figura 5.13: Schermata output Type

114 Equa equazioni Componente in cui è possibile scegliere le variabili generate come output dal Type 56 ed inserirle in equazioni generate dall utente in base alle informazioni che si vogliono generare dall analisi. Figura 5.14: Schermata Equa Type 65c graphics component Type65c-2 Utilizzato per visualizzare in grafici (Figura 5.15) le variabili desiderate della simulazione mentre questa è in corso. Figura 5.15: Grafico della simulazione Questa Type inoltre riporta i valori assunti in ogni timestep dalle variabili selezionate in un file di testo.txt che viene creato in un collegamento esterno definito nell apposita schermata (Figura 5.16). Figura 5.16: Schermata external file Type 65c 112