Modelli di calcolo per la certificazione energetica degli edifici parte 2

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1 ENERGY MANAGER Modelli di calcolo per la certificazione energetica degli edifici parte 2 Ing. Antonio Mazzon

2 Descrizione sintetica procedura di calcolo - edifici nuovi Calcolo degli scambi termici per trasmissione Per ogni zona dell'edificio e per ogni mese, gli scambi termici per trasmissione si calcolano con la seguente formula: Q H H t K F t, tr tr, adj int, set, H e r, k r, mn, k b' dove: H tr,adj è il coefficiente globale di scambio termico per trasmissione della zona considerata, corretto per tenere conto della differenza di temperatura interno-esterno; θ int,set,h è la temperatura interna di regolazione per il riscaldamento della zona considerata; θ e è la temperatura media mensile dell'ambiente esterno; F r, k è il fattore di forma tra il componente edilizio k -esimo e la volta celeste; Φ r,mn,k è l'extra flusso termico dovuto alla radiazione infrarossa verso la volta celeste dal componente edilizio k -esimo, mediato sul tempo. l tr, l, z F r, l r, mu, u, l t Q sol, op

3 Descrizione sintetica procedura di calcolo Calcolo degli scambi termici per trasmissione Fr,l fattore di forma tra il componente edilizio l-esimo dell ambiente non climatizzato e la volta celeste. Φr,mn,u,l extra flusso termico dovuto alla radiazione infrarossa verso la volta celeste dal componente edilizio l-esimo dell ambiente non climatizzato, in W b'tr,l,z fattore di riduzione delle dispersioni tra la zona termica z-esima e l ambiente non climatizzato avente il componente l-esimo soggetto alla radiazione infrarossa verso la volta celeste Qsol,op apporti di energia termica dovuti alla radiazione solare incidente sui componenti opachi, in W t è la durata del mese considerato.

4 Descrizione sintetica procedura di calcolo Calcolo del coefficiente globale di scambio termico Il coefficiente globale di scambio termico per trasmissione si ricava dalla: dove: H D H g H U H A H tr, adj H D H g è il coefficiente di scambio termico diretto per trasmissione verso l'ambiente esterno; è il coefficiente di scambio termico stazionario per trasmissione verso il terreno; è il coefficiente di scambio termico per trasmissione attraverso gli ambienti non climatizzati; è il coefficiente di scambio termico per trasmissione verso altre zone (interne o meno all'edificio) climatizzate a temperatura diversa; H U H A Il calcolo dei coefficienti di scambio termico per trasmissione H D, H g, H U, H A è effettuato secondo le UNI EN ISO 13789:2008 e UNI EN ISO 13370

5 Descrizione sintetica procedura di calcolo Calcolo del coefficiente globale di scambio termico attraverso zone non riscaldate Hu H H b U iu tr, x dove: H iu è il coefficiente globale di scambio termico tra l'ambiente climatizzato e l'ambiente non climatizzato, W/K; b tr,x è il fattore di correzione dello scambio termico tra ambienti climatizzato e non climatizzato, diverso da 1 nel caso in cui la temperatura di quest'ultimo sia diversa da quella dell'ambiente esterno. W K

6 Descrizione sintetica procedura di calcolo Calcolo del coefficiente globale di scambio termico attraverso zone non riscaldate Hu

11 Ponti termici

12 Ponti termici

13 Descrizione sintetica procedura di calcolo Extra flusso termico verso la volta celeste K, b' l F t r k r, mn, k tr, l, z F r, l r, mu, u, l t dove: F r, k Φ r,mn,k t b tr,l è il fattore di forma tra il componente edilizio k -esimo e la volta celeste; è l'extra flusso termico dovuto alla radiazione infrarossa verso la volta celeste dal componente edilizio k -esimo, mediato sul tempo. è la durata del mese considerato. è il fattore di riduzione delle dispersioni per l ambiente non climatizzato avente componente l-esimo soggetto alla radiazione infrarossa verso la volta celeste. Nel caso generale di più zone termiche confinanti con una zona non riscaldata (es. corpo scala in edificio multipiano) il fattore b tr,l è dato dalla seguente espressione: b' tr, l, z H H iu iu, z U ue

14 Descrizione sintetica procedura di calcolo k F r, k r, mn, k k Fr, k U A R dove A i è l area dell elemento i-esimo della zona climatizzata, in m 2 U i è la trasmittanza termica del componente i-esimo della zona climatizzata, in W/(m 2 K) R se è la resistenza termica superficiale esterna, in m 2 K/W F r,k è il fattore di forma tra un componente edilizio della zona climatizzata e la volta celeste, dato dalla seguente espressione, in assenza di ombreggiamenti da elementi esterni: F F r, k sh, ob, dif 1 cos 2 α è l angolo d inclinazione del componente sull orizzontale (F r = 1 per superfici orizzontali e F r = 0,5 per superfici verticali) se h r er

15 Descrizione sintetica procedura di calcolo F sh,ob,dif è il fattore di riduzione per ombreggiatura relativo alla sola radiazione diffusa, pari a 1 in assenza di ombreggiature da elementi esterni. I fattori per ombreggiatura relativi alla sola radiazione diffusa possono essere determinati attraverso la procedura descritta al successivo paragrafo , interpolando i valori riportati nei prospetti D.13, D.26 e D.39 dell appendice D della norma UNI :2014 h r è il coefficiente di irraggiamento esterno, calcolato con la seguente espressione: h r e 273 e sky sky 273 dove ε è l emissività della superficie esterna del componente edilizio [1] σ è la costante di Stefan-Boltzman pari a 5, W/(m 2 K 4 ) Δθ er è la differenza tra la temperatura dell aria esterna θ e e la temperatura apparente del cielo θ sky θ sky è la temperatura apparente del cielo, calcolata con la seguente espressione: 4 4

16 Descrizione sintetica procedura di calcolo k F r, k r, mn, k k Fr, k U A R se h r er Δθ er è la differenza tra la temperatura dell aria esterna θ e e la temperatura apparente del cielo θ sky θ sky è la temperatura apparente del cielo, calcolata con la seguente espressione: sky 18 51,6 p v, e e 1000 dove P v,e è la pressione parziale del vapore d acqua media del mese considerato, espressa in pascal. I valori medi mensili di Pv,e possono essere desunti dalla norma UNI

17 Descrizione sintetica procedura di calcolo - edifici esistenti Calcolo degli scambi termici per trasmissione edifici nuovi Q H H t K F t, tr tr, adj int, set, H e r, k r, mn, k b' l tr, l, z F r, l r, mu, u, l t Q sol, op

18 Descrizione sintetica procedura di calcolo Calcolo degli scambi termici per ventilazione Per ogni zona dell'edificio e per ogni mese, gli scambi termici per ventilazione si calcolano con la seguente formula: dove: H ve,adj è il coefficiente globale di scambio termico per ventilazione della zona considerata; θ int,set,h è la temperatura interna di regolazione per il riscaldamento della zona considerata; θ e t è la temperatura media mensile dell'ambiente esterno; è la durata del mese considerato.

19 Descrizione sintetica procedura di calcolo Calcolo degli scambi termici per ventilazione (naturale) Il coefficiente globale di scambio termico per ventilazione si ricava dalla: dove: ρ a c a ρ a c a è la capacità termica volumica dell aria ed è pari a 0,34 [Wh/m 3 K] oppure a 1200 [J/m 3 K]; b ve,k q ve,k,mn è il fattore di correzione della temperatura per il flusso d'aria k-esimo (b ve,k 1 se la temperatura di mandata non è uguale alla temperatura dell'ambiente esterno, come nel caso di pre-riscaldamento, preraffrescamento o di recupero termico dell'aria di ventilazione). è la portata mediata sul tempo del flusso d'aria k-esimo;

20 Descrizione sintetica procedura di calcolo DISPERSIONE TERMICA PER VENTILAZIONE Lo scambio termico per ventilazione QH,ve è dato da: dove H ve = coefficiente globale di scambio termico per ventilazione della zona considerata, in W/K θ int = temperatura interna di regolazione per il riscaldamento della zona considerata, in K θ e = temperatura media mensile dell ambiente esterno, in K t = durata del mese considerato, in secondi.

21 Descrizione sintetica procedura di calcolo DISPERSIONE TERMICA PER VENTILAZIONE H ve, adj a c a k b ve, k q ve, k, mn dove ρa ca qve,k,mn bve,k è la capacità termica volumica dell aria ed è pari a circa 0,34 Wh/m3K oppure a 1200 J/m3K è la portata d aria di ventilazione mediata sul tempo del flusso d aria k-esimo nella zona termica, in m3/h è il fattore di correzione della temperatura del flusso d aria k-esimo in ventilazione naturale (bve,k 1 se la temperatura di mandata dell aria non è uguale a quella dell ambiente esterno, come nel caso di pre riscaldamento o recupero termico dell aria di ventilazione).

22 Descrizione sintetica procedura di calcolo Nel caso di edifici residenziali, industriali ed artigianali, la portata d aria di ventilazione mediata sul tempo, del flusso d aria k-esimo, è data dalla seguente equazione:

23 Descrizione sintetica procedura di calcolo

26 Coefficiente di scambio termico per ventilazione edifici esistenti

27 Il fabbisogno ideale di energia termica per riscaldamento Q p,h Il fabbisogno di energia primaria per la climatizzazione invernale (Q p,h ) è pari al fabbisogno ideale di energia termica (Q H,nd ) dell edificio più le perdite dell impianto (emissione, regolazione, distribuzione e generazione). Il fabbisogno ideale di energia termica per la climatizzazione invernale è riferito alla condizione di temperatura dell aria uniforme in tutto lo spazio riscaldato e di funzionamento continuo dell impianto termico. Esso, per ogni zona dell edificio e per ciascun mese del periodo di riscaldamento, è ottenuto dalla seguente formula:

28 Descrizione sintetica procedura di calcolo Calcolo del fattore di utilizzazione H,gn Il fattore di utilizzazione degli apporti termici per il calcolo del fabbisogno di riscaldamento si calcola come segue: dove: H, ht Q gn sono gli apporti termici globali (Q int + Q sol ); H Q H,ht è lo scambio termico totale per riscaldamento (Q H,tr + Q H,ve ); Q Q gn

29 Descrizione sintetica procedura di calcolo Calcolo del fattore di utilizzazione H,gn se 0 se H H 1 H, gn 1 H, gn 1 1 a a H H a H ah H H 1 1 dove: a H a H,0 H,0 dove è la costante di tempo della zona termica, espressa in ore, calcolata come rapporto tra la capacità termica interna della zona termica considerata (C m ) e il suo coefficiente globale di scambio termico, corretto per tenere conto della differenza di temperatura interno-esterno. Con riferimento al periodo di calcolo mensile si può assumere a H,0 = 1 e τ H,0 = 15 h.

30 dove: C H -C è l'effettiva capacità termica interna, ovvero il calore accumulato nella struttura dell'edificio quando la temperatura interna varia in modo sinusoidale con un periodo di 24 h ed un'ampiezza di 1K; - H è il coefficiente di dispersione termica dell edificio. Il calcolo della capacità termica interna dei componenti della struttura edilizia deve essere effettuato secondo la UNI EN ISO Limitatamente agli edifici esistenti, in assenza di dati di progetto attendibili o comunque di informazioni più precise sulla reale costituzione delle strutture edilizie,, la capacità termica interna della zona termica può essere stimata in modo semplificato sulla base del prospetto seguente.

31 Capacità termica per unità di superficie edifici esistenti

32 Capacità termica per unità di superficie edifici esistenti Intonaco gesso malta Isolamento interno assente/esterno interno Isolamento assente/esterno pareti esterne qualsiasi pareti esterne leggere/blocchi medie/pesanti Pavimenti Piani tessile legno piastrelle Pavimenti Pavimenti Piani Piani tessile legno piastrelle tessile legno piastrelle pareti esterne qualsiasi pareti esterne leggere/blocchi medie pesanti Pavimenti Pavimenti Pavimenti Piani Piani Piani tessile legno piastrelle tessile legno piastrelle tessile legno piastrelle

33 Capacità termica per unità di superficie edifici di nuova costruzione dove ρ i è la densità del materiale di cui è composto lo strato i-esimo della parete c i è il calore specifico del materiale di cui è composto lo strato i-esimo della parete d i è lo spessore dei singoli strati che compongono la parete. La sommatoria degli spessori degli strati Σ i d i = d è il valore minimo tra i seguenti: A. metà dello spessore totale del componente; B. lo spessore dei materiali tra la superficie di interesse e il primo strato di isolante termico, non tenendo conto di rivestimenti che non sono parte del componente; C. lo spessore massimo effettivo, in funzione del periodo delle variazioni, che nel caso di 1 giorno è pari a 10 cm. Il calcolo analitico della capacità termica areica delle strutture edilizie può essere effettuato con la procedura riportata nell Appendice A della norma UNI EN ISO che si basa sulla seguente formula: m,k i i d i c i

34 Capacità termica per unità di superficie edifici di nuova costruzione m,k i i d i c i

35 Capacità termica per unità di superficie edifici di nuova costruzione La capacità termica interna dell edificio o della zona termica è data dalla sommatoria dei prodotti della capacità termica unitaria dei singoli componenti edilizi a contatto con l aria interna per le rispettive superfici: k m C m A 1 m, k k

36 Descrizione sintetica procedura di calcolo Calcolo degli apporti gratuiti Per ogni zona dell'edificio e per ogni mese, gli apporti termici gratuiti si calcolano con la seguente formula: Q H,gn = Q int + Q sol,w dove: Qint Qsol,W sono gli apporti gratuiti interni per il metabolismo degli occupanti; generato dalle apparecchiature elettriche e dagli apparecchi di illuminazione; proveniente dal sistema di distribuzione e di scarico dell acqua. sono gli apporti gratuiti solari dovuti all irraggiamento solare sulle superfici vetrate dell edificio

37 Descrizione sintetica procedura di calcolo Calcolo degli apporti termici solari Per ogni zona dell'edificio e per ogni mese, gli apporti termici solari si calcolano con la seguente formula: dove: Φ sol,mn,k b tr,l,z Φ sol,mn,u,l t è il flusso termico prodotto dalla k-esima di origine solare, mediato sul tempo; è il fattore di riduzione per l'ambiente non climatizzato avente la sorgente di calore interna l-esima oppure il flusso termico l- esimo di origine solare; è il flusso termico l-esimo di origine solare nell'ambiente non climatizzato adiacente u, mediato sul tempo; è la durata del mese considerato.

38 Descrizione sintetica procedura di calcolo Calcolo degli apporti termici solari Per ogni zona dell'edificio e per ogni mese, gli apporti termici solari dovuti ai componenti opachi si calcolano con la seguente formula: dove: Φ sol,mn,k b tr,l,z Φ sol,mn,u,l t è il flusso termico prodotto dalla k-esima di origine solare, mediato sul tempo; è il fattore di riduzione per l'ambiente non climatizzato avente la sorgente di calore interna l-esima oppure il flusso termico l- esimo di origine solare; è il flusso termico l-esimo di origine solare nell'ambiente non climatizzato adiacente u, mediato sul tempo; è la durata del mese considerato.

39 Descrizione sintetica procedura di calcolo Calcolo degli apporti termici solari Il flusso termico k-esimo di origine solare, Φ sol,k, espresso in W, si calcola con la seguente formula: dove: F sh,ob,k A sol,k I sol,k sol, k F sh, ob, k Asol, k Isol, k è il fattore di riduzione per ombreggiatura relativo ad elementi esterni per l'area di captazione solare effettiva della superficie k-esima; è l'area di captazione solare effettiva della superficie k-esima con dato orientamento e angolo d'inclinazione sul piano orizzontale, nella zona o ambiente considerato; è l'irradianza solare media mensile, sulla superficie k-esima, con dato orientamento e angolo d'inclinazione sul piano orizzontale.

40 Descrizione sintetica procedura di calcolo Nel nostro caso si è deciso di utilizzare l equazione presente nell appendice H, paragrafo 2 della NORMA UNI EN ISO 13790, in cui F S è pari al prodotto di altri tre fattori, F o, F h e F f : F che esprimono rispettivamente: min, sh, ob, k hor ov F F F -F h, il fattore di ombreggiatura parziale dovuto ad ostruzioni esterne; -F o, il fattore di ombreggiatura parziale dovuto ad aggetti verticali; -F f, il fattore di ombreggiatura parziale dovuto ad aggetti orizzontali. fin

41 Per ostruzioni esterne ed aggetti orizzontali

47 Per ostruzioni esterne

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49 Per Aggetti orizzontali

50 Interpolazione lineare

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52 Descrizione sintetica procedura di calcolo Calcolo degli apporti termici solari L'area di captazione solare effettiva di un componente vetrato dell'involucro (per esempio una finestra), A sol, è calcolata con la seguente formula: dove: F sh,gl g gl F F A w,p è il fattore di riduzione degli apporti solari relativo all'utilizzo di schermature mobili; è la trasmittanza di energia solare della parte trasparente del componente; è la frazione di area relativa al telaio, rapporto tra l'area proiettata del telaio e l'area proiettata totale del componente finestrato; è l'area proiettata totale del componente vetrato (l'area del vano finestra).

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55 Descrizione sintetica procedura di calcolo Calcolo degli apporti termici solari L'area di captazione solare effettiva di un parte opaca dell'involucro edilizio, A sol, è calcolata con la seguente formula: dove: sol,c A sol, k sol, c è il fattore di assorbimento solare del componente opaco; R se U c A c Tonalità di colore Coefficiente di Assorbimento Chiaro 0,3 Medio 0,6 Scuro 0,9 R se U c A c è la resistenza termica superficiale esterna del componente opaco, determinato secondo la UNI EN ISO 6946; è la trasmittanza termica del componente opaco; è l'area proiettata del componente opaco.

56 N. Area Codice struttur a Piano esp. Angolo ostruzion e [ ] Angolo aggetto orizz. [ ] dicembre gennaio febbraio marzo For Fov Ffin Fsh,ob For Fov Ffin Fsh,ob For Fov Ffin Fsh,ob For Fov Ffin Fsh,ob 1 A1 S6 P1 S 16,5 32 0,816 0,861 1,0 0,703 0,863 0,850 1,0 0,734 0,841 0,810 1,0 0,681 0,924 0,745 1,0 0,688 4 A4 S8 P1 S 14,3 61,2 0,855 0,693 1,0 0,592 0,893 0,673 1,0 0,601 0,861 0,633 1,0 0,545 0,933 0,491 1,0 0,458 5 A5 S6 PT S 22,8 45 0,607 0,801 1,0 0,486 0,682 0,781 1,0 0,533 0,762 0,741 1,0 0,564 0,899 0,641 1,0 0,576 8 A8 S8 PT S 20,8 73,3 0,713 0,613 1,0 0,437 0,778 0,593 1,0 0,461 0,796 0,552 1,0 0,439 0,907 0,379 1,0 0,343

57 Calcolo degli apporti termici solari edifici esistenti

58 Calcolo degli apporti gratuiti di calore Per il calcolo degli apporti di calore gratuiti occorre considerare l effetto concomitante di due fattori, il primo è la presenza di persone e apparecchiature all interno dell edificio, il secondo è la radiazione solare incidente sulle superfici che costituiscono l involucro edilizio, che determina un aumento della temperatura interna di calore. dove Σ b tr,l,z Ф int,mn,k Ф int,mn,u,l è il fattore di riduzione per la zona non climatizzata avente sorgente di calore interna l-esima è il flusso termico prodotto dalla k-esima sorgente di calore interna alla zona climatizzata, mediato nel tempo, espresso in W è il flusso termico prodotto dalla k-esima sorgente di calore interna alla zona non climatizzata adiacente u, mediato nel tempo, espresso in W. In genere il prodotto può essere trascurato. Nel caso di un edificio residenziale, gli apporti interni possono essere determinati sulla base della sua superficie utile A f : se A f 120 m 2 se A f > 120 m 2 Φ int = 7,987 A f 0,0353 A 2 f W Φ int = 450 W

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60 Calcolo degli apporti termici interni edifici esistenti