Il calcolo l energetico di una serra solare: esempi ed applicazioni mediante il software in serra

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1 Il calcolo l energetico di una serra solare: esempi ed applicazioni mediante il software in serra Ph.D. Ing. Riccardo Farina Ingegnere Meccanico Dottore di Ricerca in Ingegneria dei Sistemi Green Energy Auditor di Sacert ing.r.farina@gmail.com

2 Il bilancio energetico dell edificio per il riscaldamento Apporti termic ci dalle apparecchiat ture Energia prim maria per riscaldament o e acqua calda san nitaria Apporti termici dagli occupanti Apporti termici interni Apporti termici solari dei componenti vetrati Fabbisogno globale di energia primaria per riscaldamento e acqua calda sanitaria Apporti termici totali Energia termica utile per riscaldamento e acqua calda sanitaria Apporti termici i utilizzabili Energia termica utile per riscaldamento Apporti termici non utilizzabili Scambio termico totale Energia termica utile per acqua calda sanitaria Energ gia dispersa per ventilazione Energia dispe ersa per trasmissione Energia recuperata Perdite tecniche Confine dell ambiente climatizzato 2

3 La specifica tecnica nazionale UNI/TS Apporti termic i dalle apparecchiat ture Energia prim maria per riscaldament o e acqua calda san nitaria Apporti termici dagli occupanti Apporti termici interni Apporti termici solari dei componenti vetrati Fabbisogno globale di energia primaria per riscaldamento e acqua calda sanitaria Apporti termici totali Energia termica utile per riscaldamento e acqua calda sanitaria Apporti termici i utilizzabili Energia termica utile per riscaldamento Apporti termici non utilizzabili Scambio termico totale Energia termica utile per acqua calda sanitaria Energ gia dispersa per ventilazione Energia dispe ersa per trasmissione Energia recuperata Perdite tecniche Confine dell ambiente climatizzato 3

4 La specifica tecnica nazionale UNI/TS Apporti termic i dalle apparecchiat ture Energia prim maria per riscaldament to e acqua calda san nitaria Apporti termici dagli occupanti Apporti termici interni Apporti termici solari dei componenti vetrati Fabbisogno globale di energia primaria per riscaldamento e acqua calda sanitaria Apporti termici totali Energia termica utile per riscaldamento e acqua calda sanitaria Apporti termici i utilizzabili Energia termica utile per riscaldamento Apporti termici non utilizzabili Scambio termico totale Energia termica utile per acqua calda sanitaria Energ gia dispersa per ventilazione Energia dispe ersa per trasmissione Energia recuperata Perdite tecniche Confine dell ambiente climatizzato 4

5 Q sol Energia termica utile per riscaldamento Q sol Q r Q D Q r Q D Q sol Q sol Q ve Q int,a Q ve Q r Q D Q int,oc Q r Q D Q U Q g Scambi termici: Q H,ht Apporti termici: Q gn Prestazione termica: Q H,nd = Q H,ht H,gn Q gn 5

6 Energia termica utile per riscaldamento in presenza di serra Q sol Q sol Q r Q D Q r Q D Q sol Q ve Q int,a Q sol,u Q r,u Q r Q D Q si Q int,oc Q sd Q U Q U Q g Scambi termici: Q H,ht Apporti termici: Q gn Prestazione termica: Q H,nd = Q H,ht H,gn Q gn 6

7 Energia primaria per riscaldamento gn rg E P,H e d Q H,nd Rendimento medio annuo: g = e rg d gn Prestazione energetica: E P,H = Q H,nd / g 7

8 L esposizione migliore di una serra solare Edificio ottagonale di lato 5 m alto 3 m con una finestra su ogni parete, privo di ostruzioni e ubicato a tre diverse latitudini di una stessa zona climatica (D): Due diversi tipi di involucro: Genova: 44 25, 1435 GG Pareti e solai Infissi Involucro molto disperdente U = 1,2 W/m 2 K Involucro poco disperdente U = 0,3 W/m 2 K Vetro singolo U Doppio vetro = 5 W/m 2 K bassoemissivo U = 1,2 W/m 2 K Roma: 41 53, 1415 GG Clt Caltanissetta: tt 37 29, 1550 GG 8

9 L esposizione migliore di una serra solare Edificio ottagonale di lato 5 m alto 3 m con una finestra su ogni parete, privo di ostruzioni e ubicato a tre diverse latitudini di una stessa zona climatica (D): Otto diverse esposizioni per una serra solare completamente vetrata: N NE E SE S SO O NO serra parallelepipeda larga 5 m, profonda 3 m e alta 3 m; pavimento serra: U = 0,36 W/m 2 K; pareti e soffitto serra: doppio vetro normale, U = 2,4 W/m 2 K. Due diverse tipologie i di parete divisoria: i i completamente opaca; completamente lt t vetrata. t 9

10 L esposizione migliore di una serra solare Risultati ottenuti a Roma, relativi alla riduzione del fabbisogno di energia primaria per il riscaldamento dei due diversi tipi di involucro, ottenibili con una serra diversamenteorientata avente una parete divisoria completamente opaca: 10

11 L esposizione migliore di una serra solare Risultati ottenuti a Roma, relativi alla riduzione del fabbisogno di energia primaria per il riscaldamento dei due diversi tipi di involucro, ottenibili con una serra diversamenteorientata avente una parete divisoria completamente vetrata: 11

12 L esposizione migliore di una serra solare Risultati relativi alla riduzione del fabbisogno di energia primaria per il riscaldamento dell involucro molto disperdente, ottenibili con una serra esposta a N o a S in funzione della percentuale di area vetrata della parete divisoria: 20,00 10,00 Riduzione fabb bisogno di energia [%] 0,00 10,00 20,00 30,00 0% 10% 20% 30% 40% 50% 60% 70% 80% 90% 100% GE N RM N CL N GE S RM S CL S 40,00 50,00 Area superficie vetrata [m2] 12

13 L esposizione migliore di una serra solare Risultati relativi alla riduzione del fabbisogno di energia primaria per il riscaldamento dell involucro poco disperdente, ottenibili con una serra esposta a N o a S in funzione della percentuale di area vetrata della parete divisoria: 40,00 30, ,00 Riduzione fabb bisogno di energia [%] 10,00 0,00 10,00 0% 10% 20% 30% 40% 50% 60% 70% 80% 90% 100% GE N RM N CL N GE S RM S CL S 20,00 30,00 40,00 Area superficie vetrata [m2] 13

14 Il software Fase 1: Dati Generali Fase 2: Piani Riscaldati Fase 3: Serra Solare Fase 4: Impianto di Riscaldamento 14

15 Il software Fase 1: Dati Generali Fase 2: Piani Riscaldati Fase 3: Serra Solare Fase 4: Impianto di Riscaldamento 15

16 Il software Fase 1: Dati Generali Fase 2: Piani Riscaldati Fase 3: Serra Solare Fase 4: Impianto di Riscaldamento 16

17 Il software Fase 1: Dati Generali Fase 2: Piani Riscaldati Fase 3: Serra Solare Fase 4: Impianto di Riscaldamento 17

18 Esempio n. 1 Appartamento al secondo piano di un edificio residenziale sito in Roma costruito negli anni sessanta, così caratterizzato: A f = 75.3 m 2 h n = 3 m Trasmittanza pareti perimetrali (cassa vuota) verso esterno e verso vano scale: U 11W/( p = 1.1 W/(m 2 K) Trasmittanza infissi (vetro singolo): U = 2 w 4.9 W/(m K) Sul fronte Sud è presente un balcone che si vuole chiudere per realizzare una serra solare avente 3 pareti verticali vetrate con U w = 2.4 W/(m 2 K) (doppio vetro normale) ed un soffitto opaco U p = 1.2 W/(m 2 K) costituito dal balcone dell appartamento t superiore. 18

19 Esempio n. 1 Scambi termici ed apporti solari in assenza di serra attraverso le superfici verticali opache, raggruppate per esposizione [MJ]: NO NE O E SO SE S serra.it QD Qg QU QA Qr QH,tr Qsol 19

20 Esempio n. 1 Scambi termici ed apporti solari in presenza di serra attraverso le superfici verticali opache, raggruppate per esposizione [MJ]: N NO NE O E SO SE S serra.it QD Qg QU QA Qr QH,tr Qsol QS,T Qss 20

21 Esempio n. 1 Scambi termici ed apporti solari in assenza di serra attraverso le superfici verticali vetrate, raggruppate per esposizione [MJ]: N NO 5000 NE O E SO SE S serra.it QD QU QA Qr QH,tr Qsol 21

22 Esempio n. 1 Scambi termici ed apporti solari in presenza di serra attraverso le superfici verticali vetrate, raggruppate per esposizione [MJ]: N NO NE O E SO SE S serra.it QD QU QA Qr QH,tr Qsol QS,T Qss 22

23 Esempio n. 1 Scambi termici per trasmissione ed apporti solari attraverso le superfici verticali opache e trasparenti e la serra, raggruppate per esposizione [MJ] O NO N NE E SO SE S serra.it QH,tr in assenza di serra Qsol,tot in assenza di serra QH,tr in presenza di serra Qsol,tot in presenza di serra 23

24 Esempio n. 1 Scambi termici ed apporti termici nella stagione di riscaldamento [kwh] QD Qg QU QS QA Qr QH,tr QH,ve QH,ht Qsol Qss Qint Qgn QH,nd in assenza di serra in presenza di serra serra.it 24

25 Esempio n. 1 Fabbisogni mensili di energia primaria per riscaldamento [kwh] Ottobre Novembre Dicembre Gennaio Febbraio Marzo Aprile in assenza di serra in presenza di serra serra.it 25

26 Esempio n. 1 Classificazione energetica relativa alla prestazione energetica per la climatizzazione invernale serra.it La realizzazione della serra solare a Sud determina una riduzione dell'indice di prestazione energetica per la climatizzazione invernale dal valore EPi = 72,57 kwh/(m 2 anno) al valore EPi = 52,44 kwh/(m 2 anno), corrispondente ad una riduzione del fabbisogno di energia primaria per la climatizzazione invernale pari al 27,7 %. 26

27 Esempio n. 2 Appartamento al secondo piano di un edificio residenziale sito in Roma costruito negli anni sessanta, così caratterizzato: A f = 75.3 m 2 h n = 3 m Trasmittanza pareti perimetrali (cassa vuota) verso esterno e verso vano scale: U 11W/( p = 1.1 W/(m 2 K) Trasmittanza infissi (vetro singolo): U = 2 w 4.9 W/(m K) Sul fronte Nord è presente un balcone che si vuole chiudere per realizzare una serra solare avente 3 pareti verticali vetrate con U w = 2.4 W/(m 2 K) (doppio vetro normale) ed un soffitto opaco U p = 1.2 W/(m 2 K) costituito dal balcone dell appartamento t superiore. 27

28 Esempio n. 2 Scambi termici per trasmissione ed apporti solari attraverso le superfici verticali opache e trasparenti e la serra, raggruppate per esposizione [MJ] serra.it 28

29 Esempio n. 2 Scambi termici ed apporti termici nella stagione di riscaldamento [kwh] QD Qg QU QS QA Qr QH,tr QH,ve QH,ht Qsol Qss Qint Qgn QH,nd in assenza di serra in presenza di serra serra.it 29

30 Esempio n. 2 Fabbisogni mensili di energia primaria per riscaldamento [kwh] Ottobre Novembre Dicembre Gennaio Febbraio Marzo Aprile in assenza di serra in presenza di serra serra.it 30

31 Esempio n. 2 Classificazione energetica relativa alla prestazione energetica per la climatizzazione invernale serra.it La realizzazione della serra solare a Nord determina una riduzione dell'indice di prestazione energetica per la climatizzazione invernale dal valore EPi = 90,91 kwh/(m 2 anno) al valore EPi = 73,13 kwh/(m 2 anno), corrispondente ad una riduzione del fabbisogno di energia primaria per la climatizzazione invernale pari al 19,6 %. 31

32 Il software di riferimento in-serra Il calcolo energetico di una serra solare: esempi ed applicazioni Ph.D. mediante Ing. Riccardo il software Farina in serra Il calcolo energetico di una serra solare: Ing. esempi Riccardo ed Farina applicazioni mediante il software in serra 32

33 Il software Fase 1: Dati Generali Fase 2: Piani Riscaldati Fase 3: Serra Solare Fase 4: Impianto di Riscaldamento Metodo di calcolo: Per ogni piano: Parete divisoria Sistema di emissione Superfici disperdenti Solai e coperture Caratteristiche generali Sistema di regolazione Ombreggiamenti Pareti Pavimento Sistema di distribuzione Ponti termici Porte e finestre Soffitto Sistema di generazione Dati dell edificio: Ombreggiamenti Pareti Comune Ponti termici Ombreggiamenti Caratteristiche costruttive Piani unità immobiliare Ph.D. Ing. Riccardo Farina Il calcolo energetico Edifici una a serra basso solare: consumo: esempi le serre ed applicazioni solari bioclimatiche mediante il software in serra 33

34 Sommario Il bilancio energetico dell edificio La procedura per il calcolo del fabbisogno di energia termica dell'edificio edificio per la climatizzazione invernale Gli scambi termici Gli apporti termici Il calcolo di una serra solare secondo la norma internazionale UNI EN ISO Esempi ed applicazioni mediante il software in serra Ph.D. Ing. Riccardo Farina Il calcolo energetico Edifici una a serra basso solare: consumo: esempi le serre ed applicazioni solari bioclimatiche mediante il software in serra 34

35 Il software Fase 1: Dati Generali Fase 2: Piani Riscaldati Fase 3: Serra Solare Fase 4: Impianto di Riscaldamento Metodo di calcolo Per ogni piano: Parete divisoria Sistema di emissione Dati dell edificio Solai e coperture Caratteristiche generali Sistema di regolazione Piani unità immobiliare Pareti Pavimento Sistema di distribuzione Porte e finestre Soffitto Sistema di generazione Ponti termici Pareti Ph.D. Ing. Riccardo Farina Il calcolo energetico Edifici una a serra basso solare: consumo: esempi le serre ed applicazioni solari bioclimatiche mediante il software in serra 35

36 Il bilancio energetico dell edificio L esposizione migliore di una serra solare N NO NE O E Genova: 44 25, 1435 GG SO SE S Roma: 41 53, 1415 GG Caltanissetta: 37 29, 1550 GG Ph.D. Ing. Riccardo Farina Il calcolo energetico Edifici una a serra basso solare: consumo: esempi le serre ed applicazioni solari bioclimatiche mediante il software in serra 36

37 Come esempio si è scelto un edificio ottagonale isolato di altezza 3 metri ed avente lato esterno di 5 metri, con una finestra 1,7 mq per ognuna delle otto esposizioni, ii i ubicato nelle seguenti localitàli italiane appartenenti alla stessa zona climatica (D) con simili gradi giorno: Genova (1435 GG), Roma (1415 GG) e Caltanissetta (1550 GG). Prof. arch. Ro oberto Carratù sol,tot sol (1 b tr ) sol,u ss sol,p sol,w (1 b tr ) sol,u,p (1 b tr ) sol,u,w sd si F e,tot sd,p F e,tot sd,w (1 b tr ) F e,tot si,p (1 b tr ) F e,tot sd,p 37

38 Apporti termici attraverso una serra solare La specifica tecnica UNI/TS :2008 accenna alle serre solari nell ambito del calcolo degli apporti solari attraverso ambienti non climatizzati ed indica per esse lanecessità diconsiderare tali apporti, dati da: t Q sol.u,u 1 btr sol,mn,u, [MJ] In quanto ambienti non climatizzati, le serre sono da intendersi separate dall ambiente climatizzato adiacente da una parete divisoria, la quale trasferisce all interno sia il calore di origine solare che incide direttamente su di essa attraverso la parte vetrata dell involucro l della dll serra (apporti i diretti, i Q sd ), sia il calore che incide su altre superfici opache della serra, si accumula in quest ultima, e viene dunque trasferito indirettamente all interno, parzialmente, attraverso la stessa parete di separazione (apporti indiretti, Q si ). Il metodo di calcolo degli apporti solari diretti e indiretti è contenuto nell appendice E della norma UNI EN ISO 13790:2008 secondo cui l apporto termico solare entrante nell ambiente climatizzato attraverso la serra è pari a: Q ss = Q sd + Q si [MJ] 38

39 La variazione del bilancio energetico in presenza di una serra solare Una parete che delimita un ambiente climatizzato verso l esterno, disperde verso l esterno e verso la volta celeste e riceve un apporto termico solare, nella misura: Q D H D int,set,h e t Q r F t [MJ] k r,k r,mn, k Q sol k sol,mn, k t [MJ] [MJ] La stessa parete, in presenza di serra, disperde verso la serra e riceve un apporto solare attraverso di essa, tanto in termini di spazio non climatizzato, che a causa delle peculiarità della serra, secondo le quantità: Q U H U Q ss = Q sd + Q si int,set,h e t [MJ] 1 b t Q sol.u,u tr sol,mn,u, [MJ] [MJ] Q sol Q Q r Q D Q sol,u Q ss Q U 39

40 Riduzione degli apporti solari in presenza di ostruzioni Ciascun componente edilizio che delimita verso l esterno l ambiente climatizzato o un ambiente non climatizzato ad esso adiacente, è investito da un flusso di calore di origine solare, che si calcola come: sol = F sh,ob A sol I sol = (F hor F ov F fin ) A sol I sol Per superfici verticali, l effetto leffetto di una ostruzione, descritto attraverso un angolo, riduce il coefficiente F hor secondo quanto indicato dalla UNI/TS ; Per superfici comunque inclinate, l effetto di una ostruzione, descritto attraverso un angolo, riduce l irradianza I sol secondo quanto indicato dalla UNI/TR [W] 2 s 1 Edificio Serra s Ostruzione 40

41 Le norme di riferimento UNI EN ISO 6946:2008 Componenti ed elementi per edilizia Resistenza termica e trasmittanza termica Metodo di calcolo UNI EN ISO : EC 1: EC 2:2012 Prestazione termica di finestre, porte e chiusure oscuranti Calcolo della trasmittanza termica Parte 1: Generalità UNI EN ISO 10211:2008 Ponti termici in edilizia Flussi termici e temperature superficiali Calcoli dettagliati UNI 10349: EC 1: EC 2:2012 Riscaldamento e raffrescamento degli edifici. Dati climatici UNI/TS : EC 1:2010 Prestazioni energetiche degli edifici Parte 1: Determinazione del fabbisogno di energia termica dell'edificioper edificio la climatizzazione estiva ed invernale UNI/TS : EC 1:2010 Prestazioni energetiche degli edifici Parte 2: Determinazione del fabbisogno di energia primaria e dei rendimenti per la climatizzazione invernale e per la produzione di acqua calda sanitaria UNI/TS :2010 Prestazioni energetiche degli edifici Parte 3: Determinazione del fabbisogno di energia primaria e dei rendimenti per la climatizzazione i estiva UNI/TS :2012 Prestazioni energetiche degli edifici Parte 4: Utilizzo di energie rinnovabili e di altri metodi di generazione per la climatizzazione invernale e per la produzione di acqua calda sanitaria UNI/TR :2009 Energia solare Calcolo degli apporti per applicazioni in edilizia Parte 1: Valutazione dell energia raggiante ricevuta UNI EN ISO 13370:2008 Prestazione termica degli edifici Trasferimento di calore attraverso il terreno Metodi di calcolo UNI EN ISO 13786: EC 1:2011 Prestazione termica dei componenti per edilizia Caratteristiche termiche dinamiche Metodi di calcolo UNI EN ISO 13789:2008 Prestazione termica degli edifici Coefficienti di trasferimento del calore per trasmissione e ventilazione Metodo di calcolo UNI EN ISO 13790:2008 Prestazione energetica degli edifici Calcolo del fabbisogno di energia per il riscaldamento e il raffrescamento UNI EN ISO 14683:2008 Ponti termici in edilizia Coefficiente di trasmissione termica lineica Metodi semplificati e valori di riferimento Ph.D. Il calcolo Ing. energetico Riccardo Farina di una serra solare: Il esempi calcolo ed energetico di una serra solare: Ing. esempi Riccardo ed Farina applicazioni mediante il software in serra 41 applicazioni mediante il software in serra

42 Descrizione sintetica della procedura di calcolo La procedura di calcolo comprende i seguenti passi: 1) definizione dei confini dell'insieme degli ambienti climatizzati e non climatizzati dell'edificio; 2) definizione dei confini delle diverse zone di calcolo, se richiesta; 3) definizione delle condizioni interne di calcolo e dei dati di ingresso relativi al clima esterno; 4) calcolo, per ogni mese e per ogni zona dell'edificio, dei fabbisogni di energia termica per il riscaldamento e il raffrescamento; 5) aggregazione dei risultati relativi ai diversi mesi ed alle diverse zone servite dagli stessi impianti. Ph.D. Il calcolo Ing. energetico Riccardo Farina di una serra solare: Il esempi calcolo ed energetico di una serra solare: Ing. esempi Riccardo ed Farina applicazioni mediante il software in serra 42 applicazioni mediante il software in serra

43 Descrizione sintetica della procedura di calcolo La procedura di calcolo comprende i seguenti passi: definizione dei confini dell'insieme degli ambienti climatizzati e non climatizzati dell'edificio definizione dei confini delle diverse zone di calcolo, se richiesta definizione delle condizioni interne di calcolo e dei dati di ingresso relativi al clima esterno calcolo, per ogni mese e per ogni zona dell'edificio edificio, deifabbisogni di energia termica per il riscaldamento e il raffrescamento aggregazione dei risultati relativi ai diversi mesi ed alle diverse zone servite dagli stessi impianti Ph.D. Il calcolo Ing. energetico Riccardo Farina di una serra solare: Il esempi calcolo ed energetico di una serra solare: Ing. esempi Riccardo ed Farina applicazioni mediante il software in serra 43 applicazioni mediante il software in serra

44 Apporti termici diretti Dal momento che, in generale, la parete divisoria è in parte vetrata ed in parte opaca, gli apporti termici diretti si esprimono come la somma di due contributi, entrambi ridotti per tener conto delle caratteristiche dell involucro della serra: Hp,tot Q F 1 1 A A sd sh,e F,e ge F,w gw w p p I pt [MJ] H p,e dove: F sh,e è il fattore di riduzione per ombreggiatura relativo ad elementi esterni per l'area di captazione solare effettiva della serra [0]; (1 F F,e ) è il fattore di correzione dovuto al telaio della serra [0]; g e è la trasmittanza di energia solare totale della parte trasparente della serra [0]; I p t è l irradianza solare media del mese considerato o della frazione di mese, sulla superficie assorbente della parete divisoria, con dato orientamento t e angolo di inclinazione i sul piano orizzontale [W/m 2 ]; è la durata del mese considerato o della frazione di mese [Ms]; Ph.D. Il calcolo Ing. energetico Riccardo Farina di una serra solare: Il esempi calcolo ed energetico di una serra solare: Ing. esempi Riccardo ed Farina applicazioni mediante il software in serra 44 applicazioni mediante il software in serra

45 Q sd F sh,e Apporti termici diretti p,tot 1 F g 1 F g A A I t F,e e F,w w w p p H H p,e p [MJ] dove: (1 F F,w ) è il fattore di correzione dovuto al telaio della parte finestrata della parete divisoria [0]; g w la trasmittanza di energia solare totale della parte finestrata della parete divisoria [0]; A w è larea l area proiettata totale del componente vetrato della parete divisoria, cioè l'area del vano finestra [m 2 ]; p è il fattore di assorbimento solare della parte opaca della parete divisoria [0]; A p è l area proiettata della parte opaca della parete divisoria [m 2 ]; H p,tot è il coefficiente di scambio termico per trasmissione dall'ambiente interno all'ambiente esterno, attraverso la parte opaca della dll parete divisoria e la serra [W/K]; H p,e è il coefficiente di scambio termico per trasmissione dalla superficie assorbente dll della parete divisoria i i all'ambiente esterno, attraverso la serra [W/K]. Ph.D. Il calcolo Ing. energetico Riccardo Farina di una serra solare: Il esempi calcolo ed energetico di una serra solare: Ing. esempi Riccardo ed Farina applicazioni mediante il software in serra 45 applicazioni mediante il software in serra

46 Apporti termici diretti Coefficiente di scambio termico per trasmissione H p,tot : Per determinare H p,tot [W/K] occorre far riferimento al flusso di calore [W], che dall ambiente ambiente climatizzato a temperatura i [K] arriva all ambienteambiente esterno a temperatura e [K] attraversando la parte opaca della parete divisoria, di trasmittanza U p [W/(m 2 K)] e la serra a temperatura s [K]; Detto H T,se [W/K] il coefficiente di scambio termico per trasmissione dalla serra verso l esterno, per il flusso valgono le seguenti espressioni: = H p,tot ( i e ) / H p,tot = i e 1 H p,tot 1 A U p p 1 H = A p U p ( i s ) / (A p U p ) = i s 1 Hp,tot t = H T,se ( s e ) / H T,se = s 1 1 e ApUp HT, se T,se s i i A p U p H H p,tot H T,se e e Ph.D. Il calcolo Ing. energetico Riccardo Farina di una serra solare: Il esempi calcolo ed energetico di una serra solare: Ing. esempi Riccardo ed Farina applicazioni mediante il software in serra 46 applicazioni mediante il software in serra

47 Apporti termici diretti Coefficiente di scambio termico per trasmissione H p,e : Per determinare H p,e [W/K] occorre far riferimento al flusso di calore [W], che dalla superficie assorbente della parete divisoria a temperatura si [K] arriva all ambiente esterno a temperatura e [K] vincendo la resistenza superficiale della parete divisoria R si [m 2 K/W] e attraversando la serra a temperatura s [K]; Per il flusso valgono le seguenti espressioni: 1 = H p,e ( si e ) / H p,e = si e H p,e R A si p 1 H = (A p / R si ) ( si s ) / (A p / R si ) = si s 1 H p p,e = H Tse H Tse = Rsi 1 T,se ( s e ) / T,se s e A p H T, se T,se si s A p / R si H H p,e H T,se e e si Ph.D. Il calcolo Ing. energetico Riccardo Farina di una serra solare: Il esempi calcolo ed energetico di una serra solare: Ing. esempi Riccardo ed Farina applicazioni mediante il software in serra 47 applicazioni mediante il software in serra

48 Apporti termici indiretti La UNI EN ISO 13790:2008 fornisce l espressione: p,tot Q si 1 b F 1 F g I A F 1 F g A I t si tr sh,e F,e e j j j j sh,e F,e e p p H H p,e p [W] [MJ] dimensionalmente inconsistente! La correzione proposta discende dalla formulazione degli apporti indiretti presente nell appendice D della norma UNI EN 832:2001, sostituita proprio dalla UNI EN ISO 13790:2008, e si esplicita nella formula: Q si F p,tot 1 b 1 F g I A F 1 F g A I t tr sh,e F,e e j j j j sh,e F,e e p p H H p,e p [MJ] in cui si tiene conto dell accumulo l di calore che avviene nella serra a causa dell assorbimento della radiazione solare da parte di tutte le superfici opache in essa presenti, quali il pavimento, le eventuali parti opache perimetrali tanto verticali che orizzontali li( (coperture), nonché la stessa parte opaca dll della parete divisoria, già computata come apporto termico diretto. Ph.D. Il calcolo Ing. energetico Riccardo Farina di una serra solare: Il esempi calcolo ed energetico di una serra solare: Ing. esempi Riccardo ed Farina applicazioni mediante il software in serra 48 applicazioni mediante il software in serra

49 Q si dove: b tr Apporti termici indiretti p,tot 1 b F 1 F g I A F 1 F g A I t tr Hse H H is H se H is = H T,is + H V,is H se = H T,se + H V,se sh,e F,e e j j j j sh,e è il fattore di correzione dello scambio termico tra l ambiente climatizzato e la serra [0]; è il coefficiente globale di scambio termico tra l ambiente climatizzato e la serra [W/K]; è il coefficiente globale di scambio termico tra la serra e l ambiente esterno [W/K]; F,e e p p H H p,e p [MJ] I j è l irradianza solare media del dlmese considerato o della dll frazione di mese, sulla superficie assorbente j esima della serra, con dato orientamento e angolo di inclinazione sul piano orizzontale [W/m 2 ]; j è il fattore di assorbimento solare della superficie assorbente j esima della serra [0]; A j è l area proiettata della superficie assorbente j esima della serra [m 2 ]. Ph.D. Il calcolo Ing. energetico Riccardo Farina di una serra solare: Il esempi calcolo ed energetico di una serra solare: Ing. esempi Riccardo ed Farina applicazioni mediante il software in serra 49 applicazioni mediante il software in serra

50 La variazione del bilancio energetico in presenza di una serra solare Una parete che delimita un ambiente climatizzato verso l esterno, disperde verso l esterno e verso la volta celeste e riceve un apporto termico solare, nella misura: Q D H D int,set,h e t Q r F t [MJ] k r,k r,mn, k Q sol k sol,mn, k t [MJ] [MJ] La stessa parete, in presenza di serra, disperde verso la serra e riceve un apporto solare attraverso di essa, tanto in termini di spazio non climatizzato, che a causa delle peculiarità della serra, secondo le quantità: Q U H U int,set,h e t [MJ] 1 b t Q sol.u,u tr sol,mn,u, [MJ] Q ss = Q sd + Q si [MJ] Ph.D. Il calcolo Ing. energetico Riccardo Farina di una serra solare: Il esempi calcolo ed energetico di una serra solare: Ing. esempi Riccardo ed Farina applicazioni mediante il software in serra 50 applicazioni mediante il software in serra

51 La variazione del bilancio energetico in presenza di una serra solare La variazione di energia dispersa è data dal rapporto: QU H U H D btr His HD Q U D Q Q Q tr < 1 QD Qr 1 Q r Q D 1 Q r Q D 1 Q r QD in cui Q r / Q D > 0 e b tr < 1 e dove, trascurando per semplicità i ponti termici, si ha: H D = i A i U i [W/K] H is = i A i U i [W/K] con H is < H D, poiché risulta: 1 U R T 1 U R T R si R si 1 R j j 1 R j R j se R si [W/(m 2 K)] U [W/(m 2 K)] Considerando i ponti termici, H D, H is e H se aumentano, ma resta H is < H D e b tr < 1. La serra riduce sempre l energia dispersa Ph.D. Il calcolo Ing. energetico Riccardo Farina di una serra solare: Il esempi calcolo ed energetico di una serra solare: Ing. esempi Riccardo ed Farina applicazioni mediante il software in serra 51 applicazioni mediante il software in serra

52 La variazione del bilancio energetico in presenza di una serra solare La variazione di apporti solari è data dal rapporto: QQ Q sol Q sol Q,u Q sol ss btr sol,mn,u, t Qsd Q sol t 1 si k,mn, k che potrebbe anche risultare minore di uno; vale, comunque, quanto segue: in assenza di serra, gli unici apporti solari sono quelli sulla parete divisoria, i quali, in presenza di serra, restano nel bilancio termico ma sono computati come apporti diretti, e ridotti per tener conto del fattore telaio e della trasmittanza di energia solare totale della parte trasparente della serra; in presenza di serra, aumentano in generale le superfici vetrate che captano la radiazione solare; tuttavia, i flussi di calore ad esse associati intervengono nel bilancio termico ridotte del fattore (1 b tr ) il quale si riduce all aumentare del numero di lati della serra, dal momento che H se prevale rispetto ad H is ; gli apporti solari indiretti sono l unico vero extra apporto nel bilancio di un edificio con una serra; tuttavia, anch essi intervengono nel bilancio termico ridotti del fattore (1 b tr ) ed il loro peso si riduce al ridursi delle superfici opache della serra, le quali, d altronde altronde, prevalgono raramente sulla partevetrata dell involucro. Ph.D. Il calcolo Ing. energetico Riccardo Farina di una serra solare: Il esempi calcolo ed energetico di una serra solare: Ing. esempi Riccardo ed Farina applicazioni mediante il software in serra 52 applicazioni mediante il software in serra

53 Il rapporto tecnico nazionale UNI/TR Energia solare Calcolo degli apporti per applicazioni in edilizia Parte 1: Valutazione dell energia raggiante ricevuta Definisce un metodo di calcolo dell energia raggiante ricevuta da una superficie fissa comunque inclinata ed orientata. Il calcolo si basa sui valori medi mensili derivati dalla conoscenza di dati climatologici locali; Ha lo scopo di effettuare valutazioni di massima dell apporto energetico medio mensile dell energia solare da utilizzare per applicazioni termiche attive e passive negli edifici, in relazione alle caratteristiche morfologiche e tecnologiche di questi ultimi, alla loro collocazione nel tessuto costruito ed alle condizioni climatiche; È pubblicato al fine di consentire il calcolo dei parametri relativi alla radiazione solare in attesa dell emanazione della versione revisionata della UNI che conterrà anche le indicazioni aggiornate sulla terminologia, sulle formule e sui parametri da utilizzare; Si applica sia ad edifici solarizzati di nuova costruzione, sia ad edifici esistenti esposti alla solarizzazione; È stato tt pubblicato ad aprile 2009; sull argomento era in vigore la norma UNI del maggio del Ph.D. Il calcolo Ing. energetico Riccardo Farina di una serra solare: Il esempi calcolo ed energetico di una serra solare: Ing. esempi Riccardo ed Farina applicazioni mediante il software in serra 53 applicazioni mediante il software in serra

54 Definizione dei parametri geometrici relativi alla posizione del sole Angolo orario : angolo formato dal piano meridiano passante per l osservatore con il piano meridiano passante per il sole (cerchio orario), positivo se misurato da sud verso ovest; esso vale 15 per ogni ora di distanza dal mezzogiorno locale vero. ESEMPIO 1 Valore medio mensile dell angolo orario del tramonto s per Roma. Mese Gennaio Febbraio Marzo Aprile Maggio Giugno Luglio Agosto Settembre Ottobre Novembre Dicembre s [deg] Ph.D. Il calcolo Ing. energetico Riccardo Farina di una serra solare: Il esempi calcolo ed energetico di una serra solare: Ing. esempi Riccardo ed Farina applicazioni mediante il software in serra 54 applicazioni mediante il software in serra

55 Definizione dei parametri geometrici relativi alla posizione di una superficie Azimut : angolo formato dalla normale alla superficie e dal piano meridiano del luogo; è misurato positivamente da sud verso ovest. ESEMPIO 2 Valore medio mensile dell angolo orario dell apparire per una superficie verticale orientata a SO a Roma. Mese Gennaio Febbraio Marzo Aprile Maggio Giugno Luglio Agosto Settembre Ottobre Novembre Dicembre [deg] Ph.D. Il calcolo Ing. energetico Riccardo Farina di una serra solare: Il esempi calcolo ed energetico di una serra solare: Ing. esempi Riccardo ed Farina applicazioni mediante il software in serra 55 applicazioni mediante il software in serra

56 Definizione dei parametri geometrici relativi alla posizione di una superficie Inclinazione : angolo che la superficie forma con l orizzonte; è misurato positivamente dal piano orizzontale verso l alto. ESEMPIO 3 Valore medio mensile dell angolo orario dell apparire per una superficie con inclinazione = 60 e azimut = 45 a Roma. Mese Gennaio Febbraio Marzo Aprile Maggio Giugno Luglio Agosto Settembre Ottobre Novembre Dicembre [deg] Ph.D. Il calcolo Ing. energetico Riccardo Farina di una serra solare: Il esempi calcolo ed energetico di una serra solare: Ing. esempi Riccardo ed Farina applicazioni mediante il software in serra 56 applicazioni mediante il software in serra

57 Definizione dei parametri geometrici relativi alla posizione di una superficie In presenza di ostruzioni all orizzonte, si devono considerare anche gli angoli relativi all apparire o scomparire rispetto all ostruzione. ESEMPIO 4 Valori medi mensili degli angoli orari dell apparire e dello scomparire per la superficie dell esempio 3 in presenza di una ostruzione che schermi il sole fra gli azimut 2 = 30 e 1 = 20, fino ad un altezza = 40. Mese 1 [deg] [deg] [deg] [deg] Gennaio Febbraio Marzo Aprile Maggio Giugno Luglio Agosto Settembre Ottobre Novembre Dicembre Ph.D. Il calcolo Ing. energetico Riccardo Farina di una serra solare: Il esempi calcolo ed energetico di una serra solare: Ing. esempi Riccardo ed Farina applicazioni mediante il software in serra 57 applicazioni mediante il software in serra

58 Definizioni dei parametri energetici Radiazione: energia emessa, trasportata o ricevuta in forma di onde elettromagnetiche [MJ o kwh]. Flusso di energia raggiante: energia raggiante nell unità di tempo [kw]. Irradianza: rapporto tra il flusso di energia raggiante incidente su una determinata superficie e l area della superficie stessa [kw/m 2 ]. Irradiazione: energia ottenuta integrando nel tempo la irradianza sulla superficie [MJ/m 2 o kwh/m 2 ]. Radiazione solare: radiazione emessa dal sole [MJ o kwh]. La radiazione solare (globale) che arriva sulla superficie terrestre è formata dalla componente proveniente direttamente dal disco solare e dalla sua corona (diretta) e dalla componente che viene diffusa dall atmosfera terrestre (diffusa). Irradiazione solare diretta H b : energia integrale nel tempo della irradianza solare diretta [MJ/m 2 o kwh/m 2 ]. Irradiazione solare diffusa H d : energia integrale nel tempo della irradianza solare diffusa [MJ/m 2 o kwh/m 2 ]. Irradiazione i solare globale l H = H b + H d : energia integrale nel tempo della dll irradianza solare globale [MJ/m 2 o kwh/m 2 ]. Ph.D. Il calcolo Ing. energetico Riccardo Farina di una serra solare: Il esempi calcolo ed energetico di una serra solare: Ing. esempi Riccardo ed Farina applicazioni mediante il software in serra 58 applicazioni mediante il software in serra

59 Irradiazione solare globale media mensile 30,0 25,0 20,0 MJ/(m2g giorno) 15,0 10,0 5,0 0,0 Gen Feb Mar Apr Mag Giu Lug Ago Set Ott Nov Dic Hh (esempio 1) HSO (esempio 2) HSO_60,00 (esempio 3) HSO_60,00_o (esempio 4) Ph.D. Il calcolo Ing. energetico Riccardo Farina di una serra solare: Il esempi calcolo ed energetico di una serra solare: Ing. esempi Riccardo ed Farina applicazioni mediante il software in serra 59 applicazioni mediante il software in serra

60 Trasmittanza termica La trasmittanza termica è data da [W/(m 2 K)]: U R a dove: 1 R i i R b R a 1 d i i i R A g è l area della vetrata [m 2 ]; b [W/(m 2 K)] U g è la trasmittanza termica della vetrata [W/(m 2 K)]; A f è l area del telaio [m 2 ]; U f l g g è la trasmittanza termica del telaio [W/(m 2 K)]; è il perimetro totale della vetrata [m]; è la trasmittanza termica lineare dovuta agli effetti termici combinati della vetrata, del distanziatore e del telaio [W/(mK)]. Ph.D. Il calcolo Ing. energetico Riccardo Farina di una serra solare: Il esempi calcolo ed energetico di una serra solare: Ing. esempi Riccardo ed Farina applicazioni mediante il software in serra 60 applicazioni mediante il software in serra

61 Trasmittanza termica La trasmittanza termica di una finestra singola è data da [W/(m 2 K)]: U w A g U g A A g f U f A g g [W/(m 2 K)] dove: A g è l area della vetrata [m 2 ]; f U g è la trasmittanza termica della vetrata [W/(m 2 K)]; A f è l area del telaio [m 2 ]; U f l g g è la trasmittanza termica del telaio [W/(m 2 K)]; è il perimetro totale della vetrata [m]; è la trasmittanza termica lineare dovuta agli effetti termici combinati della vetrata, del distanziatoreee del telaio [W/(mK)]. Ph.D. Il calcolo Ing. energetico Riccardo Farina di una serra solare: Il esempi calcolo ed energetico di una serra solare: Ing. esempi Riccardo ed Farina applicazioni mediante il software in serra 61 applicazioni mediante il software in serra

62 Energia dovuta agli apporti solari Gli apporti termici solari Q sol = { k sol,mn,k } t + { l (1 b tr,l ) sol,mn,u,l } t [MJ] Ciascun componente edilizio che delimita verso l esterno l ambiente climatizzato (pedice k) o un ambiente non climatizzato ad esso adiacente (pedice l), è investito da un flusso di calore di origine solare, che si calcola come: sol,k = F sh,ob,k A sol,k I sol,k [W] sol,1 sol,2 sol,u,1 e sol,3 e i u sol,u,2 sol,4 sol,5 sol,6 sol,u,3 Ph.D. Il calcolo Ing. energetico Riccardo Farina di una serra solare: Il esempi calcolo ed energetico di una serra solare: Ing. esempi Riccardo ed Farina applicazioni mediante il software in serra 62 applicazioni mediante il software in serra