Fabbisogno di energia termica in regime invernale

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1 Corso di IMPIANTI TECNICI Fabbisogno di energia termica in regime invernale Prof. Paolo ZAZZINI Dipartimento INGEO Università G. D Annunzio Pescara

2 Il DPR 412/93 suddivide il territorio nazionale in Zone climatiche in funzione del valore assunto dal parametro Gradi Giorno GG: GG n j1 t i t eg La sommatoria è estesa a tutti i giorni dell anno in cui t eg,j < 12 C t i : temperatura di riferimento per gli interni riscaldati = 20 C t eg,j : temperatura media giornaliera esterna., j Allegato A DPR 412/93: Zona climatica GG Zona A: GG < 600 Zona B: 600 < GG < 900 Zona C: 900 < GG < 1400 Zona D: 1400 < GG < 2100 Zona E: 2100 < GG < 3000 Zona F: GG > 3000

3 Le zone climatiche servono a stabilire il periodo annuo di esercizio degli impianti (stagione di riscaldamento) e la temperatura esterna di progetto. DPR 412/93 Zona climatica Zona A: Zona B: Zona C: Zona D: Zona E: Zona F: Stagione di riscaldamento 1 Dicembre - 15 Marzo 1 Dicembre - 31 Marzo 15 Novembre - 31 Marzo 1 Novembre - 15 Aprile 15 Ottobre - 15 Aprile 200 gg. dal 15 Ottobre UNI Localita Pescara L Aquila Chieti Teramo Zona climatica D E D D

4 Categorie di edifici (DPR 412/93): E.1 : Edifici adibiti a residenza e assimilabili (1) residenze a carattere continuativo (abitazioni civili, collegi, conventi, case di pena, caserme) (2) residenze con occupazione saltuaria ( case per vacanze, fine settimana e simili) (3) edifici adibiti ad albergo, pensione e simili. E.2: Edifici adibiti ad uffici E.3 Edifici adibiti a case di cura, ospedali... E.4 Edifici adibiti ad attività ricreative, di culto, associative... E.5 Edifici adibiti ad attività commerciali E.6 Edifici adibiti ad attività sportive: (1) piscine, saune...; (2) palestre...; (3) servizi... E.7 Edifici adibiti ad attività scolastiche... E.8 Edifici adibiti ad attività industriali ed artigianali Se esistono categorie diverse nello stesso edificio ciascuna deve essere considerata nella categoria che le compete.

5 UNI TS UNI TS /2008: Prestazioni energetiche degli edifici parte I: Determinazione del fabbisogno di energia termica dell edificio per la climatizzazione estiva ed invernale. Modalità per l applicazione della UNI EN ISO 13790/2008 ( Prestazione energetica degli edifici- Calcolo del fabbisogno di energia per il riscaldamento e il raffrescamento ) con riferimento al metodo utilizzato per il calcolo dei fabbisogni di energia termica per riscaldamento e per raffrescamento UNI TS /2008: Prestazioni energetiche degli edifici parte II: Determinazione del fabbisogno di energia primaria e dei rendimenti per la climatizzazione invernale e per la produzione di acqua calda sanitaria. Metodi e dati per il calcolo del fabbisogno di acqua calda sanitaria, di energia elettrica degli ausiliari e del fabbisogno di energia primaria UNI TS /2008: Prestazioni energetiche degli edifici parte III: Determinazione del fabbisogno di energia primaria e dei rendimenti per la climatizzazione estiva. UNI TS /2008: Prestazioni energetiche degli edifici parte IV: Utilizzo di energie rinnovabili e di altri metodi di generazione per il riscaldamento di ambienti e la preparazione di acqua calda sanitaria.

6 Perdite per trasmissione Perdite per ventilazione Apporti interni EDIFICIO Apporti solari Edificio Fattore di utilizzazione Perdite di emissione IMPIANTO Energia primaria Perdite di distribuzione Perdite di accumulo Perdite di generazione Impianto termico Energia primaria degli ausiliari

7 Potenze termiche da considerare nel bilancio termico Dispersioni termiche tra ambiente interno ed esterno attraverso pareti opache e trasparenti Dispersioni termiche tra ambiente interno ed esterno attraverso i ponti termici Dispersioni termiche tra ambiente interno ed ambienti interni a diversa temperatura (non riscaldati) Dispersioni termiche verso il terreno Scambi termici dovuti alle infiltrazioni d aria attraverso l involucro (finestre, cassonetti, etc.) e al rinnovo dell aria (ventilazione) Apporti termici gratuiti sensibili e latenti dovuti a persone, impianti di illuminazione, apparecchiature presenti Apporti gratuiti solari

8 Regime invernale La temperatura esterna subisce oscillazioni contenute intorno al valore medio che è sensibilmente diverso dalla temperatura interna di 20 C Condizioni di regime stazionario: temperatura esterna costante pari ad un valore medio statistico determinato per ciascun mese dell anno del sito in cui è ubicato l edificio (UNI 10349) temperatura interna costante pari a 20 ±1 C (DPR 412/93)

9 Dimensionamento dell impianto termico Calcolo delle dispersioni per trasmissione e ventilazione Per il dimensionamento dell impianto termico, si effettua il calcolo delle dispersioni termiche nelle condizioni più gravose di funzionamento, trascurando gli apporti solari e gratuiti ed imponendo una condizione di temperatura esterna costante e minima per il sito considerato (DPR 1052/77) Per Pescara Te = 2 C In molti casi pratici si fa ancora riferimento alla vecchia Norma UNI 7357/74, sebbene sia stata sostituita dalla UNI EN 12831

10 DISPERSIONI PER TRASMISSIONE Pareti opache verso l esterno Q d,1 n Q d, 1 Q i in cui: i1 Q i U i A i t in t out t Ui A i : : in t out : trasmittanza della iesima parete opaca dell involucro area della superficie disperdente della iesima parete opaca dell involucro differenza di temperatura tra interno ed esterno U i 1 in n j1 1 L j j m k 1 1 C k 1 out L j j in : out C k spessore dello strato jesimo della parete iesima : conducibilità termica dello strato jesimo della parete iesima (UNI-CTI 10351) : adduttanza interna (7,7 W/m 2 K per pareti verticali, 6 W/m 2 K per pareti orizzontali) : adduttanza esterna (25 W/m 2 K) : conduttanza unitaria del kesimo strato non omogeneo della parete iesima

11 DISPERSIONI PER TRASMISSIONE Ponti termici Q d 2 Ponte termico: discontinuità di forma, di struttura o mista (forma + struttura) Producono in incremento della dispersione termica (via preferenziale di dispersione) Es: Attacco parete-solaio, parete-parete, parete pavimento, pilastro, telaio di finestra o di porta Ponte termico di forma Ponte termico di struttura Ponte termico misto

12 In corrispondenza di un ponte termico il fenomeno termico non può essere considerato monodimensionale Le linee isoflusso sono sempre perpendicolari alle linee isoterme. Nelle zone indisturbate: linee isoterme parallele alle facce estreme della parete => flusso termico monodimensionale. Nella zona del ponte termico: linee isoterme incurvate => flusso termico bi-tridimensionale.

13 Coefficiente di eterogeneità della temperatura superficiale t t in in t t pt p0 1,5 Ponte termico grave t in t pt t p0 : : : temperatura dell aria interna temperatura della parete nella zona del ponte termico temperatura della parete nella zona indisturbata In edifici isolati termicamente, i ponti termici non corretti incidono sulle dispersioni termiche percentualmente di più che negli edifici non isolati Intervento correttivo ottimale: isolamento a cappotto dell edificio

14 Poiché il flusso non è monodimensionale, non si può calcolare la dispersione termica di un ponte termico col metodo della trasmittanza. A ciascuna tipologia di ponte termico è associato un coefficiente lineico, che consente di valutare la potenza termica dispersa nel modo seguente: Q pt k L t in t out essendo: k: coefficiente lineico del ponte termico considerato [W/mK] L: estensione lineare del ponte termico considerato [m] t in : temperatura di progetto interna [K] t out : temperatura di progetto esterna [K]

15 Coefficienti lineici UNI EN Tipologia di ponte termico [W/mK] Se il ponte termico è costituito da un giunto tra due strutture che fanno parte di due zone termiche diverse, il valore del coefficiente lineico dedotto dalla UNI EN deve essere ripartito tra le due zone interessate

16 In prima approssimazione, per tener conto delle dispersioni dovute ai ponti termici, si possono adottare le seguenti maggiorazioni percentuali alla dispersione totale della struttura (UNI EN ISO 14683) Tipologia di struttura Magg. % Parete con isolamento a cappotto dall esterno senza aggetti, balconi e con ponti termici corretti 5 Parete con isolamento a cappotto dall esterno con aggetti, balconi 15 Parete omogenea in mattoni pieni o in pietra senza isolante 5 Parete a cassa vuota con mattoni forati senza isolante 10 Parete a cassa vuota con isolamento nell intercapedine (ponte termico corretto) 10 Parete a cassa vuota con isolamento nell intercapedine (ponte termico non corretto) 20 Pannello prefabbricato in calcestruzzo con pannello isolante all interno 30

17 Individuati tutti i ponti termici dell ambiente considerato si effettua il calcolo della potenza totale dispersa sommando i singoli contributi Q d 2 n k i1 i L i t in t out dove: n: numero di ponti termici dell ambiente considerato k i : coefficiente lineico dell iesimo ponte termico dell ambiente considerato [W/mK] L i : estensione lineare dell iesimo ponte termico dell ambiente considerato [m] t in : temperatura di progetto interna [K] t out : temperatura di progetto esterna [K]

18 DISPERSIONI PER TRASMISSIONE Serramenti Q d 3 La dispersione termica attraverso una finestra si calcola tenendo conto che i serramenti sono costituiti da due componenti: telaio e superficie vetrata. Q d3 U w A w t in t out dove: U w : trasmittanza termica del serramento [W/m 2 K] A w : area del serrranento [m 2 ] Per calcolare il valore di U w si possono utilizzare due procedure definite dalla UNI EN ISO 10077/2002

19 Metodo rigoroso U w U g A g U A g f A A f f l g g U g : trasmittanza termica area vetrata [W/m 2 K] A g : area del vetro [m 2 ] U f : trasmittanza termica del telaio [W/m 2 K] A f : area del telaio [m 2 ] l g : lunghezza del perimetro del vetro [m] g : trasmittanza termica lineare del serramento [W/mK] La trasmittanza termica lineare tiene conto della conduzione di calore complementare dovuta all interazione tra telaio, vetro e distanziatore del vetro e dipende dalle proprietà termiche di ognuno di questi componenti. La norma ISO definisce un metodo numerico per il calcolo di g e fornisce, in alternativa, dei valori di default per tipiche combinazioni di telai vetri e distanziatori

20 Metodo semplificato Materiale Spessore (mm) U f (W/m 2 K) Si determina il valore della trasmittanza termica del telaio U f in funzione del tipo di materiale utilizzato e del suo spessore Legno duro (rovere, mogano, iroko) Legno tenero (pino, abete, larice..) 50 2,4 60 2,2 70 2,1 50 2,0 60 1,9 70 1,8 PVC a due camere 2,2 Es. telaio in legno tenero, spessore 50 mm, U f = 2 W/m 2 K PVC a tre camere 2,0 PVC (telai da mm) 1,2 1,7 Alluminio senza taglio termico 7,0 Alluminio con taglio termico 2,2 3,8

21 Con il valore di U f si determina U w selezionando il tipo di vetrata con il relativo valore di U g Tipo di vetrata U g Uw con area telaio pari al 20%dell area dell intera finestra U f Uw con area telaio pari al 30%dell area dell intera finestra U f 1,8 2,0 2,2 2,6 3,0 3,4 3,8 7,0 1,8 2,0 2,2 2,6 3,0 3,4 3,8 7,0 Singola 5,7 4,9 5,0 5,0 5,1 5,2 5,2 5,3 6,0 4,5 4,6 4,6 4,8 4,9 5,0 5,1 6, ,3 3,2 3,2 3,3 3,4 3,5 3,5 3,6 4,1 3,0 3,1 3,2 3,3 3,4 3,5 3,6 4, ,1 3,0 3,0 3,1 3,2 3,3 3,4 3,5 3,9 2,9 2,9 3,0 3,1 3,3 3,4 3,5 4, ,9 2,8 2,9 3,0 3,1 3,1 3,2 3,3 3,8 2,7 2,8 2,9 3,0 3,1 3,2 3,4 4,2 Esempio: vetrata con U g = 3,1 W/m 2 K, U w =3,0 W/m 2 K

22 DISPERSIONI PER TRASMISSIONE Q d, Dispersioni verso locali non riscaldati 4 n, 4 in cui: i1 Q d Q i Q i U i A i t in t loc Ui A i : : tin t loc : trasmittanza della iesima parete dell involucro disperdente verso un locale non riscaldato area della superficie della iesima parete dell involucro disperdente verso un locale non riscaldato differenza di temperatura tra interno e locale non riscaldato U i 1 in n j1 L j j 1 m k 1 1 C k 1 out

23 Temperature esterne di progetto per locali non riscaldati UNI CTI 7357/74 Temp. Locale contiguo 20 C Temp. est. - 5 C

24 DISPERSIONI PER TRASMISSIONE Dispersioni verso il terreno Q d,5 Q d U, 5 pav Apav tin 12,5 U : coefficiente globale di scambio termico tra l ambiente interno ed il terreno [W/m 2 K] t in pav A pav : area del pavimento [m 2 ] 12 : differenza di temperatura tra ambiente interno e temperatura media del terreno [K] U 1 1 K C pav 1 pav K pav C : : trasmittanza termica del terreno [W/m 2 K] conduttanza termica del terreno [1,74 W/m 2 K]

25 DISPERSIONI PER VENTILAZIONE La necessità di effettuare il ricambio d aria richiesto per motivi igienici comporta l introduzione all interno dell ambiente di aria di rinnovo a temperatura pari a quella esterna. La potenza termica necessaria per riscaldare quest aria alla temperatura di benessere equivale ad una dispersione, che viene pertanto detta per ventilazione Q v c a a G v t in t out In cui: Q v : potenza termica dispersa per ventilazione [W] a : densità dell aria [1,2 kg/m 3 ] c a : calore specifico dell aria [4186 J/kg K] G v : portata dell aria di rinnovo [m 3 /s] t in : temperatura dell aria interna [ C] t out : temperatura dell aria esterna [ C]

26 La portata d aria di rinnovo di calcola ipotizzando un numero di ricambi orari per una civile abitazione pari a 0,3 volumi /ora (UNI TS ). Indicando con V il volume dell ambiente, si ha: G 0,3V 3600 m s 3 A titolo di esempio, calcoliamo la potenza dispersa per ventilazione da un ambiente di volume 600 m 3 : Q v c a a G 4520,9 W 4,5 kw v t t 1, , i e