Corso di Energetica degli Edifici

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1 Corso di Energetica degli Edifici Docenti: Prof. Ing. Marco Dell Isola Facoltà di Ingegneria Università degli studi di Cassino Ing. Fernanda Fuoco Facoltà di Ingegneria Università degli studi di Cassino Fabbisogno di energia primaria per la climatizzazione invernale

2 Fabbisogno di energia primaria per il riscaldamento Per fabbisogno di energia primaria utile si intende la quantità di energia primaria globalmente richiesta, nel corso dell anno, per mantenere negli ambienti riscaldati, la temperatura di progetto in regime di attivazione continua. Calcolo su base mensile Fabbisogno di energia primaria utile Q p,h = sommatoria dei fabbisogni di energia primaria calcolati su base mensile e per tutto il periodo di riscaldamento. Metodo di calcolo: UNI TS Parte 2 2

3 Rendimenti e perdite del sistema impianto Per facilitare il calcolo dei rendimenti/perdite del sistema, l impianto di riscaldamento per la climatizzazione invernale risulta suddiviso in sottosistemi: sottosistema di emissione/erogazione in ambiente interno; sottosistema di regolazione e controllo dell emissione di calore in ambiente; sottosistema di distribuzione; sottosistema di accumulo (se esistente); sottosistema di generazione. 3

4 Rendimenti e perdite del sistema impianto Per ciascun sottosistema è necessario calcolare le relative perdite totali e quelle recuperate, il fabbisogno di energia ausiliaria impiegato l energia termica recuperata dagli ausiliaria stessi. Indichiamo: Q Eh,in : energia totale degli ausiliari in entrata al sistema-impianto; Qeh, in è espressa in energia elettrica. È utilizzata per l avvio delle pompe, ventilatori, sistemi di regolazione e controllo. Parte di questa energia può essere recuperata come energia termica utile. Q gh,in : energia termica totale in entrata al sistema-impianto. 4

5 Rendimenti e perdite del sistema impianto Fabbisogno di energia in ingresso a qualsiasi generico sottosistema: Nota Bene: Esiste anche un metodo di calcolo delle perdite totali dei vari sottosistemi tramite dei valori tabellari che tengono conto dei diversi tipi e caratteristiche del sistema-impianto di riscaldamento utilizzato. Tali valori però, non tengono in alcun conto le perdite di calore/elettriche recuperate, per cui risultano essere valori molto penalizzanti. 5

6 Perdite del sistema impianto Le perdite recuperate possono essere sottratte al Fabbisogno di energia termica secondo due modalità: Sottraendo al fabbisogno di energia in uscita dal sottosistema di emissione (ovvero al fabbisogno di energia per il riscaldamento), un valore pari alla somma delle perdite recuperate da tutti i sottosistemi; Sottraendo al valore di energia termica in uscita da ciascun sottosistema il valore della perdita relativa al sottosistema considerato, favorendo il sottosistema a valle; 6

7 Sottosistema di emissione sottosistema di emissione/erogazione in ambiente interno; Le perdite del sottosistema di erogazione è fortemente influenzato dalle caratteristiche degli ambienti interni dalla tipologia del sistema emettitore. In caso di mancanza di dati di progetto, la norma UNI TS Parte 2, fornisce tabelle in cui viene valutato il rendimento del sottosistema nei due casi: locali con altezze inferiori a 4 m e altezze maggiori comprese entro i 14 m. Perdite termiche del sottosistema di emissione: 7

8 Sottosistema di emissione UNI TS Parte 2 8

9 Sottosistema di emissione UNI TS Parte 2 9

10 Sottosistema di controllo e regolazione I rendimenti del sottosistema di regolazione e di controllo dipendono dal tipo di terminale utilizzato e hanno valori definiti nel prospetto 20 della norma UNI TS Parte 2. 10

11 Sottosistema di controllo e regolazione I sistemi di controllo differiscono a seconda della loro applicazione sui sistemi di riscaldamento e si dividono in: Termostato di zona: regola la temperatura di un insieme di ambienti. La temperatura del fluido termovettore è costante ed è la stessa di quella impostata sul generatore. Termostato di ambiente: la temperatura è controllata in ogni ambiente attraverso valvole termostatiche posizionate sui terminali. Solo Climatica: vi è una centralina che, rilevando la temperatura esterna, quindi regolandosi sul clima, modifica i parametri della temperatura dei terminali interni. È un sistema insufficiente in quanto non verifica le variazioni di temperatura interna e le reali condizioni di benessere. Climatica + Ambiente con regolatore: due sistemi di controllo che lavorano in sinergia. La centralina climatica rileva la temperatura esterna ed adatta la temperatura del fluido termovettore alle condizioni esterne ed il termostato di ambiente mantiene la temperatura degli ambienti entro i valori stabiliti. Climatica + Zona con regolatore: Stessa sinergia tra i due sistemi di controllo come visto in precedenza, solo che la regolazione interna avviene attraverso un termostato di zona (e non di ambiente). 11

12 Sottosistema di controllo e regolazione I regolatori invece si dividono in: Controllore ON-OFF: il sistema è tutto accesso (100%) o spento. Solitamente per evitare i continui spegnimenti si attiva una banda di tolleranza intorno al valore stabilito; Regolatore proporzionale (banda proporzionale x C): il regolatore modula l intervento di variazione sulla temperatura in modo proporzionale allo scostamento tra set point e valore rilevato; Regolatore PI o PID: oltre all azione proporzionale sopra citata, si migliora la velocita di risposta alla correzione tra oscillazioni e set point, attraverso un azione Integrale (I) o Derivata (D) 12

13 Sottosistema di controllo e regolazione Il calcolo delle perdite termiche del sottosistema di regolazione si ottiene dalla seguente equazione: 13

14 Sottosistema di distribuzione Il rendimento del sottosistema di distribuzione è funzione: 1. del tipo di distribuzione dell impianto; 2. dell altezza dell edificio; 3. dello spessore dell isolamento delle tubazioni. 14

15 Sottosistema di distribuzione 1. del tipo di distribuzione dell impianto; La distribuzione dell impianto può essere: di tipo verticale cioè dal generatore partono tante tubazioni quanti sono i terminali previsti per ogni piano; di tipo orizzontale cioè dal generatore parte un unico montante che si dirama, ad ogni piano, verso i terminali. Questo tipo di distribuzione permette di conoscere il consumo di energia termica per ogni piano. Qualora non si abbiano riferimenti di progetto relativi ad edifici esistenti, ci si può riferire ai valori riportati nel prospetto 21 della norma UNI TS , i quali risultano penalizzanti in quanto non prevedono alcun recupero termico. 15

16 In mancanza di dati di progetto si possono utilizzare i rendimenti del prospetto 21 UNI TS 11300/2. In questo caso, tutte le perdite recuperabili si devono considerare non recuperate, ossia la quota di recupero viene posta uguale a zero. Q hr : Fabbisogno energetico utile effettivo che tiene conto delle perdite di emissione e di regolazione N.B. Nel caso di impianti con fluido termovettore aria calda, il calcolo delle perdite deve essere effettuato in ogni caso utilizzando metodi di calcolo analitici. 16

17 Sottosistema di distribuzione Prospetto 21- Rendimenti di distribuzione UNI TS Parte 2 17

18 Sottosistema di distribuzione Per edifici di nuova costruzione, invece, è richiesto il calcolo attraverso il metodo descritto nell appendice A della UNI TS o mediante metodi analitici descritti nelle norme pertinenti attraverso la formula seguente: 18

19 Sottosistema di accumulo sottosistema di accumulo (se esistente) Le perdite del sottosistema di accumulo vengono calcolate: = dispersione termica del sistema di accumulo Kboll, [W/K], valore fornito dal costruttore 19

20 Sottosistema di accumulo In caso di mancanza di dati di progetto, per gli edifici esistenti: Si fa riferimento a dei valori tabellari che forniscono i coefficienti approssimativi delle perdite in funzione delle dimensioni dell accumulo. In questo caso le perdite si possono calcolare con la seguente equazione: 20

21 Sottosistema di accumulo N.B.: Nel caso in cui la distanza tra serbatoio di accumulo e generatore sia inferiore ai 5 m e le tubazioni di collegamento sono isolate, il valore delle perdite di accumulo possono essere trascurate. 21

22 Tipi di generatori I generatori sono composti da: il bruciatore che miscela l aria con il combustibile e alimenta il focolare dai tubi di fumo che scaldano il fluido termovettore da un involucro esterno di materiale isolante protetto da una lamiera (mantello isolante). Ogni caldaia e caratterizzata da: una potenza termica al focolare, che indica la quantità di calore prodotta nel focolare nell arco di un ora; una potenza termica utile, cioè la quantità di calore effettivamente trasferita, per ogni ora, al fluido termovettore 22

23 Tipi di generatori I generatori possono essere divisi in 3 macroclassificazioni: 1. generatore monostadio (ON-OFF): (o di tipo tradizionale), oramai poco usati, funzionano a sistema tutto acceso (100%) e non lavorano a temperature intermedie. 2. generatore modulante: possono lavorare con qualsiasi potenza intermedia compresa tra il massimo ed il minimo consentito. 3. generatore a condensazione: sono ritenuti ad alto rendimento in quanto sfruttano il calore latente di condensazione del vapor d acqua prendendo cosi a riferimento il potere calorifico superiore e non il PCI. In queste caldaie la presenza del tiraggio forzato (di fatto obbligatorio) permette di lavorare a temperature molto basse, gestendo il problema delle condense acide con l adozione di scambiatori. 23

24 Tipi di generatori I generatori di calore possono essere anche suddivisi a secondo del tipo di bruciatore installato: a bruciatore atmosferico: generatori in cui il bruciatore è integrato nel generatore. La quasi totalità delle caldaie murarie a tiraggio naturale sono di questo tipo. Hanno un rendimento modesto, ma sono di semplice costruzione, manutenzione e ad alta affidabilità. Usate soprattutto negli impianti autonomi, possono essere di Tipo B a tiraggio naturale che preleva aria dall ambiente interno in cui è installata (ormai poco utilizzata per ragioni di sicurezza), di Tipo C (o a camera stagna) a tiraggio forzato, installata in ambiente interno ma che preleva aria dall esterno o di Tipo B-C a tiraggio naturale ed installata all esterno; Tipi di generatori di calore e rendimenti 24

25 Tipi di generatori con bruciatore separato, di tipo pressurizzato: sono le caldaie a tubi d acqua (tipico dei generatori di vapore) e caldaie a tubi di fumo (la quasi totalità della caldaie ad acqua calda oltre i 100 KWt). Queste ultime si dividono a loro volta in: caldaie a temperatura costante caldaie a bassa temperatura o di tipo scorrevole, che vengono utilizzate sempre più frequentemente nell ammodernamento dei vecchi impianti, in sostituzione delle caldaie tradizionali. 25

26 Sottosistema di generazione A seconda del tipo di perdite a cui si fa riferimento, e possibile calcolare 3 tipi di rendimenti differenti del sistema-generatore: Rendimento di combustione che tiene conto delle perdite a bruciatore acceso; Rendimento utile (stelle) che tiene conto anche delle perdite al mantello; Rendimento di generazione che tiene conto, oltre alle due tipologie di perdite sopra citate, anche delle perdite a vuoto (bruciatore spento). 26

27 Sottosistema di generazione Ai fini dei calcoli prestazionali si considera il Rendimento medio stagionale (RMS). La UNI TS Parte 2 dispone di prospetti (23a-23b-23c-..) con valori pre-calcolati in funzione delle tipologie più comuni di generatori, della loro dimensione e delle condizioni d installazione. Legenda dei fattori di correzione: F1 rapporto fra la potenza del generatore installato e la potenza di progetto richiesta. F2 installazione all'esterno; F3 camino di altezza maggiore di 10 m; F4 temperatura media di caldaia maggiore di 65 C in condizioni di progetto; F5 generatore monostadio; F6 camino di altezza maggiore di 10 m in assenza di chiusura dell'aria comburente all'arresto (non applicabile ai premiscelati); F7 temperatura di ritorno in caldaia nel mese più freddo. 27

28 Sottosistema di generazione 28

29 Sottosistema di generazione Qualora vengano utilizzati i valori del prospetto 23, le perdite di generazione si calcolano con la formula seguente: Nel caso in cui le condizioni presentate risultano differenti da quelle indicate nei prospetti, si richiede il ricorso ai metodi indicati dall appendice B della norma UNI TS Parte 2. 29

30 Sottosistema di generazione Il Rendimento di generazione considera tre fattori di perdita: le perdite al camino a bruciatore acceso; le perdite al camino a bruciatore spento; le perdite al mantello. 30

31 Sottosistema di generazione le perdite al camino a bruciatore acceso (Qgn,ch,on) Avvengono per l elevata temperatura dei fumi. Una riduzione della temperatura di lavoro diminuisce le perdite limitando tuttavia il funzionamento del tiraggio del camino. Bisognerebbe proporzionare adeguatamente l altezza del camino in rapporto alla dimensione del generatore e della temperatura dei fumi al fine di ottimizzare il rapporto perdite-lavoro. I valori delle perdite sono deducibili dalla prova fumi o dal libretto della caldaia (nel caso in cui questa sia nuova e mai usata) o calcolabile tramite metodo analitico. 31

32 Sottosistema di generazione le perdite al camino a bruciatore spento (Qgn,ch,off) Avvengono quando, malgrado il bruciatore sia spento, il camino ha un effetto di tiraggio dovuto alla differenza di temperatura, per cui continua ad aspirare l aria calda verso l alto (l esterno). L eccessivo sovradimensionamento della caldaia provoca delle perdite notevoli a bruciatore spento. È possibile ridurre l effetto-tiraggio con dei bruciatori a serranda che impediscono la fuoriuscita del calore o abbassando (anche qui) la temperatura dei fumi ed inserendo dei regolatori di tiraggio (tipo prese d aria sul camino stesso che bloccano il tiraggio). I valori delle perdite sono deducibili dal libretto della caldaia (nel caso in cui questa sia nuova e mai usata), calcolabile tramite metodo analitico o precalcolate. 32

33 Sottosistema di generazione le perdite per trasmissione dal mantello (Qgn,env) Avvengono tramite irraggiamento e convezione a causa di un inadeguato isolamento dell involucro o dimensionamento del generatore. Anche l elevata temperatura dell acqua all interno del generatore e la sua posizione in ambiente riparato (piuttosto che non climatizzato) condizionano questo tipo di perdite. Valori delle perdite per trasmissione attraverso l involucro o mantello 33

34 Sottosistema di generazione La perdita totale di energia del sistema di generazione può essere calcolata: 34

35 Sottosistema di generazione Le perdite del sistema di generazione possono essere calcolate tramite la seguente equazione qualora fosse noto il rendimento del sottosistema di generazione: 35

36 Sottosistema di generazione Si rimanda alla lettura completa della norma UNI TS Parte 2, per il calcolo puntuale dell energia elettrica richiesta dagli ausiliari di ogni singolo sottosistema. L influenza del calcolo della potenza elettrica necessaria e recuperata nel sistema impianto è di notevole importanza ai fini del calcolo del fabbisogno di energia primaria. 36

37 Fabbisogno di energia primaria per il riscaldamento Il fabbisogno complessivo di energia primaria per il solo riscaldamento è dato da: I fattori di conversione sono i seguenti: Combustibili fossili f p,i = 1 Energia elettrica (il valore di riferimento per la conversione tra kwh elettrici e MJ definito con provvedimento dell Autorità per l energia elettrica e il gas, al fine di tener conto dell efficienza media di produzione del parco termoelettrico) 37

38 Metodo di calcolo semplificato Il metodo semplificato si applica per determinare il fabbisogno di energia primaria per il riscaldamento su base stagionale (per il fabbisogno per l acqua calda sanitaria su base annua). Si seguono i passi qui riportati: 1. si calcolano le perdite dei sottosistemi rifacendosi ai prospetti che riporta la norma UNI TS ; 2. si trascurano i recuperi di energia termica dal sistema di produzione acqua calda, dagli ausiliari elettrici del sottosistema di emissione, dagli ausiliari elettrici del sottosistema distribuzione; 3. la potenza media stagionale è data dal rapporto tra il fabbisogno in uscita al generatore e il periodo legale di riscaldamento; 4. la potenza nominale richiesta al generatore di calore è data dal rapporto tra il fabbisogno in uscita al generatore e il fattore climatico di carico medio stagionale della località considerata definito come rapporto la differenza di temperatura media stagionale tra interno ed esterno e la differenza di temperatura tra interno ed esterno di progetto; 5. il fattore di carico medio del generatore è dato dal rapporto tra la potenza media stagionale e la potenza termica utile nominale del generatore installato; 38

39 Metodo di calcolo semplificato 6. il fattore di dimensionamento del generatore f1 è dato dal rapporto tra la potenza termica utile nominale del generatore installato e la potenza nominale richiesta al generatore di calore; 7. le perdite di generazione si valutano dal prospetto 23; 8. il fabbisogno stagionale di energia del generatore di calore si ottiene sommando al fabbisogno in uscita dal generatore le perdite di generazione; 9. la potenza elettrica degli ausiliari del generatore di calore si calcolano l equazione B.18 della UNI TS , assumendo i valori del prospetto B.4 della UNI TS ; 10. la potenza elettrica di eventuale pompa primaria si assume pari a 100 W (si veda prospetto B.18 della UNI TS ); 11. la potenza complessiva degli ausiliari elettrici è la somma di quelle del sottosistema di generazione e dell eventuale pompa primaria; 12. il fabbisogno di energia elettrica degli ausiliari è dato dal prodotto della potenza complessiva degli ausiliari elettrici, per il fattore di carico medio del generatore e per il periodo legale di riscaldamento; 13. il fabbisogno globale annuo di energia primaria per il riscaldamento sarà dato dalla somma del fabbisogno stagionale di energia del generatore di calore e del fabbisogno di energia elettrica degli ausiliari, entrambi riportati in energia primaria. 39

40 Tipi di generatori Generatori a bassa temperatura o di tipo scorrevole Questo tipo di caldaia provvede a regolare la temperatura dell acqua di mandata in funzione del carico termico richiesto, utilizzando un bruciatore a temperatura variabile (a stadi o meglio, a modulazione continua). In questo modo le perdite passive si riducono proporzionalmente alla temperatura di mandata ed aumentano le prestazioni ed il rendimento stagionale. Lavorando inoltre a temperature più basse, diminuiscono le perdite attraverso il mantello e a bruciatore spento. Questo tipo di caldaia trova ottimo impiego nella sostituzione di vecchie caldaie tradizionali che, sovente sovradimensionate, lavorano alla massima potenza indipendentemente dal carico climatico/ termico effettivamente necessario. 40

41 Tipi di generatori Caldaie a condensazione Le caldaie a condensazione possono ottenere prestazioni elevatissime e ridurre le emissioni di ossidi di azoto (NOx) e monossido di carbonio (CO) fino al 70% rispetto alle caldaie tradizionali. Queste infatti, riescono ad ottenere rendimenti eccellenti grazie al recupero del calore latente di condensazione del vapore acqueo contenuto nei fumi di scarico prodotti dalla combustione che eventualmente andrebbero dispersi. Questi, tecnicamente, prima di essere espulsi all esterno, sono forzati ad attraversare uno scambiatore nel quale il vapore acqueo condensa, cedendo parte del calore latente di condensazione all acqua del circuito. le caratteristiche di costruzione ed i materiali di quest apparecchio sono tali da resistere ai danni e agli acidi prodotti dall acqua di condensa. La caldaia a condensazione, in generale, è ideale se accoppiata con sistemi radianti a basse temperature, che le permettono di lavorare a temperature ideali di mandata e ritorno, intorno ai 40/30 C. Lavorando a temperature a basse e producendo fumi non sufficientemente caldi a garantire un efficace tiraggio naturale, questo tipo di caldaie ha richiesto l obbligo del tiraggio forzato. 41

42 Tipi di generatori Caldaie a condensazione La caldaia a condensazione, può essere anche impiegata con un impianto ad alte temperature come i termosifoni tradizionali ma, per ottenere rendimenti interessanti, è necessario che la temperatura di ritorno sia più bassa rispetto ai valori convenzionali (quindi lavorando con un Δt di mandata/ritorno maggiore). Questo è possibile riducendo la portata del fluido termovettore. E stato stimato che l investimento relativo all installazione di una caldaia a condensazione possa essere recuperato nel giro di 7 anni. calcolando la detrazione fiscale del 55% il rientro dell investimento si ha in soli 3 anni. 42

43 Tipi di generatori Pompe di calore a compressione Sono macchine che trasferiscono calore da una sorgente più fredda ad una più calda utilizzando energia elettrica (sistema a compressione). Sistema reversibile, cioè può cambiare la sua funzione da elemento riscaldante (pompa di calore regime invernale) a raffrescante (pompa di calore regime estivo macchina frigorifera). Si realizza cosi la possibilità di climatizzare un ambiente per un intero anno (con un unico impianto. La prestazione di una pompa di calore, COP (coefficient of Performance), è il rapporto tra la quantità di calore fornita all ambiente da riscaldare e il lavoro speso. 43

44 Tipi di generatori In commercio ne esistono 4 tipologie: aria-acqua: la pompa di calore preleva calore dalla sorgente fredda costituita dall aria esterna al locale da riscaldare, generalmente l ambiente esterno, e la cede a temperatura maggiore al pozzo caldo costituito da un circuito d acqua (di riscaldamento degli ambienti); aria-aria: preleva calore dall aria esterna per cederla a temperatura maggiore al pozzo caldo costituito ancora da aria (generalmente quella dell ambiente riscaldato); acqua-acqua: le pompe di calore acqua/acqua ricavano il calore utile dall acqua di falda che, anche in pieno inverno, mantiene una temperatura tra i + 7 C e i + 12 C e quindi non risente delle condizioni climatiche esterne. costi di funzionamento, pertanto, sono inferiori anche se richiede un costo addizionale dovuto al sistema di adduzione dell acqua e al suo trattamento/depurazione; acqua-aria: la pompa di calore preleva calore dalla sorgente fredda costituita da acqua (di lago, fiume o falda) e la cede a temperatura maggiore al pozzo caldo costituito da aria (quella dell ambiente riscaldato). Altra alternativa interessante e la pompa di calore che sfrutta come sorgente fredda il terreno (pompe di calore geotermiche). 44

45 Tipi di generatori Macchina ad assorbimento Questo tipo di macchina ha la caratteristica di fare a meno del compressore che solitamente viene alimentato da energia elettrica. L assenza di compressore è possibile mediante l impiego di due fluidi frigorigeni uno solvente e uno soluto che si combinano tra loro formando una soluzione che circola all interno della macchina. Questa viene poi separata nuovamente riattivando il ciclo. Combinazione e scomposizione alternata dei due fluidi comporta l innalzamento della pressione, assolvendo la funzione di un normale compressore. L L assorbitore è la componente impiantistica all interno della quale avviene la combinazione dei due fluidi; Il generatore è la componente nel quale avviene la dissociazione dei fluidi, rendendo gassoso il soluto con il conseguente innalzamento della temperatura e della pressione. Il movimento del fluido avviene tramite una piccola pompa di circolazione. Questa macchina necessita di un input di calore, proveniente da un bruciatore a gas (metano/gpl). Le coppie di fluidi generalmente utilizzati sono: Acqua-solvente / Ammoniaca-soluto; Bromuro di litio-solvente / Acqua-soluto. 45

46 Tipi di generatori Macchina ad assorbimento 46