Contenimento consumi energetici SISTEMA EDIFICIO- IMPIANTI CERTIFICAZIONE ENERGETICA Oggi nel mondo ogni uomo è responsabile mediamente della produzione di 1 ton/anno di CO 2 Negli USA 20,5 ton/anno In Germania 10,2 ton/anno In Angola 0,4 ton/anno PROF. MAURIZIO ZUCCO In Italia al settore dell edilizia edilizia è ascrivibile il 30% del consumo totale di energia primaria il 40% del consumo totale per la produzione dei materiali 2 L edificio assorbe energia: durante la vita utile. Il risparmio energetico nell edificio edificio si ottiene riducendo le dispersioni termiche attraverso l involucro In particolare, durante la sua vita l edificio l consuma energia primaria per: riscaldamento invernale e raffrescamento estivo produzione di acqua calda sanitaria ventilazione e illuminamento conservazione degli alimenti (frigoriferi) lavaggio (lavatrici e lavastoviglie) divertimento e comunicazione (TV, radio, computer, fax, ecc.) preparazione e cottura dei cibi migliorando l efficienza dell impianto di illuminazione migliorando l efficienza dell impianto di produzione dell acqua calda 4 1
I principi di base della trasmissione del calore Durante la stagione invernale l involucro l dell edificio edificio è interessato dal passaggio del calore prodotto all interno verso l ambiente l esterno, caratterizzato da una temperatura più bassa. Il calore si propaga per conduzione nei solidi, il trasferimento di energia avviene attraverso la materia, senza movimento macroscopico di quest ultima ultima Il calore si propaga per convezione quando uno dei corpi interessati dallo scambio termico è un fluido o aria. Il trasferimento di energia è associato al trasferimento di materia, con movimenti convettivi tipici dei fluidi. Il calore si propaga per irraggiamento, anche nel vuoto per azione di onde elettromagnetiche come nei pannelli radianti a pavimento; dove l acqua l calda delle serpentine cede calore al massetto, che diventa elemento radiante propagando calore per irraggiamento Trasmissione del calore attraverso una parete Con riferimento ad una parete monostrato,, costituita da materiale omogeneo, di separazione tra l ambiente l interno, a temperatura Ti, e l ambiente l esterno, a temperatura Te, in condizione invernale (Ti>Te) e in regime stazionario, si instaura uno scambio di calore tra l interno l e l esterno l attraverso la parete che avviene in tre fasi: 1. dall ambiente ambiente interno al paramento interno della parete 2. dal paramento interno al paramento esterno della parete 3. dal paramento esterno della parete all ambiente ambiente esterno. In condizione di regime stazionario, ovvero con il campo termico indipendente dal tempo, i tre flussi sono uguali per cui si può scrivere: Q t = QS t = * S U * U * (T i T T e ) e ) dove: Q t rappresenta la perdita di calore per trasmissione attraverso l involucro S è la superficie esterna del pacchetto (parete, infisso, solaio, copertura) U è la trasmittanza termica T i è la temperatura interna T e è la temperatura esterna Il coefficiente U [W/m 2 K] è il coefficiente di trasmissione termica della parete o Trasmittanza U=1/R, [W/m 2 K] che misura la quantità di calore che attraversa, nell unit unità di tempo, 1m 2 di superficie in presenza di una differenza di temperatura di 1 grado tra interno e esterno L inverso del coefficiente di trasmissione termica, R=1/U, [m 2 K/W], rappresenta la resistenza termica della parete Si definisce resistenza termica di uno strato omogeneo il rapporto tra lo spessore D dello strato e la sua conducibilità termica λ, R=D/λ [m 2 K/W], λ rappresenta la conducibilità termica,, cioè la quantità di calore che nell unit unità di tempo attraversa lo spessore di 1m di materiale, passando da una faccia di 1m 2 alla faccia opposta; le due facce hanno la differenza di temperatura di 1 Kelvin (o di 1 grado Celsius) [W/mK mk] La quantità di calore (J) che transita nell'unitàdi tempo (s) attraverso una sezione èchiamata potenza P; nel Sistema Internazionale, la potenza è misurata in Watt (W=1J/s). Considerando una parete omogenea di spessore d(m) e di area A(m 2 ), che abbia le facce opposte alle temperature T2 e T1 (con T2 > T1), si può scrivere, ponendo T T = T2 T1(K): λ= Pd = Wm= W A T m 2 K mk La conducibilitàtermica termica misura l'attitudine di un materiale a trasmettere il calore, la resistenza termica misura la capacitàdello strato di opporsi al passaggio del calore: R = D= m= m 2 K 2
Se il pacchetto è composto da singoli strati omogenei la resistenza termica totale è la somma delle resistenze dei singoli strati (Ri) più le resistenze termiche superficiali interna (Rsi) ed esterna (Rse). R t = R si + Σ i R i + R se Le resistenze superficiali dipendono dagli scambi di calore che avvengono tra la superficie del pacchetto e l'aria interna (Rsi) e tra la superficie del pacchetto e l'aria esterna (Rse). Il valore di (Rse( Rse) è nullo in assenza di aria esterna come nel caso delle pareti contro terra o nei solai a contatto del terreno. Conoscendo gli spessori e la conducibilità dei materiali, dal loro rapporto si ha la resistenza termica del pacchetto e di conseguenza la trasmittanza (U=1/R) U=1/R). La trasmittanza termica, indica la capacità isolante di un materiale o di un pacchetto; quindi, la dispersione di calore di un materiale o di un pacchetto è direttamente proporzionale alla trasmittanza termica In conclusione, può affermarsi che il flusso termico Q t che si istaura attraverso una tamponatura Q t = S * U * (T i T e ) è direttamente proporzionale al salto termico T tra lo spazio interno e quello estero è direttamente proporzionale alla superficie S della parete è inversamente proporzionale alla resistenza termica della parete R=1/U,, comprensiva delle resistenze termiche superficiali. Verifica condensa interstiziale e superficiale Verifica obbligatoria della presenza di condensa interstiziale con il metodo di Glaser. In assenza di sistemi di controllo di umidità relativa dei locali si assumono le seguenti ipotesi di calcolo: Umidità relativa (Ur) 65 % Temperatura interna 20 C (linea rossa) Le curve di pressione di saturazione di vapore (Ps, linea verde) e pressione parziale di vapore (Pv, linea blu) non devono intersecarsi!!! In alternativa si avrebbe formazione di condensa interstiziale Sistemi Attivi Elemento captante Collettore a conentrazione Conversione di energia solare in termica o elettrica Trasferimento meccanico o elettrico dell energia energia ottenuta Eventuale accumulo dell energia energia esterno al sistema captante Il concetto è ben rappresentato nello schema accanto, dove l altezza dei recipienti T a T b T c rappresenta la temperatura dell aria, mentre il liquido rappresenta il vapore contenuto nell aria(umidità relativa). Nell ipotesi C si abbassa il bordo del recipiente, cioè la temperatura, l umidità relativa aumenta fino a raggiungere il limite che corrisponde alla saturazione e il vapore condensa Wind Farm Museo dei Bambini Roma 3
Sistemi passivi Per edificio passivo si intende un edificio in cui con opportune strategie di intervento si cerca di sfruttare le caratteristiche micro-climatiche climatiche (sole, vento, morfologia del terreno ) ) della zona in cui è situato l edificio, l per ottenere una riduzione dell apporto di caldo o freddo interno altrimenti realizzabile per mezzo di impianti di climatizzazione. In questa tipologia di edificio vengono utilizzati i così detti sistemi solari passivi, in grado di raccogliere e trasportare il calore del sole con mezzi non meccanici. Sistemi passivi Nella progettazione si devono raggiungere 3 Obiettivi: 1. riscaldamento dell edificio, edificio, soprattutto nei climi freddi, attraverso l'accumulo, la distribuzione e la conservazione dell'energia termica solare. Al fine di raggiungere questo scopo, le principali tecniche passive possono prevedere l uso l di : muri termoaccumulatori (massa termica) di un ottimo isolamento di sistemi di preriscaldamento dell'aria di superfici vetrate esposte a Sud, come serre addossate all'edificio La normativa europea definisce con edificio passivo" " un preciso standard energetico, attribuito a edifici che hanno un fabbisogno termico invernale inferiore alle 15 kwh/(m 2 anno), pari circa al 20% dell'energia consumata in un normale edificio residenziale. Sistemi passivi 2. raffrescamento naturale di un edificio, grazie alla ventilazione naturale, alla schermatura e all'espulsione del calore indesiderato Le principali tecniche passive impiegate per il raffrescamento prevedono soprattutto l'utilizzo di condotte d'aria interrate, di camini solari, di una buona massa termica, di una ventilazione indotta, di protezioni dall'irraggiamento diretto e di sistemi per la deumidificazione o per l'evaporazione dell'acqua. 3. Un altro importante contributo passivo che si può ottenere dall'energia solare riguarda l'illuminazione diurna di un edificio, sfruttando sia la luce solare diretta sia quella diffusa. Per incrementare la luminosità e favorire la penetrazione della luce naturale all'interno degli edifici sono molto importanti l'illuminazione zenitale, le condotte di luce con specchi riflettenti, la capacità di diffusione luminosa dei materiali e i meccanismi per l'inseguimento solare. Sistemi passivi A seconda del modo in cui viene captata la radiazione solare, possiamo dividere in tre categorie i sistemi solari passivi: Guadagno diretto: la radiazione solare attraversa lo spazio interno viene poi immagazzinata nella massa termica interna all edificio (pavimentazioni( pavimentazioni ) Guadagno indiretto: la massa di accumulo nelle pareti esterne immagazzina il calore e lo trasferisce allo spazio interno Guadagno isolato: la radiazione solare, raccolta in uno spazio separato, viene trasferita ad una massa di accumulo o distribuita nello spazio interno Il sistema a guadagno diretto In figura, una finestra orientata a Sud, fornita di aggetto, lascia libero transito alle radiazioni solari durante l inverno, l ma non lascia passare i raggi (meno inclinati) durante l estatel 4
Sistemi passivi a guadagno diretto La radiazione solare filtra dalle grandi aperture vetrate disposte a sud incidendo sulla massa termica costituita da pavimenti, muratura o solai. Le vetrate in figura hanno due comportamenti differenti: la prima consente alla radiazione solare di colpire un'area concentrata di massa termica la seconda diffonde o riflette la luce solare in modo da distribuirla su una più ampia area di massa termica Sistemi passivi a guadagno diretto La serra determina un sistema cuscinetto tra interno ed esterno con un evidente miglioramento delle condizioni di confort. Inoltre, la serra si può addossare agli edifici preesistenti e costituisce lo spazio ideale (con i dovuti accorgimenti) per la coltivazione di piante. Se dotata di schermature ad elementi mobili può essere considerata uno spazio abitabile. Accorgimenti: Dimensionamento della massa termica: : L'ampia superficie vetrata richiesta dagli edifici a guadagno diretto può produrre variazioni di temperatura troppo elevate all'interno del locale abitato: disponendo di un sufficiente accumulo termico, si può assorbire e accumulare l'energia in eccesso. Schermature (estivo): per evitare il surriscaldamento sono richiesti sistemi di schermatura della superficie vetrata. In estate un aggetto costituisce uno schermo adeguato, data la maggiore altezza del sole, mentre la ventilazione dei locali interni può ridurre l'eccessiva temperatura dell'aria. Schermature (invernale): per evitare perdite di calore in inverno o di notte è necessario isolare la superficie vetrata: possono avere la loro efficacia pannelli mobili isolanti, tende o serrande. vetri con caratteristiche speciali dotati di riflessione selettiva dei raggi solari; I PANNELLI PRISMATICI I pannelli prismatici sono sistemi adatti al controllo estivo della radiazione solare e risultano ricavati da vetri convenzionali, acrilici o da policarbonato. Mentre la faccia interna del pannello risulta perfettamente liscia, alla stregua dei vetri tradizionali, la faccia esterna presenta coste prismatiche triangolari in grado di deviare una aliquota della radiazione solare. La quota parte deviata dipende sia dalle caratteristiche del materiale (angoli di inclinazione delle coste triangolari rispetto to alla verticale), sia dall angolo angolo di inclinazione della radiazione solare incidente, e quindi dalla stagione e dall ora della giornata. Mentre nel meccanismo di funzionamento estivo la maggior parte della radiazione solare viene deviata verso l esternol 5
I PANNELLI TAGLIATI AL LASER (LCP) Sono sistemi ottenuti da taglio con tecnologia laser di pannelli acrilici. A seguito di questa incisione la faccia interna di ciascuna striscia si trasforma in uno specchio in grado di deviare una aliquota della radiazione solare incidente. Difatti tutta la radiazione incidente la faccia inferiore del pannello (f) viene deviata verso l alto, l mentre la restante parte continua il percorso naturale (1-f), il tutto secondo il funzionamento descritto nella figura. 21 i light-shelves shelves, I SISTEMI DI LAMELLE sono dispositivi costituiti da microlamelle (aventi dimensione massima di 20 mm) posizionate all interno o all esterno di sistemi vetrati. Le lamelle possono presentare andamento orizzontale, verticale, ovvero possono essere inclinate. I diversi meccanismi adottati sono la ostruzione, l assorbimento, l la riflessione o la trasmissione. Profili FISH. lamelle microforate aventi la superficie superiore concava verso l alto e altamente riflettente. La superficie superiore consente di captare tutta la radiazione solare incidente con differenti angolazioni e di direzionarla verso l alto all interno degli ambienti. In questo modo si riduce l abbagliamento dovuto alla radiazione solare diretta, ma non se ne limitano gli apporti termici. Tali dispositivi sono, pertanto, da integrare con altri sistemi di controllo della radiazione solare, specie in climi caldi. Profili OKASOLAR.. Sistema fisso costituito da profili a forma triangolare, montati all interno di due pannelli vetrati. Il sistema riesce a riflettere la radiazione diretta di estate e di consentirne, al contrario, l ingresso l durante il periodo invernale. L orientamento delle lamelle deve essere studiato caso per caso, in funzione del massimo e minimo angolo di inclinazione della radiazione solare, al fine di prevenire indesiderati effetti secondari. vetri elettrocromici e vetri termocromici I MATERIALI CROMOGENICI Il materiale cromogenico varia le sue proprietà ottiche se sottoposto all azione azione di un campo elettrico, di una corrente ionica, dell intensit intensità della luce, della temperatura o di altri stimoli. Un dispositivo elettrocromico consiste in un multistrato depositato su un supporto di vetro o di plastica. I due strati esterni sono costituiti da un conduttore trasparente di elettroni, mentre i tre strati interni rappresentano rispettivamente il materiale elettrocromico,, un conduttore di ioni e il controelettrodo. Quando viene impressa una differenza di potenziale tra i due strati esterni, il materiale elettrocromico perde (o acquista) ioni a favore del controelettrodo,, variando le proprietà ottiche. 6
I Sistemi a guadagno indiretto possono essere classificati in due categorie: Muro Solare: muro di Trombe e massivo Roof-pond (tetto d acqua) d Muro solare I sistemi a muro solare possono essere di tipo massivo o di Trombe. In entrambi la massa termica per l'accumulo è costituita da una parete rivolta a sud realizzata in muratura o in calcestruzzo,verniciatura con colori scuri con la superficie esterna protetta da una vetrata per ridurre le dispersioni di calore. La differenza muro massivo non vi sono aperture muro di Trombe sono praticate aperture di aerazione, sia nella parte bassa che in quella alta della parete, per permettere la circolazione dell'aria attraverso lo spazio riscaldato. Vengono mostrate le manovre da effettuare in inverno e in estate per sfruttare al meglio il Muro di Trombe: Inverno giorno le aperture di aerazione interne vengono alzate per permettere il passaggio dell aria fredda che dal basso si riscalda e sale ( per effetto camino) per tornare nella stanza più calda. notte le aperture interne vengono chiuse per impedire che l aria l ceda calore a contatto con la superficie vetrata più fredda. N.B.: Le aperture di aerazione esterne sono sempre chiuse. Il muro Trombe,, oltre al trasferimento del calore dalla captazione all ambiente ambiente retrostante per conduzione (come nel muro termico), consente anche un trasferimento convettivo (termocircolazione naturale) attraverso delle aperture poste in alto ed in basso sulla parete. Estate giorno vengono chiuse le aperture interne per impedire all aria aria interna di surriscaldalsi,, mentre vengono aperte quelle esterne per drenare il calore accumulato. notte vengono aperte le aperture interne per fare in modo che l aria interna si raffreshi a contatto con il vetro esterno. Il calore assorbito dalla parete viene trasmesso attraverso la parete per conduzione e ceduto all interno con un certo ritardo (per convezione ed irraggiamento). Il muro termico può anche essere realizzato con un recipiente pieno d acqua d (muro d acqua d ).. Il muro d acqua d può accumulare energia termica in misura maggiore. L aspetto L negativo del muro d acqua è insito nel fatto che esso non può costituire elemento strutturale per cui rappresenta un extracosto. Roof-Pond In questo tipo di sistemi la massa termica è posta sulla copertura piana dell edificio, edificio, di solito vengono utilizzati materassi d acqua d coprenti parte o tutta la copertura. Inverno: L acqua è esposta alle radiazioni solari durante il giorno ed isolata per mezzo di panelli durante la notte, il calore accumulato è irradiato direttamente dal soffitto all ambiente. ambiente. Estate: L acqua è protetta durante il giorno da pannelli isolanti tolti durante la notte per consentire il raffreddamento. Inoltre l acqua, l raffreddatasi durante la notte, è pronta ad assorbire il calore dell ambiente sottostante durante la il giorno. Vantaggioso alle basse latitudini con climi secchi, dove è richiesto sia riscaldamento che raffrescamento; ; le fluttuazioni di temperatura nell'edificio possono essere basse; 7
Sistemi a Guadagno Isolato In questo tipo di sistemi la captazione dell energia energia e l accumulo l termico possono essere separati dagli ambienti, dell edificio edificio si hanno due tipi di sistemi: Termosifone: sfrutta l effetto l camino. Sistema Barra Costantini: molto simile al muro di trombe Sistema a termosifone Sistema Barra-Costantini Nei sistemi a guadagno isolato l'elemento di accumulo si trova in prossimità della superficie vetrata e risulta necessariamente privo di strato isolante (pena la mancata trasmissione del calore per conduzione e irraggiamento). 29 Sistema Barra-Costantini Particolare tipo di collettore a termosifone è stato sviluppato da O. Barra e T. Costantini nel sud dell'italia, sistema ha un pannello metallico nell'intercapedine fra la vetratura e il muro. Il pannello riscaldandosi, cede calore all'aria che con un sistema di aperture valvolate raggiunge i canali nei solai. In Estate ad esempio le aperture sulla vetrata permettono la fuoriuscita dell aria calda, richiamando così aria dai locali posti sul lato in ombra, permettendo l entrata di aria fresca da aperture nei lati in ombra. Sistemi di raffrescament o Vegetazione Il raffrescamento naturale Il raffrescamento passivo sfrutta i principi di ventilazione naturale favorendo lo scambio termico tra l edificio l e l aria l a temperatura inferiore. La ventilazione è direttamente coinvolta nei sistemi di raffrescamento convettivo e può essere incrementata aumentando le differenze tra parametri metereologici quali temperatura e pressione tra le varie parti interne ed esterne all edificio. i sistemi in uso possono essere classificati in: effetto camino; torri del vento; Schermatura ventilazione sotterranea. 8
Effetto Camino Masse d'aria a differente temperatura hanno densità e pressione diverse: a minore temperatura corrisponde maggiore densità e questo fa sìs che la massa d'aria più fresca stia in basso, ma tenda a spostarsi verso l'alto verso zone a minor densità man mano che si scalda. Si può sfruttare l'effetto camino semplicemente creando una differenza di altezza nelle aperture e aumentare le differenze di d temperature tra le varie parti dell edificio edificio tramite ombreggiature. Per limitarne gli effetti in periodi in cui una eccessiva ventilazione sia indesiderata, come ad esempio nelle giornate invernali soleggiate ma fredde e ventose, è opportuna che le aperture siano regolabili. In estate la temperatura dell aria è simile all esterno e all interno dell edificio, edificio, per innescare l effetto l camino si può ricorrere al camino solare,, realizzando in testa ad una canna di ventilazione una costruzione a camera d'aria in posizione molto esposta al sole, in cui, per effetto serra, l'aria possa scaldarsi fortemente e, fuoriuscendo da aperture poste nella parte superiore, possa innescare una aspirazione dell'aria dai locali interni a cui è collegata. Progettista: Short &Associates: Coventry (UK) Torre del vento Sistema che sfruttando la ventilazione naturale apporta un raffrescamento naturale nelle regioni a clima secco. La torre del vento è una costruzione alta, una vera e propria torre, addossata o posta in sopraelevazione all'edificio principale. Alla sua sommità presenta delle aperture rivolte verso la direzione dominante dei venti, i quali entrano attraverso queste ogni qualvolta esercitino la spinta necessaria, per discendere sino nei locali abitati. Funzioni svolte: Migliore qualità aria interna; Benessere termico; Raffredda masse strutturali; Eliminazione aria calda interna. Ventilazione Sotterranea Questo sistema prevede il passaggio dell aria esterna attraverso condotte interrate prima dell immissione nell edificio edificio ed è valido anche per un riscaldamento dell aria in inverno. L aria a contatto con le pareti del condotto interrato cede calore al terreno che, a profondità di circa due metri, può essere considerato un corpo a temperatura costante più fredda della temperatura esterna in estate e più calda in inverno. Ad oggi questo è uno dei migliori sistemi di raffrescamento unitamente ai sistemi evaporativi,, di difficile applicazione in quanto sfruttano la presenza di acqua addossata alle strutture da raffrescare. Edificio per uffici Gniebel a Stoccarda 9
d i Anche se per il suo funzionamento necessita di energia (elettrica o gas), cconsente un buon risparmio energetico. Utilizzata per riscaldare, a raffrescare e climatizzare gli ambienti, preleva l energia dall esterno per trasmetterla all interno tramite Isolamen o aria o acqua. rto etraspar Costituito da vetri ente multipli, con prestazioni termiche, capacità di trasmissione della luce e isolamento termico, elevate Parete ventilat Consistente nel passaggio a dell aria all interno dell intercapedine posta tra due vetrate (parete esterna), è usato per evitare il surriscaldamento degli edifici ampiamente vetrati. Vantaggi: Riduzione trasmittanza; Aumento dei livelli naturali di comfort; Diminuzione temperature relative in estate; Possibilità recupero calore in inverno. Esempi di edifici a basso consumo energetico pia pel Parete altamente le isolata, con due strati diversi di componenti e un intercapedine d aria d (ampia zona talvolta vuota e praticabile) che consente il riparo dalle condizioni esterne allo strato più interno. Vantaggi: Miglior isolamento termico e, in inverno, genera accumulo interno che trasmette con ritardo. Una facciata doppia è senz'altro più flessibile di una tradizionale, per il semplice fatto che introduce molti nuovi elementi che possono essere sfruttati per modularne il comportamento. Anche la funzionalità sarà migliore di una facciata tradizionale perché con un'appropriata definizione del campo di variazione dei parametri variabili (schermature, ventilazione, controllo), è possibile "rispondere"in maniera ottimale alle diverse condizioni imposte dall'ambiente esterno e alle diverse esigenze di fruizione che possono determinarsi nell'ambiente interno. Esempi di edifici ad alta efficienza energetica 10