Calcolo del fabbisogno energetico

Calcolo del fabbisogno energetico Il fabbisogno energetico mensile Fasi di calcolo del fabbisogno energetico mensile Fattori climatici e gradi-giorno Gli scambi termici Scambi termici per trasmissione Scambi termici per ventilazione e infiltrazione Apporti dovuti alle radiazioni solari Apporti dovuti alle sorgenti interne Apporti energetici gratuiti teorici Riepilogo dei simboli energetici

Il fabbisogno energetico mensile La determinazione dell energia termica necessaria per garantire le condizioni di benessere avviene attraverso il calcolo del fabbisogno energetico mensile (Q h ). Il calcolo deve avvenire seguendo i criteri stabiliti dalla norma europea (UNI EN ISO 13790/2008), recepiti in Italia dalla norma UNI/TS 11300

Il fabbisogno energetico mensile COMPONENTI ENERGETICHE CHE INTERVENGONO NEL CALCOLO DEL Q h 1. Energia termica (Q L ) complessivamente scambiata in un mese per tra- smissione, ventilazione e infiltrazione, data dalla somma di: energia termica scambiata in un mese per trasmissione (Q T ) energia termica scambiata in un mese per ventilazione e infiltrazione (Q V ). 2. Apporti energetici mensili (Q GR ), dati dalla somma di: sorgenti interne (Q i ) irraggiamento solare attraverso le superfici vetrate (Q Si ) apporto energetico solare per convezione attraverso le superfici opa- che (Q Se ).

Fasi di calcolo del fabbisogno energetico mensile Per determinare il valore del fabbisogno energetico mensile (Q h ) occorre procedere attraverso le seguenti fasi: valutazione dei fattori climatici della località; individuazione del periodo di riscaldamento (definito dai singoli Comuni in funzione dei gradi-giorno); suddivisione dell edificio in zone termiche; calcolo dell energia scambiata in un mese per trasmissione (Q T ); calcolo dell energia scambiata in un mese per ventilazione e infiltrazione (Q V ); calcolo degli apporti solari per irraggiamento attraverso le superfici ve- trate (Q Si ); calcolo degli apporti solari per convezione attraverso le superfici opa- che (Q Se ); calcolo degli apporti energetici dovuti a sorgenti interne (Q i ); determinazione del fabbisogno energetico mensile (Q h ).

Fattori climatici e gradi-giorno I fattori climatici (UNI 10349) che influiscono nella determinazione del fabbisogno di energia necessario per garantire le condizioni di benessere invernale ed estivo di un edificio sono: gradi-giorno; zona climatica; altezza sul livello del mare; valore medio mensile della temperatura dell aria esterna locale (temperatura esterna di progetto); valore globale giornaliero medio mensile della radiazione totale incidente sulle diverse esposizioni; valore medio mensile della velocità e direzione prevalente del vento. I valori dei fattori climatici da assumere nei calcoli devono essere riferiti a tutti i mesi del periodo di riscaldamento.

Fattori climatici e gradi-giorno I gradi-giorno (GG) sono l unità di misura del fabbisogno termico delle abitazioni di una determinata località. Il valore dei gradi-giorno di ogni località è definito dal D. Lgs. 192/2005 come: parametro convenzionale rappresentativo delle condizioni climatiche locali utilizzato per stimare al meglio il fabbisogno energetico necessario per mantenere gli ambienti a una temperatura fissata. Il valore che le norme assegnano ai gradi-giorno di una località è tanto maggiore quanto più basse sono le temperature medie giornaliere della località e di conseguenza tanto più lungo è il periodo di riscaldamento.

Fattori climatici e gradi-giorno Il Decreto 412/93 ripartisce i Comuni italiani in 6 zone climatiche e assegna a ciascuno un determinato numero di gradi-giorno. Zone Comuni A Comuni con gradi-giorno non superiori a: 600 B Comuni con gradi-giorno compresi tra: 601 e 900 C Comuni con gradi-giorno compresi tra: 901 e 1400 D Comuni con gradi-giorno compresi tra: 1401 e 2100 E Comuni con gradi-giorno compresi tra: 2101 e 3000 F Comuni con gradi-giorno superiori a: 3001

Fattori climatici e gradi-giorno DURATA DELLA STAGIONE DI RISCALDAMENTO IN FUNZIONE DELLA ZONA CLIMATICA Zona Gradigiorno Periodo Ore Esempi A fino a 600 1 dicembre 15 marzo 6 Lampedusa, Linosa, Porto Empedocle B da oltre 600 a 900 1 dicembre 31 marzo 8 Agrigento, Catania, Crotone, Messina, Palermo, Reggio Calabria, Sicracusa, Trapani C da oltre 900 a 1400 15 novembre 31 marzo 10 Bari, Benevento, Brindisi, Cagliari, Caserta, Catanzaro, Cosenza, Imperia, Latina, Lecce, Napoli, Oristano, Ragusa, Salerno, Sassari, Taranto D da oltre 1400 a 2100 1 novembre 15 aprile 12 Ancona, Ascoli Piceno, Avellino, Caltanissetta, Chieti, Firenze, Foggia, Forlì, Genova, Grosseto, Isernia, La Spezia, Livorno, Lucca, Macerata, Massa, Carrara, Matera, Nuoro, Pesaro, Pescara, Pisa, Pistoia, Prato, Roma, Savona, Siena, Teramo, Terni, Verona, Vibo Valentia, Viterbo

Fattori climatici e gradi-giorno Zona Gradigiorno Periodo Ore Esempi E da oltre 2100 a 3000 15 Ott - 15 Apr 14 Alessandria, Aosta, Arezzo, Asti, Bergamo, Biella, Bologna, Bolzano, Brescia, Campobasso, Como, Cremona, Enna, Ferrara, Cesena, Frosinone, Gorizia, L Aquila, Lecco, Lodi, Mantova, Milano, Modena, Novara, Padova, Parma, Pavia, Perugia, Piacenza, Pordenone, Potenza, Ravenna, Reggio Emilia, Rieti, Rimini, Rovigo, Sondrio, Torino, Trento, Treviso, Trieste, Udine, Varese, Venezia, Verbania, Vercelli, Vicenza F oltre 3000 nessuna limitazione 24 Belluno, Cuneo In Italia, Sestriere ha il valore di GG più alto (5165), mentre Lampedusa, Linosa e Porto Empedocle il più basso (568).

Fattori climatici e gradi-giorno DATI CLIMATICI DEI PRINCIPALI COMUNI ITALIANI Città Zona climatica Numero di gradi-giorno Altezza s.l.m. (m) Temperatura esterna di progetto ( C) Ancona D 1688 16 2 Aosta E 2850 583 10 Bari C 1185 5 0 Bologna E 2259 54 5 Bolzano E 2791 262 15 Cagliari C 990 4 3 Campobasso E 2346 701 4 Firenze D 1821 50 0 Genova D 1435 19 0 L Aquila E 2514 714 5 Milano E 2404 122 5 Napoli C 1034 17 2 Palermo B 751 14 5 Perugia E 2289 493 2 Potenza E 2472 819 3 Reggio Calabria B 772 15 3 Roma D 1415 20 0 Torino E 2617 239 8 Trento E 2567 194 12 Trieste D 1929 2 5 Venezia E 2345 1 5 Roma D 2068 59 5

Gli scambi termici Per determinare gli apporti energetici necessari per mantenere all interno di un ambiente la temperatura di progetto stabilita dalle norme occorre conoscere la quantità di calore Q L che viene scambiata tra l ambiente riscaldato e gli ambienti circostanti. Gli scambi termici possono avvenire per: trasmissione; ventilazione (naturale o forzata); infiltrazione.

Gli scambi termici Scambi termici per trasmissione, ventilazione e infiltrazione con l esterno e con gli ambienti non riscaldati o a temperatura fissata.

Scambi termici per trasmissione Gli scambi termici per trasmissione possono avvenire con: ambiente esterno, attraverso le pareti perimetrali (involucro esterno); terreno, attraverso il pavimento o eventuali pareti controterra; ambienti adiacenti non riscaldati; ambienti adiacenti a temperatura fissata. Esistono dunque quattro modalità di scambio energetico per trasmissione nel periodo di tempo considerato (il mese), a ciascuna delle quali corrisponde una determinata quantità di calore scambiato. Q tras : energia termica mensile scambiata con l esterno Q G : energia termica mensile scambiata con il terreno Q U : energia termica mensile scambiata con ambienti adiacenti non riscaldati Q A : energia termica mensile scambiata con zone a temperatura fissata

Scambi termici per trasmissione Una particolare forma di dispersione termica per trasmissione è quella dovuta ai cosiddetti ponti termici. La norma UNI prescrive che in assenza di dati attendibili lo scambio attraverso i ponti termici venga determinato maggiorando i valori calcolati per dispersione termica. Localizzazione dei più frequenti ponti termici in un edificio.

Scambi termici per trasmissione MAGGIORAZIONI PERCENTUALI RELATIVE ALLA PRESENZA DEI PONTI TERMICI [%] Descrizione della struttura Maggiorazione 1 Parete con isolamento dall esterno (a cappotto) senza aggetti/balconi e ponti termici corretti Parete con isolamento dall esterno (a cappotto) con aggetti/balconi Parete omogenea in mattoni pieni o in pietra (senza isolante) Parete a cassavuota con mattoni forati (senza isolante) Parete a cassavuota con isolamento nell intercapedine (ponte termico corretto) Parete a cassavuota con isolamento nell intercapedine (ponte termico non corretto) Pannello prefabbricato in calcestruzzo con pannello isolante all interno 1 Le maggiorazioni si applicano alle dispersioni della parete opaca e tengono conto anche dei ponti termici. 5 15 5 10 10 20 30

Scambi termici per trasmissione L energia termica complessivamente scambiata in un mese per trasmissione risulta perciò: Q T = Q tras + Q G + Q U + Q A Queste quantità sono però soltanto teoriche. Per ottenere la quantità di energia effettivamente scambiata occorre moltiplicarne i valori per i relativi coefficienti di dispersione termica per trasmissione, che vengono calcolati mediante le formule della trasmittanza.

Scambi termici per trasmissione I coefficienti di dispersione termica per trasmissione sono: H T : coefficiente di dispersione termica per trasmissione attraverso le pareti a contatto con l esterno H G : coefficiente di dispersione termica per trasmissione attraverso gli elementi a contatto con il terreno H U : coefficiente di dispersione termica per trasmissione attraverso le pareti a contatto con ambienti adiacenti non riscaldati H A : coefficiente di dispersione termica per trasmissione attraverso le pareti a contatto con ambienti a temperatura fissata I coefficienti di dispersione termica H vengono calcolati con la relazione: H = S U dove S è la superficie dell elemento di separazione tra la zona termica e l esterno, e U è la trasmittanza termica.

Scambi termici per trasmissione SCAMBI PER TRASMISSIONE CON L AMBIENTE ESTERNO L energia termica effettivamente scambiata mensilmente per trasmissione attraverso le pareti a contatto con l esterno è data da: Q tras = H T ΔT N H T è il coefficiente di dispersione termica ΔT è la differenza tra la temperatura di progetto e quella esterna di progetto N è il numero di ore mensili di utilizzazione dell impianto La norma UNI/TS 11300 prescrive che il fabbisogno energetico sia calcolato in un arco temporale di un mese (kwh/mese). Per questa ragione nelle formule compare il fattore N che indica il numero di ore mensili di utilizzazione dell impianto. Il fattore N assume valori diversi a seconda della zona climatica.

Scambi termici per trasmissione SCAMBI PER TRASMISSIONE CON IL TERRENO L energia termica effettivamente scambiata mensilmente per trasmissione attraverso gli elementi edilizi a contatto con il terreno è data da: Q G = H G ΔT N H G è il coefficiente di dispersione termica ΔT è la differenza tra la temperatura di progetto e quella del terreno che, in assenza di dati diversi, viene convenzionalmente assunta uguale a 0 C N è il numero di ore mensili di utilizzazione dell impianto

Scambi termici per trasmissione Gli elementi che intervengono nel calcolo dell energia scambiata per trasmissione con il terreno sono: isolamento del pavimento e delle murature interrate; caratteristiche geometriche delle pareti controterra (area disperdente e perimetro esterno); caratteristiche fisiche del terreno; caratteristiche della falda: quota rispetto al pavimento, portata volumetrica e pendenza del moto del fluido di falda. Se le caratteristiche del moto non sono note, si ipotizza una temperatura della falda uniforme indipendente dal tempo e pari alla temperatura media dell aria esterna nella stagione del riscaldamento.

Scambi termici per trasmissione a) b) c) Situazioni di scambio termico tra l edificio e il terreno: a) edificio appoggiato sul terreno; b) edificio separato dal terreno da intercapedine ventilata; c) edificio con pavimento a quota inferiore rispetto quella del terreno. A ciascuna situazione corrisponde un diverso valore del coefficiente di dispersione termica che interviene nei calcoli.

Scambi termici per trasmissione SCAMBI PER TRASMISSIONE CON AMBIENTI NON RISCALDATI Gli ambienti non riscaldati hanno una temperatura interna che è compresa tra quella dell aria esterna e quella delle zone riscaldate. In assenza di dati di- versi essa deve essere assunta uguale a 0 C. L energia termica effettivamente scambiata mensilmente per trasmissione con ambienti non riscaldati è data da: Q U = H U ΔT N H U è il coefficiente di dispersione termica attraverso le pareti a contatto con i locali non riscaldati ΔT è la differenza tra la temperatura di progetto e quella della zona non riscaldata N è il numero di ore mensili di utilizzazione dell impianto

Scambi termici per trasmissione SCAMBI PER TRASMISSIONE CON AMBIENTI A TEMPERATURA FISSATA L energia termica effettivamente scambiata mensilmente per trasmissione con ambienti a temperatura fissata è data da: Q A = H A ΔT N H A è il coefficiente di dispersione termica attraverso le pareti a contatto con la zona a temperatura fissata ΔT è la differenza tra la temperatura di progetto e quella dell ambiente a temperatura fissata N è il numero di ore mensili di utilizzazione dell impianto

Scambi termici per ventilazione e infiltrazione La quantità di calore scambiato attraverso il passaggio di aria può essere dovuta a: ventilazione naturale, attraverso porte e finestre aperte; infiltrazione, attraverso i serramenti chiusi; ventilazione forzata, attraverso appositi impianti. Analogamente agli scambi termici per trasmissione, anche gli scambi per ventilazione e infiltrazione possono avvenire con: ambiente esterno, attraverso i serramenti esterni; ambienti adiacenti non riscaldati, attraverso i serramenti interni; ambienti adiacenti a temperatura fissata, attraverso i serramenti interni.

Scambi termici per ventilazione e infiltrazione Esistono dunque tre modalità di scambio energetico per ventilazione e infiltrazione nel periodo di tempo considerato (il mese), a ciascuna delle quali corrisponde una determinata quantità di calore scambiato. Q vent : energia termica mensile scambiata per ventilazione e infiltrazione con l esterno Q Uv : Q Av : energia termica mensile scambiata per ventilazione con ambienti adiacenti non riscaldati energia termica mensile scambiata per ventilazione con zone a temperatura fissata L energia termica complessivamente scambiata per ventilazione e infiltrazione sarà dunque: Q V = Q vent + Q Uv + Q Av

Scambi termici per ventilazione e infiltrazione La ventilazione e l infiltrazione dipendono principalmente da: differenza di pressione tra interno ed esterno, dovuta alle condizioni climatiche e alla velocità del vento; differenza tra temperatura interna ed esterna; tipo di schermatura dell edificio rispetto al clima esterno; apertura o chiusura dei serramenti esterni. La ventilazione forzata (o meccanica) dipende invece dalle caratteristiche dell impianto che la produce.

Scambi termici per ventilazione e infiltrazione VALORI MINIMI DEI RICAMBI D ARIA Le linee guida nazionali (D.M. 26-6-2009) stabiliscono per la ventilazione negli ambienti abitati che i ricambi non siano inferiori a 0,3 V netto m 3 /h. Dunque, in un ambiente abitato in cui il volume netto sia per esempio di 40 m3 occorre prevedere che il ricambio d aria non sia inferiore a 12 m 3 /h.

Apporti dovuti alle radiazioni solari I contributi mensili forniti dalle radiazioni solari (Q sol ) derivano da: energia che si trasmette per convezione attraverso i componenti opachi (Q se ); energia che si trasmette per irraggiamento attraverso le superfici trasparenti (Q si ). Q sol = Q se + Q si

Apporti dovuti alle radiazioni solari Il contributo energetico dovuto alla radiazione solare si misura in kwh/mese ed è calcolato per ciascuna esposizione della zona termica mediante la formula: Q se = Q S Se E N Qsi = Q is Sf F g N Q S : radiazione globale giornaliera media mensile incidente sulla parete, il cui valore si ricava da apposite tabelle S e : area equivalente della superficie della parete Q is : energia totale della radiazione solare su 1 m2 di serramento (kwh/m2) F: coefficiente di correzione per ombre e tende (tra 0,5 e 1) g: fattore solare del vetro (si assume un valore pari a 0,9 del fattore solare perpendicolare indicato dai produttori del vetro) S f : superficie vetrata del serramento E: N: coefficiente che tiene conto dell esposizione numero di giorni del mese

Apporti dovuti alle radiazioni solari Gli apporti energetici gratuiti dovuti alle radiazioni solari dipendono da: entità della radiazione solare incidente sulle diverse pareti dell involucro edilizio; caratteristiche geometriche dei diversi componenti edilizi, sia opachi, sia trasparenti; proprietà termo-fisiche dei componenti, sia opachi, sia trasparenti. Apporti solari per convezione e per irraggiamento.

Apporti dovuti alle sorgenti interne Le sorgenti interne che forniscono apporti energetici sono: Q P : apporto energetico dovuto alla presenza di n persone (ciascuna delle quali apporta mediamente 20 kwh/mese, dunque Q P = n 20); Q ap : Q ill : apporto energetico dovuto alla presenza di apparecchiature domestiche (in assenza di elementi per il calcolo analitico si assumono i valori riportati in apposite tabelle); apporto energetico dovuto agli apparecchi illuminanti (calcolato assumendo valori che possono variare da 0,14 a 0,28 kwh/mese per m 2 di pavimento); Q as : apporto energetico positivo dovuto all acqua sanitaria utilizzata a temperatura superiore a quella ambientale (cucina, bagno, doccia ecc.); di solito però non viene calcolato perché lo si considera annullato dall apporto energetico negativo dell acqua fredda; dunque Q as = 0.

Apporti dovuti alle sorgenti interne Il valore globale degli apporti energetici dovuti a sorgenti interne Q i è dato dalla somma dei contributi di ciascuna sorgente, espressi in kwh/mese. L apporto energetico mensile dovuto a sorgenti interne è dunque: Q i = Q P + Q ap + Q ill + Q as Apporti energetici interni dovuti alla presenza di una persona, di un computer e di una lampada.

Apporti energetici gratuiti teorici Gli apporti energetici gratuiti teorici Q Gr sono dati dalla somma di: Q si : apporti solari per irraggiamento; Q se : apporti solari per convezione; Q i : apporti interni. Il valore effettivo degli apporti gratuiti si discosta da quello teorico di un coefficiente η u comunemente chiamato fattore di utilizzazione, ma definito dalle norme come: coefficiente di riduzione degli apporti gratuiti. Il valore di η u varia da 0,5 a 1 a seconda della capacità termica dell edificio (cioè della sua massa) e della dispersione termica globale.

Apporti energetici gratuiti teorici In conclusione gli apporti energetici gratuiti mensili effettivi sono: e la quantità di energia che essi apportano è data dalla formula:

Riepilogo dei simboli energetici