Via della Miniera, 9 39018 - Terlano BZ Tel.: 0471/259111 r.a Fax: 0471/259115 E-mail: info@veltaitalia.it http:www.veltaitalia.it ATTI CONVEGNO SULLA CLIMATIZZAZIONE TERMOIDRAULICA PADOVA 2007 RISCALDAMENTO E RAFFRESCAMENTO RADIANTE PER LA CLIMATIZZAZIONE DI UN DIFICIO PER UFFICI INTRODUZIONE La sede dell ECOCENTER, società che gestisce gli impianti di smaltimento rifiuti e di depurazione delle acque reflue per molti comuni della Provincia di Bolzano, si trova all interno di un area verde, in prossimità del depuratore di Bolzano; recentemente l edificio originario, costituito da un vecchio maso, è stato ampliato mediante la realizzazione di un nuovo corpo, interamente vetrato, unito al precedente tramite un corridoio di raccordo. La committenza intendeva realizzare nel nuovo edificio, concepito come Casa Clima B, un impianto di climatizzazione che minimizzasse i consumi di energia e presentasse il minimo impatto sull ambiente. Il progetto si poneva pertanto i seguenti obiettivi: 1. Minimizzare il fabbisogno di energia sia per la climatizzazione invernale che estiva; 2. Reperire fonti di energia, non fossile, in grado di sopperire sia al fabbisogno invernale che estivo; 3. Individuare una tipologia impiantistica che fosse compatibile con le caratteristiche architettoniche dell edificio, interamente vetrato, con la sola eccezione della copertura.
L EDIFICIO ESISTENTE L edificio esistente, un vecchio maso ristrutturato negli anni 90, è riscaldato, tramite teleriscaldamento, dalla centrale termica del vicino depuratore, in cui sono presenti caldaie con bruciatori misti funzionanti sia a biogas (prodotto all interno dell impianto di depurazione) che a gas metano; il carico termico attuale della centrale è tale da utilizzare completamente la potenzialità disponibile con alimentazione delle caldaie a biogas e pertanto una maggiorazione di potenza (per il riscaldamento del nuovo edificio) avrebbe richiesto l alimentazione a gas metano, con conseguenti maggiori consumi. Nel periodo estivo la climatizzazione è ottenuta da una serie di refrigeratori tipo split. IL NUOVO EDIFICIO Il nuovo corpo, progettato dallo studio Cappuccio, Donato, Macchi Cassia di Bolzano, si compone di due piani, di superficie pari a circa 150 m 2 ciascuno. La forma è molto compatta, con pianta rettangolare. L edificio è collegato al corpo esistente mediante un corridoio anch esso totalmente vetrato. L edificio principale è circondato da una grigliatura di legno ad alette fisse, con funzione solamente estetica. Per minimizzare i consumi di energia e nel contempo rispettare una direttiva della Provincia Autonoma di Bolzano, che prevede per gli edifici di interesse provinciale la certificazione Casa Clima B, si è definito il grado di isolamento delle strutture con particolare riferimento alle strutture vetrate, che non necessitano tuttavia di un coefficiente Ug troppo basso, in quanto questo peggiorerebbe il raffreddamento naturale nelle stagioni intermedie. Si è scelta pertanto una facciata vetrata con Ug = 1.1 W/m 2 K. In accordo con gli architetti si è definito il sistema di schermatura solare, per ottimizzare lo sfruttamento di energia nel periodo invernale e costituire un efficiente schermo alla radiazione solare nel periodo estivo. E stato innanzitutto necessario studiare la forma e il passo della grigliatura esterna in modo da rendere minima l ombreggiatrura nel periodo invernale. Poiché la grigliatura così concepita non era sufficiente per ottenere l ombreggiamento estivo, tutte le vetrate, con eccezione della zona di ingresso, sono state dotate di tende esterne mobili, motorizzate, ad elevato grado di schermatura. 2
Il fabbisogno di energia termica e frigorifera mensili in queste condizioni risultano i seguenti: mese Inverno (riscaldamento Pot. Max kw 21) Fabbisogno energetico mensile MJ Estate (raffrescamento Pot. Max kw 25) Fabbisogno energetico mensile MJ gennaio 11577 febbraio 3997 marzo 946 aprile 109 12.593 maggio 34.338 giugno 39.796 luglio 46.028 agosto 43.319 settembre 34.703 ottobre 301 novembre 4781 dicembre 11359 3
IMPIANTO DI CLIMATIZZAZIONE Sulla base dei risultati dello studio di fattibilità, in accordo con la direzione di Ecocenter si è deciso di rendere l impianto di climatizzazione del nuovo corpo totalmente indipendente da quello dell edificio esistente. La tipologia dell edificio con pareti integralmente vetrate ben si prestava all utilizzo di impianti di tipo radiante. Gli elevati carichi specifici di raffrescamento (circa 80 W/m 2 )rendevano tuttavia insufficiente il solo impianto a pavimento; il sistema è stato quindi integrato con un impianto di attivazione termica della massa. Questa tecnologia consiste nella realizzazione di solai, prevalentemente in calcestruzzo, in cui viene annegata una rete di tubazioni in cui è possibile far scorrere acqua calda nel periodo invernale e acqua fresca nel periodo estivo. In questo modo è possibile accumulare un certa quantità di energia termica o frigorifera durante la notte e di cederla durante il giorno, con uno sfasamento rispetto al carico massimo e quindi una attenuazione dei carichi di punta. I solai sono stati pertanto realizzati in opera, in calcestruzzo. Il principio di funzionamento prevede di accumulare durante la notte una certa quantità di energia termica o frigorifera nei solai e di attivare l impianto a pavimento durante il giorno, nei periodi di maggior carico. In questo modo è possibile ridurre anche la potenzialità massima delle macchine (pick saving). L adozione di questa tipologia impiantistica comporta il vantaggio che le temperature di funzionamento dell impianto stesso sono molto vicine alle temperature ambiente e alle temperature degli elementi naturali (aria, acqua, terreno). Per contro la temperatura non è facilmente regolabile per i singoli uffici e non rimane costante durante tutto il periodo di utilizzo dei locali ; tuttavia la presenza di grandi superfici radianti permette comunque un confort termico durante tutta la giornata con notevole riduzione della temperatura operante, che nel periodo estivo, può variare fra i 21-23 C al mattino fino a 24-26 C verso sera. Per il circuito di attivazione della massa non sono previste regolazioni ambiente in modo che si possa sempre accumulare la massima energia; l unica regolazione è centralizzata e permettere di adeguare la temperatura di mandata alle condizioni termo-idrometriche ambiente in modo da evitare fenomeni di condensa superficiale. 4
L impianto a pavimento è invece suddiviso in 5 zone che presentano diversa esposizione; ogni zona dispone di un collettore con regolazione autonoma mediante valvola a due vie motorizzata e sonda di rilevazione della temperatura operante. Una regolazione centralizzata permette di adeguare la temperatura di mandata alle condizioni termo-idrometriche ambiente in modo da evitare fenomeni di condensa superficiale. L impiego di superfici radianti a pavimento e a soffitto ha comportato la modifica di alcune scelte architettoniche operate inizialmente. In particolare sono stati eliminati la moquette e il controsoffitto inizialmente previsti; la moquette avrebbe ridotto eccessivamente la resa dell impianto a pavimento nel periodo estivo mentre il controsoffitto avrebbe compromesso la resa del sistema di attivazione della massa. Il pavimento è stato dunque realizzato in marmo e il soffitto semplicemente intonacato. La presenza esclusiva di superfici lisce (pavimento, soffitto e pareti vetrate) e quindi riflettenti, ha posto il problema dell acustica all interno degli ambienti. Gli architetti sono intervenuti pertanto sulle pareti divisorie costituite da pareti attrezzate, adottando rivestimenti microforati con potere fonoassorbente, in modo da riportare il tempo di riverbero entro valori accettabili. L impianto radiante, date le temperature in gioco, ha reso particolarmente vantaggioso l utilizzo di pompe di calore. Poiché depuratore dispone di una rete interna di acqua industriale di recupero dal processo di depurazione, preventivamente filtrata, con temperature variabili durante l anno, fra 14 a 22 C, l utilizzo di pompe di calore reversibili, raffreddate ad acqua, è apparso quanto mai interessante. Di seguito sono riportate le temperature dell acqua di scarico del depuratore, rilevate nel triennio 2003-2005. G F M A M G L A S O N D media annua 2003 13,86 13,81 15,23 15,41 21,06 21,99 22,42 23,11 21,27 19,14 16,65 15,24 18,27 2004 13,92 14,30 15,54 17,81 18,98 20,90 21,86 22,75 21,42 20,10 17,38 15,10 18,34 2005 13,81 13,90 15,38 17,58 19,52 19,11 22,29 22,14 22,04 19,78 17,50 14,64 18,14 media 13,86 14,00 15,38 16,93 19,85 20,67 22,19 22,67 21,58 19,67 17,18 14,99 18,25 5
La pompa di calore (di potenzialità termica 22 kw e potenzialità frigorifera 19 kw) è alimentata dall acqua proveniente dalla rete di acqua industriale, attraverso uno scambiatore di calore. Con le condizioni di temperatura in gioco, il C.O.P. della pompa di calore nel funzionamento invernale nelle peggiori condizioni (gennaio e febbraio) risulta pari a 5,3 mentre l E.E.R. nel periodo estivo risulta pari a 6.15. L acqua industriale viene prelevata a monte di un idrante che si trova nell area di realizzazione del nuovo edificio e viene reimmessa nel canale di alimentazione delle vasche di denitrificazione. DIMENSIONAMENTO DELL IMPIANTO Il dimensionamento del sistema è stato eseguito in collaborazione con Velta Italia. La verifica della resa termica del riscaldamento e raffrescamento a pavimento è stata effettuata mediante un software, basato sul metodo di calcolo agli elementi finiti (FEM). Il modello geometrico applicato alla simulazione software ha permesso di simulare un elemento del modulo Velta Contec per il solaio superiore e un elemento Velta Contec accoppiato ad un elemento Velta Calore per il solaio intermedio. Tali elementi sono stati pianificati in modo tale che la loro ripetizione in serie fornisse un modulo completo Velta Contec e Velta Contec + Velta Calore. Al fine di ottenere le rese termiche del sistema, la simulazione è stata condotta servendosi della temperatura media dell acqua tra mandata e ritorno. Vengono di seguito descritte le stratigrafie dei due solai presi in esame (i materiali sono elencati dal basso verso l alto) Solaio superiore (quota c.a. +6,70) Solaio in CLS spessore 250 mm conduttività 2,100 w/mk (Contec) Isolante spessore 150 mm conduttività 0,033 w/mk Terreno spessore 150 mm conduttività 1,500 w/mk* *terreno leggermente umido UNI 7357) 6
Solaio intermedio (quota c.a. +3,00) Solaio in CLS spessore 220 mm conduttività 2,100 w/mk (Contec) Massetto alleggerito spessore 60 mm conduttività 0,160 w/mk Isolante spessore 20 mm conduttività 0,033 w/mk Foglio in PE spessore 0,18 mm conduttività 0,400 w/mk Massetto cementizio spessore 80 mm conduttività 1,200 w/mk (Calore) Pavimento in pietra spessore 25 mm conduttività I solai possono essere considerati come composti da una serie di moduli uguali a quelli oggetto dell indagine software. Le rese termiche in raffrescamento e riscaldamento sono riportate di seguito e le rispettive stratigrafie delle temperature a pag.19-20. In questa ultima rappresentazione vengono riportati l andamento della temperatura all interno del solaio: il valore della temperatura puntuale potrà essere ricavato dal colore associato alla scala riportata sulla destra della figura, e dall andamento delle isoterme. I valori presenti lungo le linee di contorno rappresentano i valori della potenza specifica in W/m². 7
Funzionamento in raffrescamento Solaio superiore (quota c.a. +6,70) Temperatura esterna: 32,0 C Temperatura ambiente: 27,0 C Temperatura media acqua: 17,5 C Temperatura superficiale sotto tubo (soffitto): 22,2 C Resa termica verso il basso: 52,1 w/mq Resa termica verso l alto: 2,6 w/mq Tubazione velta 20 x 2.3 Solaio intermedio (quota c.a. +3,00) Temperatura amb. sopra: 27,0 C Temperatura amb. sotto: 27,0 C Temp. media acqua Contec: 17,5 C Temp. media acqua Calore: 17,5 C Temperatura superficiale sotto tubo (soffitto): 21,9 C Temperatura superficiale sopra tubo (pavimento): 21,2 C Resa termica verso il basso: 54,2 w/mq Resa termica verso l alto: 40,0 w/mq Tubazione velta 17 x 2.0 Tubazione velta 20 x 2.3 Funzionamento in riscaldamento Solaio superiore (quota c.a. +6,70) Temperatura esterna: -15,0 C Temperatura ambiente: 20,0 C Temperatura media acqua: 26,0 C Temperatura superficiale sotto tubo (soffitto): 23,5 C Resa termica verso il basso: 24,7 w/mq Resa termica verso l alto: 8,3 w/mq Tubazione Velta 20 x 2.3 Solaio intermedio (quota c.a. +3,00) Temperatura amb. sopra: 20,0 C Temperatura amb. sotto: 20,0 C Temp. media acqua Contec: 26,0 C Temp. media acqua Calore: 32,0 C Temperatura superficiale sotto tubo (soffitto): 23,8 C Temperatura superficiale sopra tubo (pavimento): 25,5 C Resa termica verso il basso: 27,1 w/mq Resa termica verso l alto: 59,5 w/mq Tubazione velta 17 x 2.0 Tubazione velta 20 x 2.3 8
CONCLUSIONI. L edificio è in corso di ultimazione; in accordo con Velta Italia si è deciso di monitorare le temperature ambiente nella prossima stagione estiva ed invernale al fine di ottimizzare il comportamento del sistema edificio impianto, in considerazione dell accoppiamento di un edificio a bassa inerzia con un impianto ad elevata inerzia. 9
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CURRICULUM VITAE DOTT. ING. MARINA BOLZAN LUOGO E DATA DI NASCITA: Roma 29 marzo 1954 DIPLOMA: Maturità Classica, conseguita nel 1972 presso il Liceo Classico Canova di Treviso LAUREA: in ingegneria meccanica conseguita presso l università di Padova nel 1977 PUBBLICAZIONI: M. Bolzan-R. Lazzarin: problemi e possibilità del sistema a deumidificazione-umidificazione nel campo del raffreddamento solare, atti del XXXIII congresso Nazionale A.T.I., Ancona 1978 B. Boldrin-M. Bolzan_R. Lazzarin: LiBr absorption cooling devices as heat pumps, 2. Internationales Sonnenforum, Hamburg 1978 M. Bolzan-R. Lazzarin: comparison between two absorption cooling system of the open type under different climatic conditions, international journal of refrigeretion vol. 2. nr. 3, may 1979 M. Bolzan-R. Lazzarin: open cycle absorption cooling devices with spray chamber regenerator and air solar collectors, XV international congress of refrigeration, Venezia 1979 ATTIVITA PROFESSIONALE: Assistente incaricata presso l istituto di Fisica Tecnica dell Università di Padova dal 1977 al 1979 Libera professionista nel settore termotecnica dal 1981 Presidente dell Ordine degli Ingegneri della Provincia di Bolzano dal 1993 al 1995 22