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Confronto tra pannelli radianti a pavimento e a soffitto nella riqualificazione energetica di una villetta nell'Elba

Nella prima parte di questa tesi ci siamo concentrati sulla riqualificazione energetica di una villetta sita nel comune di Campo nell’Elba. In base alle vigenti normative di classificazione energetica, l’abitazione allo stato attuale risulta appartenere alla classe G. Successivamente sono stati effettuati interventi di isolamento termico al fine di ottenere un miglioramento delle prestazioni energetiche. Nella seconda parte si sono rilevate le problematiche riguardanti il comfort termico negli ambienti interni e si è fornito una descrizione del funzionamento e dimensionamento dei pannelli radianti a pavimento e a soffitto. A questo scopo si è svolta un’analisi fluidodinamica computazionale confrontando i risultati ottenuti dalle due differenti soluzioni.

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Tesi di Laurea, Università degli Studi di Pisa, Anno Accademico 2011- 2012

Pubblicato
da Alessia De Giosa
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Estratto del testo
Università di Pisa Facoltà di Ingegneria Corso di Laurea in Ingegneria Idraulica, dei trasporti e del territorio Anno Accademico 2011 '' 2012
Tesi di Laurea Confronto tra pannelli radianti a pavimento e a soffitto nella riqualificazione energetica di una villetta sita nel comune di Campo nell''Elba
Candidato : Andrea Batini Relatori : Prof. Carlo Bartoli

Dott. Ing. Nicola Forgione Ringraziamenti Ai relatori di questa tesi, il Prof.
Carlo Bartoli e L''ing. Nicola
Forgione, per la loro disponibilità
All''Ing. Daniele Martelli, il
quale, molto pazientemente, ha
contribuito a risolvere e a farmi
capire le problematiche di questo
studio
Infine ma non per ultimi, ai miei
genitori, le mie nonne e Gioia, che
hanno dovuto soffrire insieme a me la
fine di questo percorso che sembrava
non finire più

Andrea Batini Indice
Indice Introduzione......................................................................................................................................1 PARTE I Capitolo 1''''''''''''''''''''''''''...'..'''...'..4 1.1 Considerazioni generali e Normative'''''''''''''''''''''......5 1.2 Il Decreto Legislativo n.311/2006'''''''''''''''.''''...............11 1.2.1 Ambito di applicazione''''''''''..''''''''''.''.....'13 1.2.2 Categorie edifici e relative verifiche'.''''''''''''''....''.......14 1.3 La legge finanziaria 2012''''''''''''''''...''''..''.'...'.16 1.4 Calcolo del fabbisogno di energia primaria'''..'''.''''''''..'..'.'..21 1.4.1 Calcolo del fabbisogno per la climatizzazione invernale'''''..''..'''.....23 1.4.2 Calcolo del fattore di utilizzo degli apporti gratuiti.'''..''''..''..''..'28 1.4.3 Calcolo del fabbisogno di energia per la climatizzazione invernale'..'..........''....30 1.4.4 Calcolo del fabbisogno energetico per la produzione di ACS''..'..'...'''......30 1.4.5 Calcolo del fabbisogno di energia primaria per la produzione di ACS'...''............31 1.5 Rendimenti e la Norma UNI EN 10348....................'...''''''''''''...'..32 1.6 Calcolo della trasmittanza termica dell''involucro edilizio'''''''...''''........37 1.7 Ponti termici norma UNI EN ISO 14683'''''''''...''.''''''..''39 1.8 Scambi Terreno-Pavimenti norma UNI EN ISO 13370'''''''''''''.......41 Capitolo 2''''''''''''''''''''''''''..''..''...'.43 2.1 Descrizione della struttura'''''''''''''''''''''.'.''.......44 2.2 Consumi termici, elettrici ed idrici'''''''''..''''''''.''..'.......50 2.2.1 Consumi legati al riscaldamento'''''''''''''...''''''.'.51 2.2.2 Consumi elettrici e per la produzione di ACS''''''''''''''''.52 Indice 2.2.3 Consumi idrici''''''''''''''''''''''''''''..55 2.2.4 Classificazione energetica'''''''''''''''''''''..'..'55 Capitolo 3'''''''''''''''''''''...''''..'.......................57 3.1 Interventi di riduzione delle dispersioni'''''''''''''''''....'......58 3.2 Isolamento a cappotto'''''''''''''''''''''...''..'''..58 3.3 Isolamento del tetto e sottotetto'''''''''''''''''''..'..''...61 3.4 Sostituzione degli infissi'''''''''''''''''''.''..''.......'.62 3.5 Calcolo del FAEP allo stato modificato ''''''''...'''''''.''''...65 Capitolo 4'''''''''''...'''''''''''''''..'...................70 4.1 Installazione degli impianti solari'''''''''''''''..''''''.'.71 4.1.1 La radiazione solare''''''.''''...''''''''.''''''...71 4.2 Impianto solare termico'''.'''''.''''''''''.''''''''.72 4.2.1 Dimensionamento del solare termico'.''....''''''''.''''''....79 4.2.2 Incentivi solare termico: la detrazione del 55%'.''....''''..'.'''.''..86 4.3 Impianto solare fotovoltaico'''.'''''.'''''.'''.''.''''...'.88 4.3.1 Dimensionamento del fotovoltaico'.''....''''''''...........................'.91 4.3.2 Incentivi fotovoltaico: il V conto energia''''...'''''''.''''..'.92 4.4 Costo complessivo dell'impianto solare''''.'''''.'''''.''''.'.98 4.5 Installazione dei pannelli radianti''''''.'''''.''''''.'''..'..98 4.6 Calcolo del FAEP allo stato modificato definitivo'''''''''''.''.'.'.100 4.7 Valutazioni economiche e tempi di ritorno''''.'''''.''''''..'....'.104 Indice PARTE II Capitolo 5'''''''''''''''''''''''''''''''''106 5.1 Termolegolazione del corpo umano'''''''''''''''''...''..'..107 5.2 Bilancio di energia dul corpo umano'''''''''''''''...''''.'108 5.3 Il comfort termico''''''''''''''''''''''..'''''....111 Capitolo 6'''''''''''''''''.'''''''.'''...'''..'.114 6.1 Modi di trasmissione del calore''''''''''..'''''''''..''.'.115 6.1.1 Conduzione''''''''..''''''.''''...''''''..'''115 6.1.2 Convezione''''''''''''''''''''''''''.''...116 6.1.3 Irraggiamento''''''''''''''''''''''''''..'...117 6.1.4 Scambio termico combinato''..''''''''''''''''''.'....119 Capitolo 7'''''''''''''''''.''''''''''''''.'.121 7.1 Note generali'''''''.'''''''''''''''''''''''.122 7.1.1 I primi impianti di pavimento a caldo..''''''.''''...''''''.'122 7.1.2 Vantaggi offerti dagli impianti a pannelli'''''''''''''.'''.....124 7.1.3 Limiti e svantaggi degli impianti a pannelli'''''''''''.''''......128 7.1.4 Raffrescamento dei locali'''..'''''''''''''''''''.....130 7.1.5 Costi di realizzazione e di gestione''''''''''''''''''.'...130 7.1.6 Applicazioni''''''''...''''''''''''''''''.'...131 7.2 Realizzazione degli impianti a pannelli'''''''''''''''''''.'.131 7.2.1 Strutture di contenimento dei pannelli..''''''.''''...'''''.''131 7.2.2 Distribuzione del fluido termovettore..''''''.''''...'''''.'.'133 7.3 Sistemi di regolazione'''''''''''''''''''''''''''.138 7.4 Flusso di calore emesso da un pannello'''''''..'''''''''..''.'.139 Indice 7.5 Dimensionamento dei pannelli''''''''''''''..'''''''''.142 7.5.1 Calcolo dei pannelli'''''''''''''...''''...''''''.'142 7.5.2 Parametri richiesti'''''''....''''''.''''...'..''''''146 7.5.3 Parametri da determinare''.''....''''''.''''...''..'''''151 7.5.4 Interazioni con arredo'.''.''....''''''.''''...''..'''''154 Capitolo 8''''''''''''''''''''''''''''''''.'156 8.1 Simulazione mediante Fluent''''''''''''''''''''''''..157 8.1.1 Il caso di studio'''''''''''''''''''''''''''..157 8.1.2 Il Fluent''''''''''''''''''''''''''''..''159 8.1.3 Setting del Fluent'''''''''''''''''''''''...'''160 8.2 Impianto di riscaldamento a pannelli radianti allo stato attuale: Caso 1.'''''''....163 8.2.1 Caso 1a: Pannelli radianti a pavimento''''''...''...''.''''''..163 8.2.2 Caso 1b: Pannelli radianti a soffitto''''''...'..''''''..''''...168 8.3 Impianto di riscaldamento a pannelli radianti allo stato modificato: Caso 2'''''..'173 8.3.1 Caso 2a: Pannelli radianti a pavimento''''''...''...''.''''''..173 8.3.2 Caso 2b: Pannelli radianti a soffitto''''''...'..''''''..''''...178 Conclusioni'''''''''''''''''''''''''''''.'''..185 Riferimenti Bibliografici''''''''''''''''''''''..''''...189 Appendici Definizioni''''''''''...''''''''''''''''.'.'''..191 Verifiche''''''''''''''''''''''''''..........................195 Requisiti energetici degli edifici''''''''''''''''''...'''.'200 Introduzione 1 INTRODUZIONE
I problemi riguardanti i consumi energetici stanno attirando sempre più l''attenzione della maggior parte delle Nazioni e negli ultimi anni si sta sviluppando una cultura del risparmio energetico con la possibilità di vedere in esso anche un investimento per la creazione di migliaia di nuovi posti di lavoro. E'' quindi doveroso porre l''attenzione sulla questione del risparmio energetico e della riduzione dell''impatto ambientale; si cerca, dunque, di ridurre il consumo dell''energia e l''inquinamento dei sistemi energetici, facendone un uso razionale, pur mantenendo un elevato grado di benessere. Le Direttive vincolano le scelte progettuali, le quali devono tener conto contemporaneamente di due aspetti: il ''sistema edificio' e il ''sistema impianto'. Per realizzare un edificio energeticamente efficiente occorre minimizzare le dispersioni termiche interne; si deve cioè realizzare un involucro che minimizzi le dispersioni nel periodo invernale reagendo in modo flessibile alle sollecitazioni esterne. Al contempo il sistema impianto dovrà essere realizzato in maniera adeguata alle esigenze dell''involucro edilizio: dovrà, pertanto, ricondurre i parametri microclimatici interni entro campi assegnati, quando essi tendono ad allontanarsene. Nella progettazione dell''impianto ci si propone quindi di controllare il microclima di uno spazio confinato in modo da soddisfare le condizioni desiderate di comfort termoigrometrico e di benessere psico-fisico. Proprio in quest''ottica si collocano i sistemi di riscaldamento a pannelli radianti; questi, generano, rispetto agli impianti di riscaldamento convenzionali ad acqua, una stratificazione delle temperature che si avvicina maggiormente alla curva ideale di benessere termico. Utilizzando come fluido scaldante acqua a temperatura relativamente bassa (30-40 °C) garantiscono l''assenza di un gradiente termico marcato che comporta una riduzione delle dispersioni e quindi del carico termico, e un trascurabile sollevamento di polvere nel locale; comportano inoltre l''aumento della temperatura media radiante del locale consentendo di raggiungere la stessa temperatura operante con una minore temperatura dell''aria. Introduzione 2 Inoltre, considerando il fatto che la maggior parte degli edifici in Italia risale ad epoche più o meno passate, è di rilevante importanza poter riuscire a trasformare tali edifici, da involucri disperdenti quali sono, in abitazioni più efficienti, ottenendo così un sensibile miglioramento delle prestazioni energetiche. Nella prima parte di questa tesi ci siamo focalizzati sugli interventi da attuare su una villetta risalente agli anni ''70 per migliorare le prestazioni energetiche con lo scopo di raggiungere la classe A. Dopodiché abbiamo fatto un''analisi benefici-costi per valutare quali siano gli interventi più convenienti da eseguire. Nella seconda parte ci si propone di studiare gli impianti di riscaldamento a pannelli radianti, a pavimento e soffitto, al fine di farne un confronto mediante l''utilizzo del software FLUENT. E'' stato sviluppato un modello tridimensionale di una parte dell''abitazione al fine di rappresentare le possibili configurazioni delle temperature in presenza di impianto a pannelli radianti, a pavimento o soffitto . Sono stati confrontati i risultati ottenuti dallo stato attuale della villetta e dallo stato modificato. 3 PARTE I La riqualificazione energetica 4 Capitolo 1 Normative e Certificazione Energetica Capitolo 1- Normative e Certificazione Energetica 5 1.1 Considerazioni generali e Normative Oggi i cambiamenti climatici, che hanno avuto inizio nel XX secolo, diventano sempre più evidenti. Rispetto ai pericoli che essi rappresentano, l''opinione pubblica e i politici stanno cominciando a prendere coscienza della necessità di proteggere l''ambiente naturale. Da molti decenni gli esperti mettono in guardia contro gli effetti irreversibili, per il pianeta e per gli uomini che lo abitano, di quattro macro-fenomeni: ' IL RAPIDO AUMENTO DELLA POPOLAZIONE
' LO SPRECO DI MATERIE PRIME
' IL DEGRADO DELL''ARIA, DELL''ACQUA E DEL SUOLO
' LA PRODUZIONE INSOSTENIBILE DI RIFIUTI La popolazione della Terra è passata da circa 1.5 miliardi di persone nel 1900 ai sei miliardi del 2000. La crescita impressionante del numero di esseri umani che si dividono il Pianeta pone, tra gli altri, problemi legati al loro nutrimento, alla loro necessità di una casa e alla qualità della vita, soprattutto nelle regioni del Levante, dove l''aumento della popolazione continua a essere galoppante. L''effetto serra La Terra è investita da un''enorme quantità di energia proveniente dal Sole. Al di sopra dell'atmosfera il flusso medio è stimato in 1366 watt per metro quadrato; questo valore è denominato ''Costante Solare'. Di conseguenza, tenuto conto della superficie sferica del nostro pianeta, la potenza solare che viene indirizzata sulla Terra ha un valore di circa di 174 ' 1015 watt, ossia di 174 milioni di gigawatt. In altri termini, l'energia luminosa arriva sulla Terra al ritmo di 174 milioni di gigajoule al secondo. In condizioni di equilibrio la quantità di radiazione ricevuta è bilanciata da un''uguale quantità riemessa in due modi: ' riflessione (circa il 30% del totale, prevalentemente dalle nubi)
' riemissione come radiazione di corpo nero (il restante 70%) Capitolo 1- Normative e Certificazione Energetica 6 Si tratta di una quantità di energia di gran lunga superiore a quella complessivamente generata dall'uomo. La radiazione non riflessa viene assorbita dall'atmosfera (16%), dalle nubi (4%) e dalla superficie terrestre e dai mari (51%), dove si trasforma in calore. La Terra, come qualunque corpo caldo, emette una radiazione elettromagnetica la cui lunghezza d'onda è legata alla temperatura dalla legge di Wien. Alla temperatura della superficie terrestre, circa 287 °K, l'emissione è nel campo dei raggi infrarossi a circa 10 micrometri. L'atmosfera terrestre, che è trasparente alla luce visibile e all'infrarosso vicino, non lo è alla lunghezza d'onda di 10 micrometri, per cui solamente il 6% della radiazione riemessa riesce a sfuggire nel cosmo. Il resto viene assorbito e riscalda l'atmosfera, la quale a sua volta riemette energia. La temperatura al suolo aumenta così fino a quando la quantità di radiazione che riesce a sfuggire compensa quella ricevuta dal sole. Le attività umane stanno alterando la composizione chimica dell''atmosfera. Le enormi emissioni antropogeniche di gas serra stanno causando un aumento della temperatura terrestre determinando, di conseguenza, dei profondi mutamenti a carico del clima sia a livello planetario che locale. Prima della Rivoluzione Industriale, l''uomo rilasciava ben pochi gas in atmosfera, ma ora la crescita della popolazione, l''utilizzo dei combustibili fossili e la deforestazione contribuiscono non poco al cambiamento nella composizione atmosferica. Il Comitato Intergovernativo sui Cambiamenti Climatici ritiene che la temperatura media del Pianeta sia aumentata di circa 0,6°C dal 1861. Inoltre, sulla base delle tendenze attuali di emissione dei gas serra, vi è la stima di un ulteriore aumento della temperatura terrestre tra 1,4 e 5,8°C nel periodo fra il 1990 e il 2100. Consumo energetico in edilizia Il settore civile nel suo complesso è responsabile di circa il 40% del totale dei consumi energetici dell''Europa. Per quanto riguarda l''Italia, prima di addentrarci nell''analisi dettagliata di questo aspetto, facciamo alcune considerazioni di carattere generale che evidenziano immediatamente la rilevanza energetico-ambientale del settore edilizio. Dei circa 190 milioni di tep (tonnellate di petrolio equivalenti) consumate annualmente in Italia, che equivalgono pressappoco a dieci litri al giorno per persona, 28 milioni sono destinati agli usi residenziali degli abitanti. Capitolo 1- Normative e Certificazione Energetica 7 Inoltre, a fronte di un tasso complessivo di crescita dei consumi energetici non superiore all''1%, il settore residenziale accresce i consumi di un 2% annuo. Considerando la ripartizione dei consumi in tonnellate equivalenti di petrolio nella Regione Toscana nel 2001 e considerando il trend di consumi abbiamo che nei vari settori si ha il seguente incremento: ' INDUSTRIA: lieve incremento
' TRASPORTI: incremento accentuato
' SETTORE CIVILE: incremento accentuato del 20% Allo stato attuale, in Italia il 30% dei 150 Mtep di energia impiegata in un anno è utilizzata nel settore residenziale e terziario ed è responsabile del 25% delle emissioni di anidride carbonica. Se, però si tiene conto dell''intera filiera, considerando gli impieghi relativi all''industria dei materiali e quella delle costruzioni, il valore passa approssimativamente al 43%, facendo divenire tale settore il più energivoro. Un ulteriore elemento da considerare, sempre in termini medi, è la ripartizione delle spese annuali per una famiglia italiana tipo. Si comprende immediatamente quanto sia importante, anche per l''economia domestica della popolazione, intervenire sulla climatizzazione delle abitazioni e sugli usi sanitari cui, nel complesso, è attribuibile un''incidenza pari al 62%. Per quanto riguarda il consumo energetico nel settore civile,a livello europeo, possiamo dire che l''Italia è tra i maggiori consumatori. Le Nazioni unite e il Protocollo di Kyoto All''inizio degli anni novanta, il Summit della Terra organizzato dalle Nazioni Unite a Rio de Janeiro ha messo in allerta l''opinione pubblica sulle conseguenze del saccheggio delle materie prime, sull''aumento inquietante dell''effetto serra e sul degrado tanto rapido quanto spettacolare degli equilibri ecologici. Gli impegni presi a Rio si sono concretizzati in numerose misure che vogliono incoraggiare gli abitanti dei paesi industrializzati a salvaguardare le risorse naturali rimettendo in discussione il loro modo di vivere e di abitare. Se il Summit di Rio aveva una impostazione sociale e culturale più teorica e di principio, quello di Kyoto (1996) si è presentato con un Capitolo 1- Normative e Certificazione Energetica 8 taglio più operativo. Il Protocollo di Kyoto è un documento redatto e approvato nel corso della Convenzione Quadro sui Cambiamenti climatici tenutasi in Giappone nel 1997. Nel Protocollo sono indicati per i Paesi dell''Annesso I** gli impegni di riduzione e di limitazione quantificata delle emissioni di gas serra (anidride carbonica, gas metano, protossido di azoto, esafluoruro di zolfo, idrofluorocarburi e perfluorocarburi). Con più precisione le Parti dovranno, individualmente o congiuntamente, assicurare che le emissioni antropogeniche globali siano ridotte di almeno il 5% rispetto ai livelli del 1990 nel periodo di adempimento 2008-2012. Per il raggiungimento di questi obiettivi, i Paesi potranno servirsi di diversi strumenti che intervengono sui livelli di emissioni di gas a livello locale-nazionale oppure transnazionale. Perché il trattato potesse entrare nella pienezza di vigore si richiedeva che fosse ratificato da non meno di 55 nazioni firmatarie, e che le nazioni che lo avessero ratificato fossero protagoniste dell''emissione di almeno il 55% degli inquinanti globali; quest'ultima condizione è stata raggiunta solo nel novembre del 2004, quando anche la Russia ha perfezionato la sua adesione. Nel 2005 hanno firmato anche altri paesi mentre Australia e Stati Uniti hanno firmato ma hanno poi rifiutato di ratificare il trattato. Normativa Europea In Europa, le normative sull''isolamento termico sono state introdotte sulla scia del primo shock petrolifero nel 1973. La direttiva (2002/91/CE), relativa al rendimento energetico nell''edilizia, rappresenta una misura a lungo attesa, a fronte di un generico trend di crescita nei consumi nel settore del mattone. Tra le novità, un''attenzione maggiore alle tematiche del raffrescamento e del condizionamento d''aria, la possibilità di sostanziali risparmi energetici grazie all''edilizia bioclimatica e l''istituzione di ispezioni periodiche obbligatorie per i sistemi di condizionamento d''aria. Non è una novità, invece, l''attestato di certificazione energetica degli edifici. Le misure valgono anche per gli edifici già esistenti, purché di metratura superiore ai 1.000 m2 che subiscano degli interventi di ''ristrutturazione importante'. Se l''Europa ha seriamente intenzione di rispettare gli impegni assunti con la firma del Trattato di Kyoto, è probabilmente il settore edilizio quello prioritario su cui intervenire. La direttiva fissa una serie di linee-guida cui i diversi Paesi membri dovranno adeguarsi Capitolo 1- Normative e Certificazione Energetica 9 promulgando un''apposita legislazione o adeguando quella esistente. ' chiaro che in questo settore le differenze tra i vari Paesi sono profonde e riguardano: ' IL CLIMA
' LE TIPOLOGIE EDILIZIE
' LE TECNOLOGIE COSTRUTTIVE
' I REGIMI DI PROPRIETA''
' LA CULTURA
' LE ABITUDINI DEI CONSUMATORI In questo contesto, la direttiva è necessariamente flessibile e potrà condurre a soluzioni molto diverse da un Paese a un altro. Rispetto al passato, vi è un''attenzione maggiore al raffrescamento e al condizionamento d''aria. Un motivo è certamente quello che l''aumento del tenore di vita e della richiesta di comfort ha fatto aumentare nell''ultimo decennio la domanda energetica per il condizionamento molto più che non quella per il riscaldamento degli edifici; anche se quest''ultima è ancora prevalente, non è più lecito trascurare la prima. Una seconda causa può essere quella della crescente integrazione tra sistemi di riscaldamento e sistemi di raffrescamento, sia attraverso le pompe di calore reversibili, sia attraverso i sistemi ''passivi'. Un terzo motivo è rappresentato da una maggiore attenzione verso i Paesi dell''Europa mediterranea, dove il condizionamento sta diventando una necessità, rispetto alla prevalente attenzione verso le condizioni del Nord Europa che si era notata in passato. Per quanto riguarda il fattore energetico, l''art. 7 della direttiva è relativo al già noto attestato di certificazione energetica degli edifici. Il principio è piuttosto semplice: una casa ben progettata porta a un risparmio di energia e, quindi, a un risparmio economico. ' corretto che questa considerazione pesi sulla valutazione economica dell''edificio, sia esso in vendita o in affitto; è logico che l''acquirente, o l''affittuario, ne abbia una conoscenza certificata per fare i propri conti ed è prevedibile che il riflesso sul valore di mercato spinga il costruttore a migliorare le prestazioni di un edificio se queste si ripagano. Per quanto riguarda gli edifici esistenti si può dire che un''altra novità di rilievo consiste nell''aver considerato non solo gli edifici di nuova costruzione, ma anche quelli esistenti, Capitolo 1- Normative e Certificazione Energetica 10 purché di metratura superiore ai 1.000 m2 che subiscano degli interventi di «ristrutturazione importante». In sostanza, una ristrutturazione che investa la muratura periferica dell''edificio e/o gli impianti di riscaldamento, condizionamento, ventilazione, illuminazione e produzione di acqua calda di edifici preesistenti deve essere l''occasione per migliorare il loro rendimento energetico, anche se non è possibile pretendere che si adeguino agli standard più esigenti delle nuove costruzioni. Anche in questo caso, si parla di rendimento energetico integrale e non solo di isolamento termico e di impianti di riscaldamento. Normativa Italiana In Italia, ad una prima regolamentazione della materia (Legge 373/1976 e relativi decreti attuativi) è seguita la Legge 10 del 1991, all''epoca apprezzata come normativa molto avanzata e tale da porre il nostro paese all''avanguardia nel settore. Si pensi, ad esempio, come già in essa (all''art. 30) venisse previsto l''obbligo della certificazione energetica degli edifici ai fini della loro commercializzazione. Le modalità con cui produrre questo attestato sarebbero dovute essere fornite da un apposito decreto, la cui diffusione era stata inizialmente prevista nei 90 giorni successivi all''entrata in vigore della legge 10: tale decreto non è mai stato emanato rendendo di fatto inapplicabile il citato art. 30 e con esso l''istituto della certificazione energetica degli edifici. Questo, purtroppo, non è stato un caso isolato. Infatti la Legge 10, per poter essere pienamente operativa, richiedeva anche altri decreti applicativi (da emanarsi entro 180 giorni), l''ultimo dei quali in ordine di tempo, invece, è stato pubblicato sulla Gazzetta Ufficiale del 2 agosto 2005 (D.M. 27 luglio 2005): ben 14 anni dopo. Successivamente sul Supplemento Ordinario n°158 alla Gazzetta Ufficiale n° 222 del 23 settembre 2005,viene pubblicato il Decreto Legislativo del 19 agosto 2005 n° 192, di recepimento della Direttiva 2002/91/CE, in vigore dall''8 ottobre 2005. Tale decreto destinato a riorganizzare l''intera materia, presenta un testo alquanto articolato in cui, tra l''altro, vengono opportunamente previste sia le modalità applicative per il primo periodo ''transitorio' che le modalità per la sua applicazione definitiva. Infatti anche il D.Lgs. 192/2005, come i suoi antecedenti, richiede per la sua piena operatività una serie di decreti attuativi, provvedendo a regolamentare il regime transitorio in attesa della loro pubblicazione. Capitolo 1- Normative e Certificazione Energetica 11 1.2 Il Decreto Legislativo n.311/2006 La pubblicazione delle disposizioni correttive e integrative al D.Lgs. 192/2005 Decreto Legislativo n. 311 del 29 dicembre 2006 modifica le regole del regime transitorio, in attesa dei decreti attuativi e dello schema per la certificazione energetica degli edifici. Rimane ambiguo il quadro di riferimento delle modalità di calcolo e verifica, mentre vengono proposti nuovi valori limite e prescrizioni prestazionali che impongono maggiore attenzione alle scelte tecnico-costruttive. A più di un anno e mezzo di distanza dall''emanazione del D. Lgs. 192 del 2005 (''Attuazione della direttiva 2002/91/CE relativa al rendimento energetico nell''edilizia' ), mentre erano attesi i decreti attuativi e i criteri generali per la certificazione energetica, è stato invece emanato il D. Lgs. 311/06 recante ''Disposizioni correttive ed integrative al decreto legislativo 19 agosto 2005, n. 192', tramite il quale vengono apportate delle modifiche alle prescrizioni già presenti nel primo decreto, soprattutto a quelle inerenti i requisiti minimi in materia di prestazioni energetiche degli edifici. Per gli edifici di nuova costruzione viene introdotta, a partire da subito, l''obbligatorietà di un attestato di qualificazione energetica da presentare al Comune contestualmente alla dichiarazione di fine lavori. ' responsabilità del direttore lavori asseverare sia l''attestato di qualificazione energetica, sia la conformità delle opere realizzate al progetto e alla relazione tecnica. La procedura per il calcolo del fabbisogno di energia per il riscaldamento da dichiarare nell''attestato deve fare riferimento a norme tecniche, in particolare ai metodi elaborati in ambito CEN, elencati nell''allegato M, e in particolare alla norma UNI EN 832 per gli edifici residenziali e alla norma UNI EN ISO 13790 per gli altri edifici. Per gli edifici esistenti viene imposto l''obbligo della certificazione energetica al momento della vendita dell''immobile, con tre soglie temporali: a decorrere dal 1 luglio 2007 per gli edifici con superficie utile superiore ai 1000 m2, a decorrere dal 1 luglio 2008 per gli edifici con superficie utile inferiore ai 1000 m2 in caso di trasferimento a titolo oneroso dell''intero immobile con l''esclusione delle singole unità immobiliari, a decorrere dal 1 luglio 2009 per le singole unità immobiliari. Resta aperto il problema del riconoscimento dei soggetti abilitati a produrre le certificazioni. Fino alla data di entrata in vigore delle ''Linee guida nazionali per la certificazione energetica degli edifici', l''attestato di certificazione energetica degli edifici è sostituito Capitolo 1- Normative e Certificazione Energetica 12 dall''attestato di qualificazione energetica (a cura del direttore lavori) o da ''una equivalente procedura di certificazione energetica stabilita dal Comune con proprio regolamento antecedente alla data dell''8 ottobre 2005'. Le procedure comunali decadranno con l''entrata in vigore delle Linee guida nazionali. Al di là dunque dei Comuni che avevano già legiferato in materia, non sono state abilitate figure a emettere la certificazione energetica, per cui tutto rimane in sospeso (nonostante la direttiva europea imponesse l''entrata in vigore della certificazione energetica a partire già da gennaio 2006). Su questo fronte la direttiva 2002/91/CE prevede la possibilità di calcolare il rendimento energetico degli edifici in base a una metodologia, che può anche essere differenziata a livello regionale', ma sottolinea chiaramente anche come ogni interpretazione locale debba fare riferimento a ''un impostazione comune' allo scopo di creare un contesto omogeneo che renda l''informazione sul rendimento energetico degli edifici ''un elemento di trasparenza sul mercato immobiliare comunitario'. Nella direttiva si fa quindi riferimento allo sviluppo di metodologie di calcolo che portino a una armonizzazione delle procedure a livello comunitario. In effetti il CEN ha elaborato in questi anni una serie di norme di riferimento per gli stati europei: le norme già disponibili sono quelle relative al calcolo del fabbisogno di energia per il riscaldamento (la norma UNI EN 832 per gli edifici residenziali e la norma UNI EN ISO 13790 per gli altri edifici), al calcolo della trasmittanza termica di finestre e chiusure (UNI EN ISO 10077-1), al calcolo del coefficiente di perdita per trasmissione per determinare la prestazione termica degli edifici (UNI EN 13789) e al calcolo delle portate d''aria negli edifici residenziali per la ventilazione (UNI EN 13465). Sono inoltre disponibili le norme per il calcolo dei ponti termici (UNI EN ISO 10211-1, UNI EN ISO 10211-2, UNI EN ISO 14683). Molte altre norme tecniche sono in via di definizione. Nell''appendice, al termine di questa tesi, è possibile consultare tutto il quadro normativo Capitolo 1- Normative e Certificazione Energetica 13 1.2.1 Ambito di applicazione (Art.3) Gli unici casi esclusi dall''applicazione del DLgs 192 riguardano: ' edifici di particolare interesse storico
' fabbricati industriali, artigianali e agricoli riscaldati solo da processi per le proprie esigenze produttive ' fabbricati isolati con superficie utile < 50m2
' impianti installati ai fini del processo produttivo realizzato nell''edificio, anche se utilizzati, in parte non preponderante, per gli usi tipici del settore civile Per tutti gli altri casi sono previsti dei requisiti minimi da rispettare in materia di efficienza energetica. In base al tipo di intervento esistono tre differenti livelli di applicazione: a) applicazione integrale a tutto l''edificio b) applicazione integrale ma limitata al solo intervento di ampliamento c) applicazione limitata al rispetto di parametri solo per alcuni elementi nel caso di interventi su edifici esistenti Capitolo 1- Normative e Certificazione Energetica 14 1.2.2 Categorie edifici (DPR 412/93) e relative verifiche Capitolo 1- Normative e Certificazione Energetica 15 Verifiche da rispettare Per capire quali indicazioni e limiti di legge si devono rispettare viene proposta la seguente procedura basata su 3 semplici passaggi (I, II e III): I. Si determina la categoria d''applicazione del decreto nella quale si ricade a seconda del tipo di intervento; II. Si ricava l''elenco completo delle prescrizioni da rispettare dallo ''Schema delle verifiche' incrociando la categoria d''intervento (Tabella I) e la categoria dell''edificio in esame (E1, E2, ecc., riportate a pagina 8); III. Si prende atto del contenuto delle prescrizioni da rispettare consultando la tabella ''Elenco delle verifiche'.
Nell''allegato al termine di questa tesi è possibile consultare dettagliatamente tutte le
verifiche.

Inoltre l''allegato C del decreto 311/2006, contiene le tabelle dei valori limite di trasmittanza delle varie parti dell''involucro edilizio e quelle dei valori limite dell''indice di prestazione energetica. In particolare questi ultimi sono espressi in funzione della zona climatica, così come individuata all''art. 2 del DPR 26agosto 1993 n.412 e del rapporto di forma dell''edificio S/V, dove: ' S, espressa in m2, è la superficie che delimita verso l''esterno ( ovvero verso ambienti non dotati di impianto di riscaldamento ) il volume riscaldato; ' V, espresso in m3, è il volume lordo delle parti dell''edificio riscaldate, definito dalle superfici che lo delimitano. Capitolo 1- Normative e Certificazione Energetica 16 1.3 La legge finanziaria 2012 Capitolo 1- Normative e Certificazione Energetica 17 Gli interventi di riqualificazione energetica di edifici già esistenti danno diritto a una detrazione dall''imposta lorda, che può essere fatta valere sia sull''Irpef che sull''Ires, pari al 55 per cento delle spese sostenute entro il 30 giugno 2013 (Dl n. 83/2012). Dal 1° luglio 2013 questi incentivi saranno sostituiti con la detrazione Irpef del 36 per cento già prevista per le spese di ristrutturazioni edilizie. La detrazione spetta per le spese sostenute, e rimaste a carico del contribuente (per es. non incentivati dal Comune) per: ' Comma 344; interventi di riqualificazione energetica di edifici esistenti, che ottengono un valore limite di fabbisogno di energia primaria annuo per la climatizzazione invernale inferiore di almeno il 20% rispetto ai valori riportati in un''apposita tabella (i parametri cui far riferimento sono quelli definiti con decreto del ministro dello Sviluppo economico dell''11 marzo 2008, così come modificato dal decreto 26 gennaio 2010). Il valore massimo della detrazione è pari a 100.000 euro Capitolo 1- Normative e Certificazione Energetica 18 ' Comma 345; interventi su edifici esistenti, parti di edifici esistenti o unità immobiliari, riguardanti strutture opache verticali, strutture opache orizzontali (coperture e pavimenti), finestre comprensive di infissi, fino a un valore massimo della detrazione di 60.000 euro. La condizione per fruire dell''agevolazione è che siano rispettati i requisiti di trasmittanza termica U, espressa in W/m2K, in un''apposita tabella (i valori di trasmittanza, validi dal 2008, sono stati definiti con il decreto del ministro dello Sviluppo economico dell''11 marzo 2008, così come modificato dal decreto 26 gennaio 2010). In questo gruppo rientra anche la sostituzione dei portoni d''ingresso, a condizione che si tratti di serramenti che delimitano l''involucro riscaldato dell''edificio verso l''esterno o verso locali non riscaldati e risultino rispettati gli indici di trasmittanza termica richiesti per la sostituzione delle finestre ' Comma 346; l''installazione di pannelli solari per la produzione di acqua calda per usi domestici o industriali e per la copertura del fabbisogno di acqua calda in piscine, strutture sportive, case di ricovero e cura, istituti scolastici e università. Il valore massimo della detrazione è di 60.000 euro ' Comma 347; interventi di sostituzione di impianti di climatizzazione invernale con impianti dotati di caldaie a condensazione e contestuale messa a punto del sistema di distribuzione. La detrazione spetta fino a un valore massimo di 30.000 euro. Dal 1° gennaio 2008 l''agevolazione si applica anche alle spese relative alla sostituzione di impianti di climatizzazione invernale con pompe di calore ad alta efficienza e con impianti geotermici a bassa entalpia. Dal 2012, inoltre, la detrazione è stata estesa alle spese per interventi di sostituzione di scaldacqua tradizionali con scaldacqua a pompa di calore dedicati alla produzione di acqua calda sanitaria. ' Comma 348; esso impone, per la concessione delle suddette detrazioni, il rispetto delle seguenti condizioni: 1) La rispondenza dell''intervento ai prescritti requisiti prestazionali deve essere asseverata da un tecnico abilitato che risponde civilmente e penalmente dell''asseverazione. 2) Il contribuente deve acquisire la certificazione energetica dell''edificio qualora introdotta dalla Regione o dall''ente locale ovvero, negli altri casi, un attestato di qualificazione energetica predisposto ed asseverato da un professionista abilitato. Capitolo 1- Normative e Certificazione Energetica 19 Esso dovrà riportare i fabbisogni di energia primaria dell''unità immobiliare interessata e i corrispondenti valori massimi ammissibili fissati dalla normativa vigente e riferiti al caso specifico ovver, ove non siano fissati tali valori limite, i valori massimi riferiti ad un edificio identico di nuova costruzione. Inoltre dovrà riportare l''indicazione dei possibili interventi migliorativi. Anche le spese per la certificazione o l''attestato di qualificazione energetica sono detraibili. Nel prospetto seguente sono riassunte le tipologie di intervento ammesse alla detrazione: I valori limite dell''indice di prestazione energetica, applicabili dal 1° gennaio 2010, per la climatizzazione invernale sono qui di seguito tabellati: Capitolo 1- Normative e Certificazione Energetica 20 I valori limite della trasmittanza termica utile U delle strutture componenti l''involucro edilizio espressa in w/m 2k e in vigore dal 14 marzo 2010 sono i seguenti: Capitolo 1- Normative e Certificazione Energetica 21 1.4 Calcolo del fabbisogno di energia primaria La prestazione energetica di un edificio esprime la quantità di energia effettivamente consumata per soddisfare i vari bisogni connessi ad un uso standard dell'' edificio. Gli usi di energia da considerare sono quelli per il riscaldamento, per la ventilazione e per la produzione di acqua calda per usi igienico-sanitari. Dopo aver analizzato il campo di applicazione vengono presi in esame gli indicatori di prestazione energetica, ognuno dei quali, è definito dal rapporto tra l''energia considerata e la superficie utile AU , l''unità di misura utilizzata per tutti gli indicatori è il kWh/m 2 anno e sono i seguenti: FABBISOGNO ENERGETICO SPECIFICO INVOLUCRO (EPi,inv ): definisce le caratteristiche dell''involucro, tiene conto delle dispersioni termiche, ma anche degli eventuali apporti gratuiti dovuti alla radiazione solare e gli apporti interni. Il valore del fabbisogno specifico dell''involucro viene calcolato con la seguente relazione: EPi,inv = QH/(AU*1000) dove QH è il fabbisogno energetico dell''involucro riferito all''intera stagione di riscaldamento. FABBISOGNO DI ENERGIA PRIMARIA SPECIFICO PER LA CLIMATIZZAZIONE INVERNALE (EPi ): definisce il fabbisogno di energia primaria per la climatizzazione invernale e considera il rendimento di climatizzazione. Il valore del fabbisogno di energia primaria specifico per la climatizzazione invernale è viene calcolato con la seguente relazione: EPi = QEHP/(AU*1000) Capitolo 1- Normative e Certificazione Energetica 22 dove QEHP è il fabbisogno di energia primaria per la climatizzazione invernale riferito all''intera stagione di riscaldamento. FABBISOGNO ENERGETICO SPECIFICO PER L''ACQUA CALDA SANITARIA ( EPi,ACS ): definisce il fabbisogno di energia per la produzione di acqua calda sanitaria: si fa riferimento a consumi standard. Il valore del fabbisogno energetico specifico per la produzione di acqua calda è definito dalla seguente relazione: EPi,ACS = QW/(AU*1000) dove QW è il fabbisogno energetico per la produzione di acqua calda ad usi sanitari. FABBISOGNO DI ENERGIA PRIMARIA SPECIFICO PER LA PRODUZIONE DI ACQUA CALDA SANITARIA (EPACS ): definisce il fabbisogno di energia primaria per la produzione di acqua calda sanitaria e tiene conto, quindi, dei rendimenti degli impianti. Il valore del fabbisogno di energia primaria specifico per la produzione di acqua calda è definito dalla seguente relazione: EPACS = QWP/(AU*1000) dove QWP è il fabbisogno di energia primaria per la produzione di acqua calda ad usi sanitari. Capitolo 1- Normative e Certificazione Energetica 23 1.4.1 Calcolo del fabbisogno energetico per la climatizzazione invernale Per la climatizzazione invernale il fabbisogno energetico dell''involucro H Q riferito all''intera stagione di riscaldamento è definito dalla seguente equazione di bilancio: QH = QL ''ηU QG Dove: QL è l''energia scambiata totale (trasmissione + ventilazione) QG è l''energia dovuta agli apporti gratuiti ηU è il fattore di utilizzazione degli apporti energetici gratuiti Per quanto riguarda il valore dell''energia scambiata totale QL sarà dato dalla seguente relazione: QL = QT + QV Dove: QT è l''energia scambiata per trasmissione QV è l''energia dovuta alla ventilazione Il valore dell''energia dovuta agli apporti gratuiti sarà dato dalla seguente relazione: QG = QI + QSI Dove: QI è l''energia dovuta agli apporti interni QSI è l''energia dovuta agli apporti solari sulle superfici trasparenti Possiamo dire quindi che il valore dell''energia scambiata per trasmissione durante la stagione di riscaldamento sarà dato dalla seguente relazione: QT = ''[HT,K (GG)]*0.024 Dove: HT è il coefficiente di dispersione termica per trasmissione dell''edificio calcolato secondo la norma EN ISO 13789 GG sono i gradi giorno convenzionali della località considerata Capitolo 1- Normative e Certificazione Energetica 24 Ai soli fini del calcolo della certificazione energetica si considera un mantenimento della temperatura interna di progetto costante nelle 24 ore. Il coefficiente di dispersione termica per trasmissione dell''edificio tiene conto: 1) DELLE DISPERSIONI DI CALORE ATTRAVERSO LE STRUTTURE CHE SEPARANO L''AMBIENTE CONSIDERATO DALL''AMBIENTE ESTERNO 2) DELLE DISPERSIONI DI CALORE VERSO IL TERRENO 3) DELLE DISPERSIONI DI CALORE ATTRAVERSO LOCALI NON RISCALDATI Ai solo fini del calcolo per la certificazione energetica il coefficiente di dispersione termica per trasmissione sarà dato dalla seguente relazione: HT = ''(Ai*Ui*f',i) Dove: A i è l''area dell''elemento i dell''involucro Ui è la trasmittanza dell''elemento i dell''involucro f',i è un fattore correttivo che tiene conto del fatto che alcuni ambienti si possono trovare ad una temperatura diversa da quella esterna di progetto; nel caso in cui l''elemento considerato confina con l''ambiente esterno il fattore viene preso pari ad 1 mentre negli altri casi si utilizza la seguente tabella: Tabella 1 : Coefficienti correttivi dipendenti della temperatura Capitolo 1- Normative e Certificazione Energetica 25 Per quanto riguarda le perdite per ventilazione possiamo dire che il rinnovo dell''aria comporta un consumo di energia, il risparmio di tale energia non può essere conseguito riducendo il tasso di ventilazione degli ambienti. Pertanto ai fini della qualificazione energetica dell''edificio si ipotizza il tasso di ventilazione convenzionale che fa riferimento ad un utilizzo standard dell''edificio e alle seguenti condizioni: Tabella 2 : Tipologie impianto di ventilazione L''energia convenzionalmente scambiata per ventilazione QV sarà data dalla seguente relazione: QV = ''[HV,K (GG)]*0.024*(1- ηRCV) Dove: HV è il coefficiente di dispersione termica per ventilazione dell''edificio ηRCV è il rendimento medio stagionale di un eventuale recuperatore di calore GG sono i gradi giorno convenzionali della località considerata Il coefficiente di dispersione termica per ventilazione HV è calcolato per mezzo della relazione: HV = Va*ρa*Ca Capitolo 1- Normative e Certificazione Energetica 26 Dove: Va è la portata di aria di rinnovo dell''edificio ρa*Ca è la capacità termica volumica dell''aria Se la portata d''aria è espressa in m 3/h la capacità termica volumica è considerata convenzionalmente pari a 0,34 Wh/(m 3K). La portata d''aria , può essere calcolata da una stima della portata d''aria di ricambio n (UNI 10333) per mezzo della seguente relazione: Va = VN*eV*n Dove: VN è il volume dello spazio riscaldato, calcolato sulla base delle dimensioni interne eV è il coefficiente di efficienza del sistema di ventilazione che assume i valori riportati nelle seguenti tabelle: L''energia dovuta agli apporti interni QI comprende qualunque calore generato nello spazio climatizzato dalle sorgenti interne diverse dal sistema di riscaldamento come ad esempio gli Capitolo 1- Normative e Certificazione Energetica 27 apporti dovuti al metabolismo degli occupanti, il consumo di calore dovuto ai componenti elettrici e gli apporti netti provenienti dal sistema di distribuzione e scarico dell''acqua. Il valore dell''energia dovuta agli apporti gratuiti si ricava moltiplicando la superficie utile per i valori degli apporti interni che sono riportati nella seguente tabella: Tabella 3 : Tipologie di utenza e apporti interni Per quanto riguarda il calcolo dell''energia dovuta agli apporti solari sulle superfici trasparenti QSI si applica la seguente relazione: QSI = ''[IS,J*AS,J*(FS,J*FC,J*FF,J)*gJ] Dove la sommatoria è estesa a tutte le superfici esposte e: IS,J è l''energia totale della radiazione solare globale su una superficie unitaria riferita al serramento j-esimo durante il periodo di calcolo AS,J è l''area lorda (telaio + vetro) del serramento FS,J è il coefficiente di correzione dovuto all''ombreggiatura del serramento ( nel caso in cui non esistano sistemi di oscuramento si prende il valore pari ad 1, altrimenti nel caso di ombreggiatura questo valore è nullo) FC,J è il coefficiente di correzione dovuto ai tendaggi del serramento ( si assume un valore convenzionale pari a 0,6) FF,J è il coefficiente di correzione dovuto al telaio (si assume un valore convenzionale pari a 0,87) gJ è il coefficiente di trasmissione dell''energia solare totale del serramento ed assume i valori riportati nella seguente tabella Capitolo 1- Normative e Certificazione Energetica 28 Tabella 4 : Coefficiente di trasmissione dell''energia solare 1.4.2 Calcolo del fattore di utilizzo degli apporti gratuiti Per il calcolo del fattore di utilizzo degli apporti energetici gratuiti ηu è necessario definire alcuni parametri che sono: Il rapporto tra gli apporti e le perdite γ che viene definito dalla seguente relazione: γ = QG / QL Dove: QG è l''energia dovuta agli apporti gratuiti QL è l''energia scambiata totale (trasmissione + ventilazione) La costante di tempo ' che caratterizza l''inerzia termica interna dello spazio riscaldato calcolata con la relazione: ' = C / HT Dove: C è l''effettiva capacità termica interna, ovvero il calore accumulato nella struttura dell''edificio quando la temperatura interna varia in modo sinusoidale con un periodo di 24 ore ed un''ampiezza di 1°K. I valori della capacità termica sono riportati nella seguente tabella: HT è il coefficiente di dispersione termica dell''edificio Capitolo 1- Normative e Certificazione Energetica 29 Tabella 5 : Capacità termica Il fattore di utilizzazione è, quindi, calcolato dalla seguente relazione: ηu = (1 '' γ a)/( 1 '' γa+1) se γ ' 1 ηu = a / (a+1) se γ ' 1
Dove: a è un parametro numerico che dipende dalla costante di tempo ' ed è definito dall''equazione: con i valori riportati nella seguente tabella: Tabella 6 : Parametro dipendente dalla costante di tempo Capitolo 1- Normative e Certificazione Energetica 30 1.4.3 Calcolo del fabbisogno di energia per la climatizzazione invernale Il fabbisogno di energia primaria per la climatizzazione invernale QEHP è l''energia primaria richiesta dal sistema di produzione e distribuzione per soddisfare i fabbisogni energetici di riscaldamento dell''edificio e può essere calcolato dalla relazione: QEHP = QH / ηg Dove: QH è il fabbisogno energetico dell''involucro riferito all''intera stagione di riscaldamento. ηg è il rendimento medio stagionale definito dal rapporto tra il fabbisogno energetico dell''involucro e l''energia fornita dal combustibile. Il valore del rendimento medio stagionale può essere calcolato dalla relazione: ηg = ηe* ηc*ηd*ηp Dove: ηe è il rendimento di emissione medio stagionale ηc è il rendimento di regolazione medio stagionale ηd è il rendimento di distribuzione medio stagionale ηp è il rendimento di produzione medio stagionale 1.4.4 Calcolo del fabbisogno energetico per la produzione di ACS Per gli edifici il fabbisogno energetico per l''acqua calda a usi sanitari QW viene calcolato utilizzando i valori convenzionali e con la seguente relazione: QW = Q * W * AU * t Dove: Q * W è il fabbisogno energetico specifico i cui valori convenzionali sono riportati nella seguente tabella Capitolo 1- Normative e Certificazione Energetica 31 Tabella 7 : Fabbisogno specifico e superficie utile t è il tempo considerato, si prende come valore 365 AU è la superficie utile dell''edificio 1.4.5 Calcolo del fabbisogno di energia primaria per la produzione di ACS Il fabbisogno di energia primaria per la produzione di acqua calda ad usi sanitari QEWP è l''energia primaria richiesta dal sistema di produzione e distribuzione per soddisfare i fabbisogni energetici per la produzione di acqua calda ad usi sanitari e viene calcolato con la seguente relazione: QEWP = (QW / ηgw) + (QS / ηp) Dove: QW è il fabbisogno energetico per l''acqua calda ad usi sanitari QS è la perdita di calore dovuta al sistema di accumulo dove presente, i valori sono riportati nella seguente tabella Tabella 8 : Perdita di calore del sistema di accumulo Capitolo 1- Normative e Certificazione Energetica 32 ηgw è il rendimento medio stagionale che viene calcolato facendo il prodotto tra il rendimento di emissione, il rendimento di distribuzione e il rendimento di produzione ηgw = ηe * ηd * ηp 1.5 Norma UNI EN 10348 La presente norma descrive la procedura per il calcolo dei rendimenti medi riferiti ad un periodo prefissato dei componenti dei sistemi impiantistici impiegati nel riscaldamento ambientale. In particolare vengono determinati i seguenti parametri: ' RENDIMENTO DI REGOLAZIONE
' RENDIMENTO DI EMISSIONE
' RENDIMENTO DI DISTRIBUZIONE
' RENDIMENTO DI PRODUZIONE Rendimento di regolazione ηc E'' un parametro che esprime la deviazione tra la quantità di energia richiesta in condizioni reali rispetto a quelle ideali ed è dato dal rapporto tra il fabbisogno energetico utile di riscaldamento con una regolazione teorica perfetta e quello richiesto per il riscaldamento degli stessi ambienti con l''impianto di regolazione reale. Il rendimento di regolazione si può considerare composto di due fattori: ' un fattore dipendente dalla qualità dei dispositivi di regolazione (precisione, sensibilità, ripetibilità, velocità di risposta), includendo la corretta taratura. ' un fattore dipendente dall'adeguatezza del sistema alle caratteristiche dell'impianto e dell'edificio. Tenendo conto che le condizioni che si possono avere nella realtà sono innumerevoli e che ove possibile è necessario fare riferimento a valori più vicino possibile alla situazione reale presente, nella seguente tabella sono riportati dei valori di ηc che devono essere intesi come convenzionali e da assumere ogni qualvolta dati precisi sulle effettive caratteristiche del sistema di regolazione non sono note: Capitolo 1- Normative e Certificazione Energetica 33 Tabella 9 : Rendimento di regolazione Rendimento di emissione ηe Il rendimento di emissione caratterizza l'influenza che ha il tipo di scambio termico tra il terminale di erogazione e l'ambiente interno sulla quantità di energia che il terminale di erogazione deve fornire. Viene definito come il rapporto tra il fabbisogno energetico utile di riscaldamento degli ambienti con un sistema di emissione di riferimento in grado di fornire una temperatura perfettamente uniforme e uguale nei vari ambienti e il sistema di emissione reale nelle stesse condizioni di temperatura interna di riferimento e di temperatura esterna. Il rendimento di emissione tiene conto delle disuniformità di temperatura che vengono indotte all'interno delle zone e dell'incremento delle dispersioni termiche per trasmissione e ventilazione dovute al tipo di terminale di erogazione. Esso può essere ritenuto costante al variare delle condizioni di riferimento. Capitolo 1- Normative e Certificazione Energetica 34 I valori convenzionali del rendimento di emissione per diversi tipi di terminali di erogazione sono riportati nella seguente tabella: Tabella 10 : Rendimento di emissione Rendimento di distribuzione ηd Il rendimento di distribuzione caratterizza l'influenza della rete di distribuzione sulle perdite di energia termica non direttamente cedute agli ambienti da riscaldare. In generale il rendimento di distribuzione è definito dal rapporto tra il fabbisogno energetico utile reale delle zone e l''energia termica fornita dal sistema di produzione. Se si conoscono in maniera completa i dati costruttivi della rete di distribuzione del fluido vettore, il contributo può essere determinato in maniera dettagliata utilizzando la UNI 10347. Nel caso di generatore posto all'interno dell'edificio, in assenza di dati sulle caratteristiche costruttive della rete di distribuzione del fluido vettore, si possono assumere i valori del rendimento di distribuzione riportati nella seguente tabella e validi per le tre seguenti categorie di edifici e nell'ipotesi di generatore di calore installato all'interno dell'edificio: ' EDIFICI TIPO A: edifici nei quali le colonne montanti ed i raccordi con i terminali di erogazione sono situati totalmente all'interno degli ambienti riscaldati, e le tubazioni orizzontali che collegano la centrale termica alle colonne montanti sono disposte nel cantinato. ' EDIFICI TIPO B: edifici nei quali le colonne montanti ed i raccordi con i terminali di erogazione, non isolati termicamente, sono inseriti in traccia nel paramento interno dei tamponamenti esterni, e le tubazioni orizzontali che collegano la centrale termica alle colonne montanti scorrono nel cantinato. Capitolo 1- Normative e Certificazione Energetica 35 ' EDIFICI TIPO C: edifici nei quali le colonne montanti, in traccia o situate nelle intercapedini, sono isolate con gli spessori di isolante previsti dalla specifica normativa ed ubicate all'interno dell'isolamento termico delle pareti. Tabella 11 : Rendimento di distribuzione Rendimento di produzione medio stagionale ηp Il rendimento di produzione del sistema di generazione dell'energia termica è dato dal rapporto tra l''energia fornita dal sistema di produzione nella stagione di riscaldamento ed il fabbisogno di energia primaria nella stagione. Esso è riferito, ad un modello di conduzione definito (continuo, intermittente, attenuato) ed al sistema di regolazione dell'impianto, ed include, sia nel termine di energia termica fornita che nel fabbisogno di energia primaria, i contributi di ogni componente l'impianto di produzione, compresi gli ausiliari. I valori convenzionali relativi al rendimento di produzione per gli impianti autonomi sono riportati nella seguente tabella: Tabella 12 : Rendimento di produzione medio stagionale Capitolo 1- Normative e Certificazione Energetica 36 Dati climatici e FAEP limite Il D.Lgs. 192/2005 permette di determinare i valori limite del fabbisogno annuo di energia primaria - F.A.E.P.- per la climatizzazione invernale per metro quadro di superficie utile dell''edificio, espresso in kWh/m 2 anno, per mezzo della seguente tabella: Tale tabella riporta i valori limite in funzione della zona climatica, così come individuata all''articolo 2 del DPR 26 agosto 1993, n. 412, il quale suddivide il territorio nazionale nelle seguenti sei zone climatiche in funzione dei gradi - giorno (GG), indipendentemente dalla ubicazione geografica: Zona A: comuni che presentano un numero di gradi - giorno non superiore a 600; Zona B: comuni che presentano un numero di gradi '' giorno maggiore di 600 e non superiore a 900; Zona C: comuni che presentano un numero di gradi '' giorno maggiore di 900 e non superiore a 1.400; Zona D: comuni che presentano un numero di gradi '' giorno maggiore di 1.400 e non superiore a 2.100; Zona E: comuni che presentano un numero di gradi '' giorno maggiore di 2.100 e non superiore a 3.000; Zona F: comuni che presentano un numero di gradi - giorno maggiore di 3.000. Dove il Grado - Giorno GG di una località è il parametro convenzionale rappresentativo delle condizione climatiche totali, utilizzato per stimare al meglio il fabbisogno energetico necessario per mantenere gli ambienti ad una temperatura prefissata. Consideriamo per "gradi giorno" di una località, la somma, estesa a tutti i giorni di un periodo annuale convenzionale di riscaldamento, delle sole differenze positive giornaliere tra la temperatura dell'ambiente, convenzionalmente fissata a 20°C, e la temperatura media esterna giornaliera; l'unità di misura utilizzata è il grado giorno (GG). Capitolo 1- Normative e Certificazione Energetica 37 1.6 Calcolo della trasmittanza termica dell''involucro edilizio Il calore si trasferisce spontaneamente dagli ambienti a temperatura più alta verso gli ambienti a temperatura più bassa e il fenomeno cessa quando i due ambienti hanno raggiunto la medesima temperatura. L''interposizione di materiali con caratteristiche termiche specifiche condiziona fortemente il trasferimento del calore: si può affermare che il flusso di calore è proporzionale alla differenza di temperatura tra due ambienti e inversamente proporzionale alla resistenza termica della struttura. Nell''analisi delle dispersioni di calore e quindi dell''isolamento termico in genere, la caratteristica sicuramente più importante per i materiali isolanti è la conduttività termica, che rappresenta il flusso di calore che in condizioni di regime stazionario attraversa la superficie di 1 m2 di un cubo di materiale omogeneo avente lo spessore di 1 m, e con differenza di temperatura tra le due facce opposte parallele di 1°C. L''unità di misura della conduttività è W/m°K. Il valore di conduttività termica dei materiali da utilizzare nei calcoli è desunto dalla attestazione rilasciata dal produttore per il prodotto in esame, corretta per tener conto delle effettive condizioni di progetto, quali ad esempio la effettiva temperatura di esercizio, le disomogeneità della posa in opera, il comportamento nel tempo, etc. In mancanza di informazioni più dettagliate è possibile riferirsi alla tabella della UNI 10351, che riporta i valori utili di calcolo per la maggior parte dei materiali edilizi. La legge di riferimento per quanto concerne il contenimento dei consumi energetici e di conseguenza l''isolamento termico in edilizia è il D. Lgs. 19 agosto 2005 N. 192. Questo stabilisce due metodi di calcolo e verifica dei limiti: ' Limite sul F.A.E.P. (fabbisogno energia primaria)
' Metodo tabellare. Nei casi riportati nella sintesi dell''allegato I per i quali è verificato che il rendimento medio stagionale sia maggiore di (75+3logPn) è possibile riferirsi unicamente ai limiti sulle trasmittanze delle strutture riportate nelle tabelle 2, 3 e 4, senza riferimento specifico al FEP. La grandezza U è la trasmittanza unitaria o ''coefficiente globale di trasmissione termica' e rappresenta il flusso di calore che nelle condizioni di regime stazionario passa da un fluido ad un altro attraverso una parete per m 2 di superficie e per °C di differenza tra le temperature dei due fluidi. La sua unità di misura è: [W/m 2·°C]. Capitolo 1- Normative e Certificazione Energetica 38 Questa grandezza è stata introdotta appositamente per studiare lo scambio termico complesso che si origina quando al fenomeno di conduzione attraverso la struttura fisica della parete si affiancano i fenomeni di convezione e irraggiamento sulle due superfici di confine. Il primo e l''ultimo termine al denominatore si riferiscono rispettivamente ai suddetti fenomeni per la superficie interna ed esterna, mentre gli altri due si riferiscono alla conduzione e permettono di studiare il fenomeno per le pareti reali che sono sempre ''stratificate', ossia composte da più strati materiali (omogenei o no). ' Cominciamo dal secondo termine al denominatore: indicando con j il numero degli strati piani, omogenei, a spessore costante, di cui si compone la parete, esso rappresenta la sommatoria delle resistenze termiche di ogni strato che si ottiene sommando i rapporti tra lo spessore s in [m] di ogni strato e la relativa conducibilità termica λ [W/m·°C]. Il rapporto λ/s per ogni strato rappresenterebbe la sua ''conduttanza termica' [W/m2·°C] e quindi il reciproco s/ λ di detto rapporto dà la ''resistenza termica' [m2·°C/ W]. ' Il terzo termine del denominatore (seconda grandezza relativa al fenomeno conduttivo) è necessario perché vi sono alcuni strati nelle pareti che non possono essere considerati omogenei o per i quali il valore di resistenza non può essere determinato dal rapporto s/ λ. Tipicamente le due categorie principali di questo tipo sono rappresentate dalle intercapedini d''aria e da strutture fortemente eterogenee come i solai o strutture forate con cavità consistenti piene d''aria. Il primo e l''ultimo termine al denominatore rappresentano le resistenze termiche dello strato liminare dell''aria rispettivamente sulla superficie interna ed esterna della parete, che si riferiscono ad uno scambio termico che è assieme convettivo e radiativo. Il flusso termico convettivo, innescato dalla differenza di temperatura tra la superficie della parete e la temperatura del fluido aria, è proporzionale ad un ''coefficiente di scambio termico Capitolo 1- Normative e Certificazione Energetica 39 convettivo' hc [W/m2°C]; il flusso termico radiativo, innescato dalla differenza di temperatura tra la superficie della parete e la temperatura delle superfici dell''ambiente rivolte verso la parete, è proporzionale ad un ''coefficiente di scambio termico radiativo' hr [W/m2°C]. Supponendo che non vi sia differenza apprezzabile di temperatura tra il fluido aria e le superfici dell''ambiente rivolte verso la parete, è possibile (sia per il lato interno che per il lato esterno della parete) raccogliere a fattor comune la differenza di temperatura e sommare i coefficienti hc e hr per ottenere un ''coefficiente di adduzione' α (chiamato anche ''adduttanza unitaria' o ''conduttanza unitaria superficiale') sintetico dello scambio termico così composto. Il reciproco del coefficiente di adduzione sarà ancora una resistenza [m2·°C/W]. I valori per tale grandezza da assumersi per l''interno ( α i ) e per l''esterno ( α e ) sono fissati dalla normativa in base alla disposizione della superficie (orizzontale e verticale), alla direzione del flusso (ascendente o discendente) per le superfici orizzontali e alle condizioni dell''aria: per le pareti interne l''aria è in quiete, per quelle esterne invece la componente convettiva è superiore ed i valori forniti prescindono dalla velocità del vento finché questa risulta inferiore od uguale a 4 m/s. Quando la velocità del vento durante la stagione invernale assume entità maggiore, i valori di α e sono espressi in funzione della velocità del vento ' espressa in [m/s] secondo relazioni empiriche. 1.7 Ponti termici norma UNI EN ISO 14683


I ponti termici nelle costruzioni edilizie producono una modifica del flusso termico e delle temperature superficiali, diversamente dalle strutture che ne sono prive. Il calcolo dei flussi termici e delle temperature superficiali può essere effettuato con precisione utilizzando metodi numerici di calcolo dettagliati, come: ' FLUSSO TERMICO TRIDIMENSIONALE
' FLUSSO TERMICO BIDIMENSIONALE Capitolo 1- Normative e Certificazione Energetica 40 Tuttavia, per ponti termici lineari, possono essere usati metodi semplificati che consentono di ottenere una stima adeguata della trasmittanza termica lineica. Tra l''ambiente interno ed esterno rispettivamente a temperatura θ i e θ e, il flusso termico ɸ attraverso l''involucro edilizio può essere calcolato dall''equazione: ɸ = HT*( θ i - θ e) Il coefficiente di perdita di calore per trasmissione, HT è calcolato attraverso l''equazione : HT = L + LS + HU dove: ' L è il coefficiente di accoppiamento termico attraverso l''involucro edilizio.
' L S è il coefficiente di accoppiamento termico del terreno. ' H U è il coefficiente di perdita di calore attraverso ambienti non riscaldati. Nel calcolo del coefficiente di accoppiamento termico L, spesso si ignora l''effetto dei ponti termici. Tuttavia, negli edifici, possono essere presenti ponti termici significativi che provocano un aumento della perdita di calore totale dell''edificio. In questo caso, per ottenere il coefficiente di accoppiamento termico corretto, è necessario aggiungere termini di correzione, che coinvolgono la trasmittanza termica lineica e puntuale, come riportato nell''equazione seguente: L = ''Ui Ai + '' ' k Ik + '' ' j dove: ' L è il coefficiente di accoppiamento termico;
' U i è la trasmittanza termica dell''i-esimo componente dell''involucro edilizio; ' Ai è l''area caratterizzata da una trasmittanza U i; ' ' k è la trasmittanza termica lineica del k-esimo ponte termico lineare; ' I k è la lunghezza lungo la quale si applica ' k; ' ' j è la trasmittanza termica puntuale del j-esimo ponte termico puntuale. Generalmente l''influenza di ponti termici puntuali (nella misura in cui risultano dall''intersezione di ponti termici lineari) può essere trascurata. Capitolo 1- Normative e Certificazione Energetica 41 La trasmittanza termica lineica, ' , può essere calcolata con l''equazione: ' = L2D - ''U i Ii dove: ' L2D è il coefficiente di accoppiamento termico lineico, ottenuto con un calcolo bidimensionale del componente che separa i due ambienti considerati; ' U i è la trasmittanza termica dell''i-esimo componente monodimensionale che separa i due ambienti considerati; ' I i è la lunghezza nel modello geometrico bidimensionale cui si applica il valore di Ui. Il prospetto II della normativa analizzata fornisce valori di progetto di ' basato su sistemi di valutazione delle dimensioni dell''edificio e fornisce inoltre, per ogni tipologia, il coefficiente di accoppiamento termico lineico, L 2D, in modo che, per ogni altro sistema dimensionale, il valore di progetto appropriato ', può essere calcolato con l''equazione precedente, con i valori di U, desunti dall''appendice A della norma e le lunghezze l, valutate in funzione del sistema dimensionale scelto. 1.8 Scambi Terreno-Pavimenti norma UNI EN ISO 13370 La presente norma descrive i metodi di calcolo dei coefficienti di scambio termico e dei flussi termici, per elementi di edifici a contatto con il terreno, compresi pavimenti contro- terra, pavimenti su intercapedine e piani interrati. Vengono definiti nella norma le seguenti tipologie di pavimenti: ' PAVIMENTO CONTRO TERRA: pavimento realizzato, su tutta la superficie, a diretto contatto con il terreno. ' PAVIMENTO SU INTERCAPEDINE: pavimento realizzato distanziato dal suolo in modo da formare un''intercapedine d''aria tra terreno e pavimento. ' PIANO INTERRATO: parte utilizzabile di un edificio realizzata in parte o interamente, al di sotto del livello della superficie del terreno esterno. ' COEFFICIENTE DI ACCOPPIAMENTO TERMICO: flusso termico in regime stazionario diviso per la differenza di temperatura tra gli ambienti interno ed esterno. Capitolo 1- Normative e Certificazione Energetica 42 Per quanto riguarda le proprietà termiche del terreno possono essere specificate in regolamenti nazionali o in altra documentazione, e tali valori possono essere usati quando appropriato, in particolare si può utilizzare la seguente tabella: Tabella 13 : Proprietà termiche del terreno Per tenere conto della natura tridimensionale del flusso termico nel terreno, le formule sono espresse in termini di ''dimensione caratteristica' del pavimento, B'', definita come l''area del pavimento divisa per il suo semiperimetro: B '' = A / (1 / 2P) [m] ' PER EDIFICI INTERI: P è il perimetro totale dell''edificio e A è l''area totale del suo pavimento a contatto con il terreno; ' PER PARTI DI EDIFICI: per calcolare la dispersione termica (es. singola unità abitativa in una schiera di case ) P comprende la lunghezza delle pareti esterne separanti lo spazio riscaldato dall''ambiente esterno e non comprende la lunghezza delle pareti che separano lo spazio in considerazione da altre parti riscaldate dell''edificio, mentre A è l''area del pavimento, a contatto con il terreno 43 Capitolo 2 Analisi della Struttura Capitolo 2- Analisi della Struttura 44 2.1 Descrizione della struttura La struttura oggetto di questa tesi è una villetta sita nel comune di Campo nell''Elba in provincia di Livorno. Costruita nel 1977 ha una superficie di circa 90 m 2 distribuiti su un unico piano e presenta un''architettura classica con tetto a due falde. La struttura portante è realizzata in mattoni forati dello spessore di 28 cm, il solaio è in latero-cemento mentre il tetto è realizzato in tavelloni e il pavimento è contro terra. L''edificio presenta una sola porta di ingresso sul lato ovest ed una porta finestra sul lato nord; inoltre sono presenti tre finestre sul lato sud, una sul lato nord ed una sul lato est. Nei prospetti che seguono è più facile comprendere la struttura. Figura 1: PROSPETTO NORD-EST Figura 2: PROSPETTO SUD-EST Capitolo 2- Analisi della Struttura 45 Figura 3: PROSPETTO SUD-OVEST Figura 4: PROSPETTO NORD-OVEST Gli infissi sono di legno con vetro singolo, e l''impianto di riscaldamento è alimentato da una caldaia a gasolio della potenza di 23,6 kW mentre i terminali di erogazione cono costituiti da termosifoni in alluminio. Per la produzione di A.C.S. è installato un boiler elettrico di 80 litri della potenza di 1200 W Capitolo 2- Analisi della Struttura 46 Figura 5: PIANTA Di seguito vengono riportate le principali caratteristiche dell''edificio: Classificazione ai sensi del D.P.R. 412 del 26/08/93 E.1 Zona Climatica C(Gradi-Giorno >900°C e <1400°C) Zona Geografica Italia centrale e settentrionale Gradi Giorno 1107 Periodo di riscaldamento convenzionale Dal 15 Novembre al 31 Marzo Giorni di riscaldamento convenzionali 137 Volume lordo riscaldato 264 m 3 Superficie utile 80 m 2 Rapporto S/V 0.795 Caratteristiche costruttive delle finestre Telaio in legno con vetro singolo Capitolo 2- Analisi della Struttura 47 Tipo di caldaia Caldaia standard per solo riscaldamento Tipo di combustibile Gasolio Consumo annuo 1035 litri Valore nominale della potenza 24.6 kW Tipologia dei terminali di erogazione Termosifoni Impianto per A.C.S. Boiler elettrico 1.2 kW Consumo annuo di acqua 100 m 3 Consumo di energia elettrica 3700 kWh/anno Si riporta inoltre una scheda tecnica della composizione degli elementi strutturali dell''involucro, con i relativi valori delle trasmittanze, resistenze e conduttività Figura 6: Sezione parete e caratteristiche termiche Capitolo 2- Analisi della Struttura 48 Figura 7: Sezione del tetto e caratteristiche termiche Figura 8: Sezione del solaio e caratteristiche termiche Capitolo 2- Analisi della Struttura 49 Pavimento Per il basamento, non avendo la certezza della sua composizione, abbiamo accettato i valori forniti dal software Termo 2.2 per il caso di ''basamento su terreno 30cm'con un valore della trasmittanza: U = 1,650 W/ m 2K. Infine, per quanto riguarda il portone di ingresso e le superfici trasparenti, abbiamo assunto i seguenti valori; Portone ingresso Figura 9: Sezione del portone in legno e caratteristiche termiche Capitolo 2- Analisi della Struttura 50 Figura 10: Sezione del vetro finestra e caratteristiche termiche 2.2 Consumi termici, elettrici e idrici I consumi raggiunti per l''abitazione in questione si ripartiscono in: - Consumi termici, relativi alla climatizzazione invernale. - Consumi elettrici, relativi al riscaldamento dell''acqua calda sanitaria ( A.C.S. ) - Consumi idrici. Il valore del fabbisogno termico totale annuo dell''edificio è ricavabile dalla seguente formula: Q = V * Hi * ρ Dove: - V = consumo annuo di gasolio, pari a 725 litri corrispondenti a 601.32 kg - Hi = potere calorifico inferiore del gasolio, assunto pari a 44.4 MJ/kg - ρ = rendimento al bruciatore, fissato a 0.94 Si ottiene un Q pari a 25096.76 MJ/anno Capitolo 2- Analisi della Struttura 51 2.2.1 Consumi legati al riscaldamento Per valutare i consumi energetici legati alla climatizzazione della villetta si è ricorso all''utilizzo del software ''Termo 2.2' della Microsoftware. E'' bene ricordare che i calcoli finalizzati alle verifiche del DLgs n. 311/06 e del DLgs n. 192/05, devono essere effettuati adottando il periodo di riscaldamento convenzionale cioè il periodo di legge definito dal D.P.R. 59/2009 e che va dal 15 Novembre al 31 Marzo. I calcoli finalizzati alla diagnosi energetica o alla verifica dei consumi, devono essere effettuati adottando il periodo di riscaldamento reale, poiché da esso dipende il consumo di energia primaria dello specifico sistema edificio-impianto. Tale calcolo viene effettuato utilizzando dati medi atti a rappresentare le condizioni più probabili in esercizio. Il periodo di riscaldamento reale è quello durante il quale è necessario fornire calore attraverso l''impianto di riscaldamento per mantenere all''interno dell''edificio una temperatura ambiente non inferiore a quella di progetto. Di seguito si mostra una tabella riepilogativa, estratta dal software Termo, che fornisce i valori del fabbisogno annuo di energia per la climatizzazione invernale e, nel successivo paragrafo, per la produzione di A.C.S trovati utilizzando le formule precedentemente viste. Tabella 14 : Fabbisogno riscaldamento del subalterno [kWh] Mese Qtr Qv Qht Qint Qsol,i Qsol,e QH Qgn,out Qgn,out,nr Qp Novembre 753.7 46.1 799,8 124.4 137.4 60.8 504,5 592,4 592,4 804,2 Dicembre 2072,3 131.8 2204,6 241.0 223.7 99.0 1661,7 1982,4 1982,4 2400,9 Gennaio 2457,2 158.4 2615,6 241.0 255.2 113.0 2025,1 2425,8 2425,8 2847,2 Febbraio 2197,7 141.6 2339,3 217.6 290.5 127.0 1730,3 2070,4 2070,4 2452,6 Marzo 1808,6 113.4 1922,0 241.0 418.5 179.8 1163,8 1375,1 1375,1 1793,1 TOT. 9290,0 591,3 9881,3 1064,9 1325,3 579,6 7085,4 8446,1 8446,1 10298,0 Capitolo 2- Analisi della Struttura 52 Dove: - Qtr = scambio termico per trasmissione - Qv = scambio termico per ventilazione - Qht = scambio termico per trasmissione e ventilazione - Qint = apporti termici interni - Qsol,i = apporti termici solari attraverso superfici trasparenti - Qsol,e = apporti termici solari attraverso superfici opache - QH = fabbisogno ideale di energia termica dell''edificio - Qgn,out = energia termica in uscita al sottosistema di generazione - Qgn,out,nr = quota non rinnovabile dell''energia termica in uscita al sottosistema di generazione - Qp = fabbisogno di energia primaria del sistema edificio impianto Dai dati forniti, risulta che il FAEP per la climatizzazione invernale è pari a 10298 kWh/anno e considerando il potere calorifico del gasolio, pari a 9.95 kWh/l, si deduce che il consumo annuo di gasolio per il riscaldamento ammonta a 1035 litri che corrispondono a circa 1708 '/anno. 2.2.2 Consumi elettrici e per la produzione di A.C.S In Italia, in media si consumano circa 50 l al giorno di acqua sanitaria pro capite, alla temperatura media di 50°C. Ipotizzando una temperatura dell''acqua proveniente dall''acquedotto a 12°C si può calcolare il quantitativo pro capite di energia termica necessaria. Indicando con: Q: quantitativo pro capite di energia termica necessaria [kJ] G: massa d''acqua da scaldare [50 kg] cs: calore specifico dell''acqua [4,1868 kJ/(kg °C)] TU: temperatura d''utilizzo [50 °C] TA: temperatura dell''acquedotto [12 °C] Capitolo 2- Analisi della Struttura 53 Q = G * cs (TU '' TA ) = 2,21 kWh Produzione di acqua calda con scaldabagno elettrico Nell''abitazione in esame si produce ACS tramite l''utilizzo di un bollitore elettrico (boiler) della potenza di 1.2 kW. In questo caso l''energia termica per produrre acqua calda sanitaria comprende una doppia trasformazione. In una prima fase occorre produrre energia elettrica, tipicamente in centrali termoelettriche. L''energia termica prodotta dovrà quindi essere trasportata all''utenza, trasformata in energia termica per effetto joule e quindi trasferita all''acqua. Per produrre con uno scaldabagno elettrico 7955 kJ (2,21 kWh termici) sono necessari circa 2,43 kWh elettrici, avendo stimato l''efficienza di conversione dello scaldabagno elettrico pari al 90%. Ma è necessario considerare che, per la produzione di ogni kWh elettrico, vengono consumati nel parco delle centrali elettriche italiane circa 2,54 kWh sotto forma di energia primaria. Considerando questa doppia trasformazione da energia primaria ad energia elettrica, e da energia elettrica in energia termica, emerge che, per produrre l''acqua calda sanitaria necessaria giornalmente per soddisfare il fabbisogno pro capite, sono necessarie 2,54 *2,43 = 6.17 kWh primari, equivalenti a 22226 kJ termici. In tal modo solo il 35,8% ( = 2.21/6,17 ) dell''energia primaria consumata viene effettivamente utilizzata dall''utente. Un basso valore di rendimento si traduce inevitabilmente in elevati costi economici ed ambientali. Per queste ragioni l''impiego di un''energia di elevata qualità, quale è l''energia elettrica, al fine di ottenere riscaldamento non è consigliabile. Mese QH Qgn,out Qgn,out,nr Qp Gennaio 115.8 163.3 163.3 584.0 Febbraio 104.6 147.5 147.5 527.5 Marzo 115.8 163.3 163.3 584.0 Aprile 112.1 153.5 153.5 548.8 Maggio 115.8 158.6 158.6 567.1 Capitolo 2- Analisi della Struttura 54 Giugno 112.1 153.5 153.5 548.8 Luglio 115.8 158.6 157.0 567.1 Agosto 115.8 158.6 157.0 567.1 Settembre 112.1 153.5 151.9 548.8 Ottobre 115.8 158.6 157.0 567.1 Novembre 112.1 158.1 156.2 565.2 Dicembre 115.8 163.3 161.4 584.0 TOT. 1363.7 1890.4 1890.4 6759.4 Tabella 15: Fabbisogno acqua calda sanitaria del subalterno [kWh] In definitiva il costo dell''energia elettrica per la produzione di ACS con l''utilizzo del boiler elettrico si basa sul valore di 2,43 kWh elettrici pro capite al giorno. Considerando che nell''abitazione vivono tre persone, il consumo elettrico annuo per ACS ammonta a 2661 kWh. Dalle bollette, si evince che il consumo totale annuo è pari a circa 3700 kWh per cui si rientra nella fascia di costo di 0,2226 '/kWh Quindi il costo per il consumo di energia elettrica ammonta a: - a 592 ' dovuto alla produzione di ACS - a 231 ' dovuto all''utilizzo degli altri apparecchi elettrici presenti nell''abitazione. Il consumo elettrico totale ammonta quindi a 823 '/anno. Tabella 16: Prezzo al kWh in base alla potenza installata e al consumo annuo Capitolo 2- Analisi della Struttura 55 2.2.3 Consumi idrici I consumi idrici annuali dell''abitazione, ricavati dalla lettura del contatore, ammontano a circa 100 m 3 all''anno e considerando un costo al m3 di 0.95', si ha una spesa annua di 95'. 2.2.4 Classificazione energetica Le norme classificano l''edificio in base al suo EP globale che si ottiene sommando gli EP parziali specifici dei singoli utilizzi ( riscaldamento, raffrescamento, A.C.S., illuminazione ). Attualmente le linee guida tengono conto del riscaldamento e dell'' A.C.S. in quanto voci preponderanti nel bilancio energetico di un''abitazione. EPglobale = EPi + EPACS I risultati ottenuti con l''analisi fatta con il software Termo sono i seguenti: EPi [kWh/m 2] EPACS [kWh/m 2] EPe,inv [kWh/m 2] 128.725 84.493 38.293 Dove: - EPi = Indice di energia primaria per il riscaldamento - EPACS = Indice di energia primaria per l''A.C.S. - EPe,inv = Indice involucro I dati ottenuti collocano la villetta in questione in classe G, la peggiore. I costi totali di gestione dell''abitazione ammontano ad un totale di 2626 '/anno e sono così ripartiti: 1) 1708 '/anno di gasolio per il riscaldamento 2) 823 '/anno di energia elettrica 3) 95 '/anno di consumo idrico Capitolo 2- Analisi della Struttura 56 Per meglio visualizzare i risultati ottenuti, di seguito sono rappresentati i risultati forniti dal software Termo. Figura 11: Classe G: classificazione energetica dell''edificio allo stato attuale 57 Capitolo 3 Interventi di riqualificazione Capitolo 3- Interventi di riqualificazione 58 3.1 Interventi di riduzione delle dispersioni Dato che la villetta non soddisfa i requisiti chiesti dal D.Lgs 311/06 e dalle linee guida nazionali, si è ipotizzata una serie di interventi volti a migliorare l''efficienza energetica attraverso una riduzione degli sprechi e delle dispersioni. Per il caso in esame si sono attuati i seguenti interventi: a) Realizzazione di un isolamento a cappotto esterno b) Isolamento del sottotetto non riscaldato c) Sostituzione degli infissi e del portone d''ingresso 3.2 Isolamento a cappotto L''isolamento dall''esterno è la soluzione più efficace per isolare bene un edificio. E'' consigliato per ambienti riscaldati in continuo con interruzione notturna, infatti durante il funzionamento dell''impianto si ha un notevole accumulo di calore nelle pareti e il suo rilascio avviene durante la notte con il riscaldamento spento. Un''altra caratteristica positiva di questa soluzione è la totale eliminazione di ponti termici. L''intervento consiste nel fissare all''esterno delle pareti, tramite l''utilizzo di tasselli, dei pannelli di materiale isolante coprendoli poi con un sistema di rasatura '' armatura '' intonaco ed ottenendo così un aspetto esterno dell''edificio tradizionale A titolo di esempio si riporta qui a fianco uno schema rappresentativo. Figura 12: Stratigrafia della parete con cappotto Capitolo 3- Interventi di riqualificazione 59 Il fatto di installare il cappotto all''esterno della muratura offre diversi vantaggi: - Si eliminano i ponti termici dovuti alle singolarità geometriche e strutturali poiché l''isolamento applicato all''esterno non subisce interruzioni. Ciò comporta un aumento della temperatura là dove prima era presente il ponte termico, e quindi si ha anche una riduzione dell''umidità da condensa superficiale interna che provoca la comparsa di muffe sulle pareti e che a sua volta sono la principale causa di un ambiente malsano e di degrado fisico della struttura. Si ha quindi un miglioramento del benessere abitativo. - L''inerzia termica dell''edificio aumenta sensibilmente e con esso il benessere abitativo dato che le variazioni di temperatura nelle varie stagioni e tra giorno e notte sono meno accentuate. - Viene limitato il fenomeno della fessurazione delle strutture murarie in quanto gli sbalzi termici percepiti dalla struttura sono minori e di conseguenza i movimenti di dilatazione sensibilmente ridotti. - Non viene compromessa la capacità abitativa; al contrario, una soluzione che prevedesse l''installazione di un cappotto interno, causerebbe una diminuzione dell''area abitabile. Inoltre la sua messa in opera comporta l''assenza di disturbo per gli occupanti durante i lavori. In commercio ci sono molti tipi di pannelli isolanti composti da vari materiali, sughero, lana di roccia, lana di vetro, polistirene e poliuretano. Inizialmente la scelta era ricaduta sui pannelli in sughero proprio per andare incontro ad una compatibilità ambientale, ma l''inconveniente sorto era il prezzo piuttosto elevato. Si è quindi preferito scegliere il pannello in polistirene espanso sinterizzato (EPS) dello spessore di 8 cm, che presenta il miglior rapporto benefici/costi. Il polistirene espanso trova sempre maggiore impiego nel campo dell''isolamento date le sue caratteristiche che si possono così riassumere: - Conducibilità termica ridotta - Elevata resistenza all''umidità grazie alla quale si evita la formazione di muffe - La sua durata in termini di prestazioni è illimitata nel tempo - Facilità di trasporto e di installazione Capitolo 3- Interventi di riqualificazione 60 - Reazione al fuoco adeguata agli impieghi previsti e rispondente alle più severe norme vigenti Nello specifico si è scelto il pannello ISOLPIU ETICS 150 K8 dello spessore di 80mm per le pareti esterne, mentre per il tetto a falde si è scelto il 100 K8 dello spessore di 100mm e del quale è possibile consultare nella tabella seguente le varie caratteristiche: Tabella 18: Prezzo al m 2 per vari spessori del pannello in polistirene espanso Capitolo 3- Interventi di riqualificazione 61 Costo dell''intervento cappotto esterno Avendo utilizzato pannelli del formato di 1000 x 500mm, il prezzo al m 2 è di 11,68 ' per il 150 K8. Considerando quindi che le pareti esterne si estendono per una superficie di 120 m 2, il costo per la fornitura del materiale ammonta a 1400 '. Bisogna poi tenere conto del costo della manodopera per l''installazione, che può assumersi pari a circa tre volte il costo del materiale e si ricade proprio nella media del mercato che è di circa 40 '/m 2 Per cui il costo totale dell''intervento solo per la cappottatura esterna è pari a 4800 '. 3.3 Isolamento del tetto e sottotetto Per quando riguarda l''isolamento del tetto e del sottotetto, è stata scelta una diversa soluzione. Nelle falde del tetto sono stati inseriti pannelli EPS del tipo ISOLPIU ETICS 100 K8 dello spessore di 100 mm così come nel sottotetto. Costo isolamento del tetto e del sottotetto Avendo utilizzato pannelli del formato di 1000 x 500mm per il tetto, il prezzo al m 2 per l''EPS 100 K8 è di 11.30 '/m 2. Considerando quindi che il tetto e il sottotetto hanno circa la stessa area di circa 90 m 2 ciascuno, il costo del materiale ammonta a 2034 '. Bisogna poi tenere conto del costo della manodopera per l''installazione, che può assumersi pari al 100% del costo del materiale. Per cui il costo totale dell''intervento per l''isolamento del tetto e sottotetto è pari a 4068' Costo totale isolamento termico Effettuando entrambi gli interventi, l''isolamento del tetto e del sottotetto e l''isolamento a cappotto, si arriva ad un costo complessivo di 8868 ' Capitolo 3- Interventi di riqualificazione 62 3.4 Sostituzione degli infissi Una volta isolate le superfici opache, è necessario porre l''attenzione sull''isolamento delle superfici trasparenti. Infatti uno dei provvedimenti più efficaci per ridurre in maniera incisiva lo spreco di risorse è quello di limitare le perdite di calore che si verificano per i serramenti esterni ed in particolar modo i vetri che rappresentano l''elemento più debole di una facciata. Allo stesso tempo però, rappresentano l''elemento che ha i più grandi margini di miglioramento dal punto di vista termico. I serramenti finestra devono svolger molteplici funzioni: - Devono far entrare la luce negli ambienti interni dell''edificio - Impedire al calore interno di migrare verso l''esterno - Possedere buone caratteristiche fonoisolanti - Bilanciare i guadagni solari durante le ore diurne con le perdite termiche durante le ore notturne Oggi in commercio sono disponibili tipi speciali di vetro in grado di ridurre fortemente la dispersione termica ma la vera rivoluzione è adottata dall'impiego di gas "inerti" (o "pesanti") come l''Argon che, utilizzati nelle intercapedini tra i vetri, rallentano il moto convettivo interno e quindi la trasmissione del calore da una superficie all'altra, limitando così fortemente il fenomeno della dispersione. Per fare un esempio pratico, nel tempo che impiega un vetro singolo a disperdere 100 w di energia termica il doppio vetro ne disperde solo 70 mentre il doppio vetro con gas inerte all'interno ne disperde solo 25. Adottando vetrature con basso emissivo a gas Argon si può avere un doppio vetro che rappresenta un vero e proprio salto generazionale. Il villino, oggetto della riqualificazione energetica, presenta un sistema infissi '' vetrate piuttosto datato, con evidenti spifferi d''aria e vetri singoli che non garantiscono alcun tipo di isolamento. Si è perciò deciso di intervenire alla loro completa sostituzione e si è optato per un Capitolo 3- Interventi di riqualificazione 63 tipo di telaio in legno Mogano e doppi vetri con intercapedine riempita di Argon del tipo 4-16-4 avente una trasmittanza di 1.6 W/m 2K. Una vetrocamera così fatta è composta da una lastra di vetro dello spessore di 4 mm, un''intercapedine spessa 16 mm riempita di gas Argon e una lastra di vetro sempre di 4 mm. La lastra interna è rivestita di una pellicola basso emissiva che permette alla luce di filtrare, ma riflette parte del calore in uscita verso l''esterno. Lo spessore dell''intercapedine ha una funzione determinante sul valore della trasmittanza: infatti un''intercapedine troppo stretta o troppo ampia perde di efficacia. Inoltre l''ampiezza dell''intercapedine influenza la scelta del gas, per intercapedini fino a 14 mm è preferibile scegliere il Krypton mentre per intercapedini maggiori viene scelto l''Argon solamente per un fatto economico. Figura 13: Vetro basso emissivo Si è infine provveduto alla sostituzione del portone di ingresso con uno avente una trasmittanza nettamente più bassa e pari a 1.8 W/m 2K. Costo totale nuovi infissi L''intervento consiste nella rimozione completa e della successiva sostituzione degli infissi. Nel caso in esame devono essere sostituite cinque finestre a due ante della dimensione di circa 1,2 X 1,4 m, una porta finestra e il portone di ingresso. Dai prezzi forniti è emerso che il costo complessivo si aggira intorno ai 5500 '. Capitolo 3- Interventi di riqualificazione 64 Le caratteristiche isolanti dei vari elementi strutturali e degli infissi, dopo le modifiche apportate, sono riassunti nelle seguenti schede: Figura 14: Sezione parete con cappotto Figura 15: Sezione tetto coibentato Pavimento - Il basamento non ha subito modifiche in questo primo step di interventi. Pertanto i valori della tramittanza sono gli stessi U = 1.650 w/m 2K mentre lo spessore è di 30cm. Figura 16: Sezione solaio conibentato Capitolo 3- Interventi di riqualificazione 65 Figura 17: Sezione doppio vetro e argon Figura 18: Sezione portone in legno 3.5 Calcolo del FAEP allo stato modificato A seguito degli interventi apportati alla struttura si riportano i valori del nuovo FAEP: Mese Qtr Qv Qht Qint Qsol,i Qsol,e QH Qgn,out Qgn,out,nr Qp Novembre 146.7 46.1 192.8 124.4 107.0 13.3 24.2 7.6 7.6 220.6 Dicembre 399.0 131.8 530.7 241.0 174.3 21.7 154.4 145.0 145.0 580.7 Gennaio 470.9 158.4 629.3 241.0 198.9 24.7 214.6 217.9 217.9 666.2 Febbraio 421.3 141.6 562.9 217.6 225.9 27.7 159.6 155.3 155.3 553.1 Marzo 349.5 113.4 462.9 241.0 324.3 38.9 54.4 23.9 23.9 438.1 TOT. 1787.4 591.3 2378.7 1064..9 1030.4 126.3 607.2 549.7 549.7 2458.7 Tabella 19: Fabbisogno riscaldamento del subalterno [kWh] Capitolo 3- Interventi di riqualificazione 66 Dove: - Qtr = scambio termico per trasmissione - Qv = scambio termico per ventilazione - Qht = scambio termico per trasmissione e ventilazione - Qint = apporti termici interni - Qsol,i = apporti termici solari attraverso superfici trasparenti - Qsol,e = apporti termici solari attraverso superfici opache - QH = fabbisogno ideale di energia termica dell''edificio - Qgn,out = energia termica in uscita al sottosistema di generazione - Qgn,out,nr = quota non rinnovabile dell''energia termica in uscita al sottosistema di generazione - Qp = fabbisogno di energia primaria del sistema edificio impianto Dai dati forniti, risulta che il FAEP per la climatizzazione invernale è pari a 2458.7 kWh/anno e considerando il potere calorifico del gasolio, pari a 9.95 kWh/l, si deduce che il consumo annuo di gasolio per il riscaldamento ammonta a 247 litri che corrispondono a circa 408 '/anno. Già con questi interventi di isolamento termico si ottiene un notevole miglioramento di efficienza energetica come si evince dalla diminuzione dell''inice EPgl. Dalle immagini sottostanti si può verificare che l''edificio dopo un primo step di interventi, ha raggiunto la classe energetica F. EPi [kWh/m 2] EPACS [kWh/m 2] EPe,inv [kWh/m 2] 31.045 84.493 41.142 Dove: - EPi = Indice di energia primaria per il riscaldamento - EPACS = Indice di energia primaria per l''A.C.S. - EPe,inv = Indice involucro Capitolo 3- Interventi di riqualificazione 67 Figura 19: Classe F: classificazione energetica dell''edificio dopo l''intervento di isolamento Capitolo 3- Interventi di riqualificazione 68 Tempo di ritorno dell''investimento Per valutare il tempo di ritorno dell''investimento, attualizzando tutti i flussi cassa ad un tasso di sconto del 6%, ci siamo serviti della seguente formula: = 0 Il primo termine rappresenta l''attualizzazione dei flussi di cassa, il secondo l''investimento iniziale. - Vt rappresenta l''ammontare dei flussi di cassa, cioè la differenza tre entrate ed uscite - k è il tasso di sconto con cui i flussi di cassa vengono riportati all''attualità e come tasso si è scelto il valore di 6%. - t è il tempo espresso in anni. Il computo parte dal momento in cui si effettua l''investimento iniziale - I0 è l''investimento iniziale, cioè la somma di tutte le spese sostenute per apportare le modifiche suggerite. I flussi si cassa nel nostro caso sono dati dalla differenza tra le spese di gestione allo stato attuale e quelle allo stato modificato. Allo stato attuale, come visto, la spesa di gestione complessiva ammontava a 2626 '/anno ma in seguito alle prime modifiche apportate, il consumo di gasolio è sceso a 2458.7 kWh/anno corrispondenti a 284 litri di gasolio pari a 408 '/anno per un risparmio di 1300 '/anno. Il consumo di acqua e di energia elettrica rimane invece invariato non avendo fatto alcun tipo di modifica migliorativa. Il costo totale di gestione allo stato modificato ammonta a 1326 '/anno e sono così ripartiti: - 408 '/anno di gasolio per il riscaldamento - 823 '/anno di energia elettrica - 95 '/anno di consumo idrico Capitolo 3- Interventi di riqualificazione 69 Tra le entrate devono essere considerati gli incentivi. La detrazione del 55 % sulla dichiarazione IRPEF si applica a tutti gli interventi proposti ma viene corrisposta in rate annuali nell''arco di dieci anni. La rata annuale costituisce un''entrata. Vediamo quanto vale questa rata: Investimento iniziale I0 = 8868 (isolamento termico) + 5500 (sostituzione infissi) = 14368 ' Il 55 % è pari a 7902 ' per cui la rata annuale ammonta a 790,2 '. Pertanto i flussi di cassa sono pari a: Vt = 2626 '' 1326 + 790 = 2090 ' Sostituendo i valori nella formula scritta in precedenza, si ottiene che il tempo per ammortizzare il costo dell''investimento è di 9 anni. 70 Capitolo 4 L''energia dal sole e gli impianti solare Capitolo 4- L''energia dal sole e gli impianti solari 71 4.1 Installazione degli impianti solari Una volta completato l''intervento di isolamento termico, si focalizza l''attenzione su un altro tipo di intervento, l''installazione di pannelli fotovoltaici e termici, grazie ai quali si può soddisfare alle necessità elettriche e di acqua calda, e l''installazione di pannelli radianti per il riscaldamento dell''edificio e che andranno a sostituire i tradizionali termosifoni. 4.1.1 La radiazione solare La radiazione solare raggiunge la Terra con una potenza di 1365 kW/m 2 che può essere trasformata in energia elettrica, mediante pannelli fotovoltaici, e può essere utilizzata per il riscaldamento dell''acqua, mediante pannelli solari. L''energia solare non raggiunge la superficie terrestre in maniera costante, ma varia durante il giorno, da stagione a stagione e dipende dalla nuvolosità, dall''angolo di incidenza e dalla riflettanza delle superfici. La radiazione che un metro quadrato di una superficie orizzontale riceve è detta radiazione globale ed include la radiazione diretta e quella diffusa. La radiazione diretta è quella che giunge direttamente dal sole, mentre la radiazione diffusa è quella riflessa dal cielo, dalle nuvole e dalle superfici riflettenti L''intensità della radiazione solare viene misurata con uno strumento detto piranometro o solarimetro ed è riferita all''unità dell''area. In genere viene espressa in W/m 2 o in kW/m2. In Italia l''insolazione è buona, può raggiungere valori di 900-1.200 W/m 2 che è l''ideale per tutte le tecnologie in grado di sfruttarla. La radiazione diffusa rappresenta in Italia circa il 25% di quella globale con valori compresi tra 0 e 300 W/m 2. Quando il cielo è coperto o all''imbrunire, l''intensità della radiazione non supera i 50-100 W/m 2. Per conoscere quanto produce un sistema fotovoltaico occorre conoscere l''irraggiamento globale rappresentato nella figura sottostante: Capitolo 4- L''energia dal sole e gli impianti solari 72 Figura 20: Irraggiamento solare 4.2 Impianto solare termico Un impianto solare termico è un sistema che trasforma l''energia proveniente dal sole in energia termica, ossia calore. Esso può essere utilizzato per produrre acqua calda sanitaria ACS e per il riscaldamento degli ambienti. L''elemento captante è il collettore o pannello solare che serve a captare l''energia che viene dal sole sulla Terra e ad utilizzarla per produrre acqua calda ad una temperatura che può raggiungere anche i 60-70°C. Tale acqua calda viene accumulata in un serbatoio e potrà quindi essere utilizzata per gli usi sanitari di casa, come pure per riscaldare. Il pannello solare più utilizzato è quello vetrato che risulta essere così costituito: Capitolo 4- L''energia dal sole e gli impianti solari 73 Un assorbitore dell''energia solare, costituito da una lastra simile ad una piastra radiante che può essere in acciaio o in rame e verniciata in modo da renderla il più possibile assorbente. All''interno di questa è inserita una serie di piccoli canali in cui scorre il liquido del circuito primario destinato ad essere riscaldato. Tale fluido è normalmente acqua addizionata con liquido antigelo in modo da resistere alle rigide temperature invernali. Una lastra di vetro, il più possibile trasparente, ma meccanicamente resistente, posta superiormente all''assorbitore in modo che possa proteggerlo dalle intemperie. Inoltre, dato che il vetro fa passare i raggi solari, ha la funzione di creare effetto serra. L''assorbitore, scaldandosi, emette energia sotto forma di radiazione infrarossa, ma il vetro, nei confronti di queste radiazioni, limita la dispersione all''esterno perché è un elemento circa opaco. Un pannello isolante inserito nella parte retrostante il pannello. Può essere in fibra di vetro o in poliuretano espanso, in grado di ridurre decisamente le dispersioni di calore dal lato non attivo del pannello. Una scocca, realizzata in lamiera o in plastica, che chiude posteriormente il pannello Il tutto è tenuto assieme da una struttura che assembla le parti e conferisce al pannello robustezza e stabilità. Figura 21: Pannello solare vetrato Capitolo 4- L''energia dal sole e gli impianti solari 74 Il serbatoio di accumulo, invece, serve ad equilibrare la differenza temporale tra la presenza dell''irraggiamento e l''utilizzo dell''acqua calda. Serbatoi dall''ampio volume permettono di superare periodi anche lunghi di brutto tempo. Il boiler contiene al suo interno uno scambiatore di calore nel quale circola il liquido del circuito primario che, cedendo il calore ricevuto dal sole, riscalda l''acqua contenuta nel serbatoio che a sua volta è ben coibentato al fine di conservare il calore. Nel serbatoio si trovano due circuiti idraulici separati; 1) Quello primario del pannello, in cui circola il liquido riscaldato dal sole 2) Quello secondario in cui circola sanitaria e che è collegato all''impianto idraulico di utilizzo. La dimensione ottimale del serbatoio deve consentire di soddisfare al meglio le esigenze suddette che però dipendono dalle condizioni climatiche, dal tipo di richiesta dell''energia e da condizioni di carattere economico. Se si tengono presenti sia gli aspetti tecnici ( clima esterno, efficienza collettore, etc..), che quelli economici, il campo dei valori ottimali è generalmente compreso tra i 50 e i 100 litri/m 2 di area captante Figura 22: Serbatoio di accumulo Capitolo 4- L''energia dal sole e gli impianti solari 75 I pannelli solari termici possono essere raggruppati in tre tipologie principali: - Scoperti ( senza vetro) - Vetrati - Sottovuoto I pannelli scoperti sono formati da tubi neri, non isolati, in propilene, neoprene, pvc o metallo in cui circola l''acqua alla temperatura di 20- 30°C ad di sopra della temperatura dell''aria. Sono economici e semplici, ma hanno lo svantaggio che il loro utilizzo per la produzione di ACS si limita alla stagione estiva e nelle regioni dal clima mite. Figura 23: Tubi dei pannelli scoperti I pannelli vetrati, come già visto precedentemente, sono formati da una scatola piana col fondo isolato termicamente e il lato superiore in vetro trasparente o plastica che produce effetto serra. La lastra nera e piatta posta all''interno, assorbe energia solare e la trasmette al fluido termovettore, che può essere acqua o aria. Questi accorgimenti fanno salire la temperatura in gioco rispetto al tipo di pannello scoperto, fino a 70°C al di sopra della temperatura ambiente. Possono essere utilizzati sia per il riscaldamento dell''acqua che per il riscaldamento degli ambienti. A loro volta, questo tipo di pannello si suddivide in ulteriori tre categorie: Figura 24: Pannelli vetrati con serbatoio 1) Non selettivi: in cui la superficie dell''assorbitore non subisce nessun trattamento specifico, ma viene solo verniciata di nero per meglio trattenere i raggi solari. Il loro Capitolo 4- L''energia dal sole e gli impianti solari 76 impiego è particolarmente indicato per i mesi estivi e per le zone con abbondante insolazione. 2) A superficie selettiva: la superficie dell''assorbitore subisce un trattamento specifico con un prodotto selettivo all''infrarosso che trattiene il calore del sole e riduce la riflessine, potenziando le analoghe azioni del vetro soprastante. 3) Con serbatoio integrato: l''assorbitore di calore ed il serbatoio di accumulo coincidono e l''energia solare scalda direttamente l''acqua accumulata. Sono sconsigliati nelle zone dall''inverno lungo e rigido I pannelli sottovuoto sono composti da tubi sottovuoto parziale in vetro, ognuno contenente un assorbitore. Le perdite di calore sono molto basse e si possono raggiungere temperature fino a 100°C al di sopra della temperatura ambiente. Sono quindi particolarmente adatti per utilizzi a temperature più elevate e sono caratterizzati da una resa istantanea, nei periodi autunnali e invernali, più alta rispetto ai collettori solari piani. Figura 25: Pannelli solari sottovuoto Sistema di circolazione Il sistema di circolazione ha il compito di trasferire calore dal pannello verso il luogo di accumulo o di utilizzo. Esistono due sistemi di circolazione: 1) Circolazione naturale: il fluido termovettore circola attraverso i condotti per differenza di densità. Esso, riscaldandosi nel collettore, diminuisce di densità e tende spontaneamente a risalire verso l''alto, ma a questa azione si aggiunge la spinta derivante Capitolo 4- L''energia dal sole e gli impianti solari 77 dal fluido che nel frattempo si è raffreddato e, diventato più pesante, tende a portarsi verso il basso. Si innesca un lento moto convettivo, con velocità proporzionale all''intensità della radiazione solare. Il sistema così fatto non necessita di sistemi di controllo. Il serbatoio di accumulo deve sempre essere posizionato più in alto del pannello e a breve distanza da esso, con una leggera pendenza delle tubazioni di collegamento in modo da facilitare il trascinamento e l''espulsione dell''aria. I vantaggi sono che nessun consumo energetico è necessario per il funzionamento del sistema nella fase di captazione solare e che c''è un equilibrio della velocità del fluido in funzione della differenza di temperatura e della differenza di altezza. 2) Circolazione forzata: il liquido del circuito primario viene spinto da una pompa. L''installazione di tali sistemi è necessaria in tutte quelle situazioni in cui il serbatoio di accumulo non può essere posizionato più in alto del pannello solare. Essi sono costituiti da collettori solari, boiler installati in vani tecnici e pompa controllata da una centralina. Quando il sole splende, la temperatura del fluido in uscita dai collettori supera quella del fluido all''interno del boiler, quindi la centralina aziona la pompa mettendo in circolo il fluido termovettore e trasferisce il calore dai collettori ai boiler. Al tramonto il fluido all''uscita dai collettori si raffredda e la pompa si ferma e l''acqua calda contenuta nel boiler rimane così disponibile all''utenza. I boiler sono dotati di doppio scambiatore, uno posto inferiormente e dedicato al sistema solare, l''atro posto superiormente e dedicato al sistema di integrazione. La stratificazione dell''acqua calda superiormente al boiler consente di sfruttare al meglio l''energia solare grazie alle basse temperature di ritorno ai collettori. ' indispensabile in questi casi la presenza di una valvola di non ritorno, per evitare la circolazione inversa di acqua calda dal serbatoio ai pannelli. Figura 26: Sistema di circolazione Capitolo 4- L''energia dal sole e gli impianti solari 78 Requisiti di installazione I collettori solari possono essere installati su qualsiasi pertinenza dell''immobile di proprietà dell''utente e la decisione in merito alla fattibilità tecnica si basa sull''esistenza dei seguenti requisiti: - Disponibilità dello spazio necessario - Corretta esposizione ed inclinazione della suddetta superficie e le condizioni ottimali per l''Italia sono: 1) Esposizione a Sud ma si accettano anche esposizioni Sud-Est e Sud-Ovest con limitate perdite di produzione 2) In caso di carico costante durante l''anno, inclinazione pari alla latitudine del luogo +/- 5° 3) In caso di carico prevalentemente estivo, inclinazione pari alla latitudine del luogo ma diminuita di 10/15° 4) In caso di carico prevalentemente invernale, inclinazione pari alla latitudine del luogo ma aumentata di 10/15° - Assenza di ostacoli in grado di creare ombreggiamento Costo impianto Negli ultimi anni si è avuto un sensibile abbassamento dei costi. Il costo di installazione può variare a seconda della situazione locale e cioè a seconda che l''edificio sia di nuova costruzione o già esistente, a seconda che i pannelli siano collocati ad integrazione del tetto o sopra di esso e a seconda del collegamento al sistema di distribuzione e all''impianto termico integrativo. La maggior parte del costo è comunque dovuta all''acquisto dei materiali, di cui i collettori rappresentano la percentuale più alta. Il costo di manutenzione annuale è piuttosto basso, normalmente nelle analisi economiche si stima in circa l'' 1% del costo totale dell''impianto, da conteggiare sull''intera vita minima che è convenzionalmente fissata in 20 anni. Il costo totale medio al m 2 di aggira intorno alle 750' Capitolo 4- L''energia dal sole e gli impianti solari 79 4.2.1 Dimensionamento del solare termico Il dimensionamento di un impianto solare termico è il risultato del bilanciamento tra la producibilità dell''impianto e i fabbisogni termici dell''utenza. La produzione termica utile annua di un impianto solare può essere stimata abbastanza accuratamente attraverso un calcolo che tiene conto di vari fattori: - Radiazione solare annua del luogo. - Fattore di correzione in base all''orientamento, all''angolo di inclinazione ed eventuali ombre temporanee. - Prestazioni tecniche dei pannelli solari, del boiler, degli altri componenti dell''impianto e dell''efficienza del sistema di distribuzione. - Il grado di contemporaneità tra produzione del calore e fabbisogno da parte dell''utenza. Nel caso in esame l''impianto è stato posizionato sulla falda del tetto esposta a Sud-Est inclinata sull''orizzontale di 20°. L''orientamento dell''edificio rispetto alla direzione Sud è di circa 30° verso Est per cui l''energia solare annua ricevuta diminuisce solo del 2,5% nei confronti di quella che si riceverebbe con l''orientamento ideale in direzione Sud. Figura 27: Vista della villetta Capitolo 4- L''energia dal sole e gli impianti solari 80 La scelta del pannello solare La scelta del pannello è ricaduta su una soluzione ibrida, PVT (PhotoVoltaic and Thermal), ovvero un tipo di pannello che non solo svolge la funzione di pannello termico ma anche quella di pannello fotovoltaico. I moduli fotovoltaici convertono in elettricità solo una piccola porzione della radiazione solare il resto ,in percentuale tra l''85 e il 94, viene perso sotto forma di calore. I pannelli ibridi riescono a recuperare una buona parte di questa energia termica migliorando contemporaneamente il rendimento della produzione elettrica. I pannelli ibridi sono costituiti da moduli fotovoltaici posizionati sulla superficie assorbente di un collettore solare termico. In pratica il collettore termico raffredda i moduli fotovoltaici migliorandone in modo significativo il rendimento elettrico. I vantaggi pratici in particolare per le applicazioni domestiche a bassa temperatura sono facilmente intuibili: - Diminuzione dei costi: la produzione e installazione dei pannelli ibridi presenta minori costi rispetto ai due pannelli prodotti e installati separatamente. - Maggiore rendimento di superficie (o minore spazio occupato): un campo solare coperto con pannelli ibridi produce più energia elettrica e termica di uno coperto con collettori solari e pannelli fotovoltaici separati. Esistono varie tecnologie di sistemi ibridi che si distinguono per il fluido utilizzato (aria, acqua), la presenza di un vetro (vetrati ''glazed' o non vetrati ''unglazed') o la tipologia (collettori piani o a concentrazione). Esaminiamo la tecnologia dei collettori piani, raffreddati a liquido che sono i più interessanti per le applicazioni domestiche; a seconda del clima possono montare o meno un vetro. Gli schemi in fase di sperimentazione sono due in figura possiamo vedere la sezione di tre tubi adiacenti in un collettore sheet-and-tube. Capitolo 4- L''energia dal sole e gli impianti solari 81 . Figura 28: Sezione pannello PVT Questa è invece la sezione di un collettore ad assorbitori flat-box. Figura 29: Sezione pannello flat-box I collettori flat-box presentano il vantaggio di poter funzionare in modo efficiente anche con la sola circolazione naturale. La presenza del vetro di copertura riduce le dispersioni frontali, contribuendo ad aumentare la resa termica, tuttavia può rappresentare un problema in caso di interruzione del circuito idraulico. Infatti durante i periodi di elevata insolazione, se il pannello non viene alimentato con acqua (guasto del sistema, impossibilità di accumulo nel serbatoio), la temperatura interna del pannello tende a salire (il termine tecnico è stagnazione), raggiungendo valori che possono ridurre la vita utile o addirittura danneggiare i moduli fotovoltaici. In Italia, dati i valori di radiazione solare incidente, è possibile usare vantaggiosamente anche i pannelli non vetrati pur con evidenti limiti della resa termica ottenibile. Capitolo 4- L''energia dal sole e gli impianti solari 82 Il pannello scelto è l'' H-NRG della Anaf Solar con una superficie di 1,65m 2 ciascuno. Il modulo H-NRG è un pannello ibrido fotovoltaico termico (PVT) in grado di produrre simultaneamente energia elettrica ed energia termica garantendo più energia utilizzabile rispetto ai tradizionali pannelli fotovoltaici (PV) presenti sul mercato. High Energy (H-NRG) è un sistema di raffreddamento per impianti fotovoltaici, la cui caratteristica principale è rappresentata dalla capacità di abbattere la temperatura di esercizio e quindi di aumentare la produzione di kWh annui. Sul retro del modulo viene applicato un collettore di alluminio il quale trasferisce il calore del pannello fotovoltaico ad un sistema a circuito chiuso di acqua/glicole. Attraverso un normale scambiatore di calore acqua/acqua o acqua/aria, il sistema a circuito chiuso cede il calore raccolto dall'impianto, abbattendo la temperatura di esercizio del pannello fotovoltaico aumentandone così l'efficienza. VANTAGGI - Notevole aumento della resa elettrica. - Produzione acqua calda. - Minore invecchiamento dei moduli. - Snevamento invernale attraverso il controllo della temperatura del tetto. - Riscaldamento piscine e acqua calda sanitaria. - Drastico aumento del COP delle pompe di calore. - Recupero di Calore per riscaldamenti a pavimento civili ed industriali. - I sistemi PVT hanno bisogno di superfici, supporti e costi di installazione ridotti rispetto agli impianti fotovoltaici e solari-termici disgiunti. H-NRG ha ottenuto tutte le certificazioni necessarie per accedere agli incentivi del V Conto Energia relativi alla produzione di energia elettrica e il recupero del 55% delle spese per l'installazione e la messa in opera dell''impianto solare termico. Capitolo 4- L''energia dal sole e gli impianti solari 83
Ecco la scheda tecnica fornita dal produttore per il kit da 3kW il quale necessita di 13 pannelli: Figura 30: Sezione pannello flat-box Capitolo 4- L''energia dal sole e gli impianti solari 84 Per avere una stima sufficientemente accurata della produzione, in questo caso mensile, di un impianto si utilizza la seguente espressione: Q = Stot*η* K*G Dove: - Q è l''apporto energetico annuale - Stot è la superficie complessiva di captazione pari a 19 m 2 - η indica il rendimento dei pannelli e si considera un valore di 0,55 - K è il rendimento dell''impianto e si considera un valore di 0,90 - G è la radiazione media giornaliera riportata al mese La superficie disponibile per il posizionamento dei pannelli è di 40 m 2 ma si è deciso di installare un kit da 3 kW composto di 13 pannelli per una superficie captante complessiva di 21,45 m 2 dei quali 19 sono quelli effettivi. Grazie ai valori della radiazione media giornaliera ottenibili dall''Atlante Europeo, si è potuto ottenere i seguenti risultati: Tabella 20: Produttività mensile impianto solare termico Mese Radiazione media Giornaliera G[kWh/m 2/gg] Produttività giornaliera Qg = Stot*η*K*G [kWh/mese] Produttività mensile ideale Qmi = Qg*gg [kWh/mese] Produttività mensile reale (-2.5%) Qmr = 0.975*Qmi [kWh/mese] Gennaio 1.85 17.40 521.98 508.93 Febbraio 2.72 25.58 767.45 748.26 Marzo 3.99 37.53 1125.78 1097.63 Aprile 4.94 46.46 1393.82 1358.98 Maggio 6.09 57.28 1718.29 1675.34 Giugno 6.68 62.83 1884.76 1837.64 Luglio 6.54 61.51 1845.26 1799.13 Agosto 5.64 53.04 1591.33 1551.54 Settembre 4.37 41.10 1233.00 1202.17 Ottobre 3.08 28.97 869.02 847.30 Novembre 1.89 17.78 533.26 519.93 Dicembre 1.40 13.17 395.01 385.13 Capitolo 4- L''energia dal sole e gli impianti solari 85 Adesso vogliamo confrontare i valori espressi in kWh del fabbisogno per il riscaldamento e quello per l''ACS e quelli prodotti dai pannelli solari definendo così il bilancio energetico. Tabella 21: Aliquota mancante da integrare con caldaia a gasolio Come si può notare, l''impianto utilizzato riesce a ricoprire interamente il fabbisogno di tutti i mesi dell''anno sia per garantire il riscaldamento sia per la produzione di ACS escluso nel mese di Gennaio e Dicembre. In questi mesi infatti dobbiamo fornire 760 kWh, mentre negli altri mesi l''eccedenza di energia termica viene persa non avendo altre utenze termiche da alimentare oppure può essere utilizzata per il riscaldamento di una paicina. Il termini di consumo di gasolio, i 760 kWh corrispondono a 76 litri di gasolio, che corrispondono a circa 126 '/anno. Mese Fabbisogno riscaldamento [kWh] Fabbisogno ACS [kWh] Produttività mensile [kWh] Aliquota mancante da fornire [kWh] Gennaio 673.4 210 508.93 347.47 Febbraio 559.8 190 748.26 1.54 Marzo 441.8 210 1097.63 0 Aprile 0 197 1358.98 0 Maggio 0 204 1675.34 0 Giugno 0 197 1837.64 0 Luglio 0 204 1799.13 0 Agosto 0 204 1551.54 0 Settembre 0 197 1202.17 0 Ottobre 0 204 847.30 0 Novembre 222.0 203 519.93 0 Dicembre 586.7 210 385.13 411.57 Capitolo 4- L''energia dal sole e gli impianti solari 86 4.2.2 Incentivi solare termico: la detrazione del 55% Questo particolare tipo di pannello racchiude in sé entrambe le tipologie, solare termico e fotovoltaico. Godrà quindi sia dell''incentivazione per l''installazione di impianti solari termici, sia per quella di impianti fotovoltaici. La Legge Finanziaria del 2007 (legge 27/12/2006 n. 296) ha introdotto delle detrazioni fiscali per la riqualificazione energetica del patrimonio edilizio esistente. Lo scopo di questi incentivi fiscali (detrazione 55% della spesa totale sostenuta), è quello di agevolare gli interventi volti a migliorare l''efficienza energetica di case, abitazioni ed edifici. I contribuenti possono quindi usufruire di una detrazione dall''IRPEF (Imposta sul Reddito delle Persone Fisiche) o dall''IRES (Imposta sul Reddito delle Società) del 55% delle spese sostenute per l''installazione di pannelli solari termici o per interventi migliorativi dell''efficienza energetica dell''edificio. Legge 27/12/2006 n. 296. Comma 346. ''Detrazione per l''installazione di pannelli solari' Per le spese documentate, sostenute entro il 31 dicembre 2007, relative all''installazione di pannelli solari per la produzione di acqua calda per usi domestici o industriali e per la copertura del fabbisogno di acqua calda in piscine, strutture sportive, case di ricovero e cura, istituti scolastici e università, spetta una detrazione dall''imposta lorda per una quota pari al 55 per cento degli importi rimasti a carico del contribuente, fino a un valore massimo della detrazione di 60.000 euro, da ripartire in tre quote annuali di pari importo. Successivamente il D.M. 19/02/2007, il cosiddetto ''Decreto Edifici', ha definito i dettagli e le modalità con cui era possibile ottenere le detrazioni. La Legge Finanziaria 2008 (Legge 24/12/2007 n. 244) ha poi prorogato gli incentivi fino al 31/12/2010, introducendone di nuovi. Capitolo 4- L''energia dal sole e gli impianti solari 87 Con la Legge 13/12/2010 n. 220, meglio conosciuta come Legge di stabilità 2011, le detrazioni fiscali del 55% per l''installazione di pannelli solari termici sono state prorogate fino a tutto il 2011 e non sono state apportate modifiche ai requisiti tecnici necessari. ' però stato aumentato il numero di anni del periodo di detrazione fiscale (da 5 a 10 anni, a partire della denuncia dei redditi dell''anno in cui si sono effettuati i lavori). Il Decreto Salva Italia del Governo Monti (Legge n. 214 del 22 dicembre 2011) ha poi prolungato fino al 31 dicembre 2012 la validità del bonus del 55% alle stesse condizioni e ha aggiunto tra gli interventi che possono godere dell''agevolazione anche la sostituzione degli scaldacqua tradizionali con quelli a pompa di calore utilizzati per la produzione di acqua calda sanitaria (ACS). Requisiti per le detrazioni fiscali del 55% Le detrazioni riguardano le spese sostenute per l''installazione di pannelli solari termici per la produzione di acqua calda per usi domestici o industriali oppure per il riscaldamento di piscine o strutture sportive, di case di cura o ricoveri, scuole o università. Possono essere detratte, nella misura del 55%, le spese di fornitura e posa in opera di tutte le apparecchiature termiche, meccaniche, elettriche e elettroniche, le opere idrauliche e murarie per la realizzazione di impianti solari termici, anche integrati con impianti di riscaldamento. I requisiti sono: ' pannelli solari termici e bollitori devono avere garanzia di almeno 5 anni ' gli accessori e componenti elettrici utilizzati per installare l''impianto devono avere almeno 2 anni di garanzia ' i pannelli solari termici devono essere conformi alla norma UNI EN 12975 o UNI EN 12976 (la certificazione di qualità deve essere rilasciata da un laboratorio accreditato) ' l''installazione dell''impianto solare termico deve essere eseguita nella piena conformità di quanto riportato sui manuali di installazione dei vari componenti dell''impianto Capitolo 4- L''energia dal sole e gli impianti solari 88 4.3 Impianto solare fotovoltaico L''effetto fotovoltaico, cioè ottenere dal movimento di elettroni una corrente elettrica di piccola entità, si verifica quando un dispositivo formato da due strati congiunti e sovrapposti, costituiti da silicio, viene esposto direttamente all''incidenza dei fotoni di cui è formata la luce. La corrente si determina in corrispondenza dell''area di giunzione, ed è tanto maggiore quanto maggiore è l''intensità della luce incidente. Alla base del dispositivo c''è la cella: essa può assumere diverse forme e misure e può essere realizzata in vari materiali. Il parametro fondamentale per la caratterizzazione di una cella fotovoltaica è comunque la sua efficienza di conversione, o rendimento, che rappresenta il rapporto tra la potenza massima che si ottiene dalla cella e la potenza totale della radiazione incidente sulla superficie frontale. L''efficienza di conversione per le celle commerciali in silicio monocristallino arriva anche al 18%, mentre per il silicio policristallino non supera il 14%. Le celle solari costituiscono un prodotto intermedio dell''industria fotovoltaica: forniscono valori di tensione e corrente limitati in rapporto a quelli normalmente richiesti dagli apparecchi utilizzatori, sono estremamente fragili e prive di supporti meccanici. Esse vengono quindi assemblate in modo opportuno a costruire un''unica struttura: il modulo fotovoltaico. I moduli in commercio, che utilizzano il silicio mono e policristallino, hanno una potenza variabile tra i 50 e gli 80 Wp, a seconda del tipo e dell''efficienza della singola cella. Recentemente si sta affermando la tendenza di variare il numero delle celle dei moduli ed avere delle potenze che arrivano fino ai 150-160 Wp. I moduli sono costituiti da diversi strati sovrapposti: - Lastra di vetro temprato: deve assicurare una buona trasmittanza termica - Foglio sigillante in acetato viniletilico (EVA): garantisce la tenuta agli agenti esterni - Celle fotovoltaiche - secondo foglio sigillante in EVA - chiusura posteriore: per favorire lo scambio termico, può essere in vetro o in Tevlar Capitolo 4- L''energia dal sole e gli impianti solari 89 Il tutto viene posto in un forno di laminazione e sigillato ad alta temperatura. Solitamente i moduli sono completati da cornici in alluminio. L''attendibilità di durata nel tempo della funzionalità della cella è teoricamente infinita e viene limitata nella pratica a 25-30 anni a causa del degrado dei materiali protettivi esterni. Per ottenere la potenza richiesta, si combinano tra di loro moduli con criteri impiantistici ben precisi. Più moduli collegati tra loro formano un pannello, poi si ottiene una stringa, ed infine più stringhe collegate tra di loro formano un generatore fotovoltaico vero e proprio. Le celle fotovoltaiche possono essere composte dai seguenti materiali: - SILICIO MONOCRISTALLINO: è lo stesso materiale utilizzato per la produzione di componentistica elettronica. Le celle in silicio monocristallino presentano il grado di maggiore purezza del materiale e garantistico le migliori prestazioni in termini di efficienza, a fronte però del prezzo più elevato. - SILICIO POLICRISTALLINO: le celle sono ricavate dal riciclaggio del materiale scartato dalla produzione di componentistica elettronica. - SILICIO AMORFO: rappresenta l''elemento della tecnologia fotovoltaica di nuova generazione, alternativa alla tecnologia del silicio cristallino. Consiste nella disposizione di uno strato sottilissimo di silicio cristallino su superfici di un altro materiale, ad esempio il vetro o supporti plastici. - CELLE IBRIDE: costituiscono una delle frontiere più recenti e promettenti della ricer5ca nel settore. Sono realizzate mediante disposizione di uno strato di silicio amorfo su un substrato di silicio monocristallino ad alto rendimento. La loro caratteristica è quella di presentare una sezione perfettamente simmetrica che consente la generazione di corrente attraverso l''esposizione di entrambi i lati della cella - FILM SOTTILI: a questa categoria appartengono le soluzioni più recenti in cui è prevista la disposizione di un substrato vitreo, di opportuna combinazione di diversi materiali. Attualmente ci sono due tipi di film sottili: il CIGS, composto da un semiconduttore policristallino ed il CDTE, composto da tellurio di cadmio. I sistemi fotovoltaici si distinguono in due grandi categorie e seconda che la finalità ultima sia quella di coprire il 100% del fabbisogno energetico dell''utenza, oppure soltanto una parte, Capitolo 4- L''energia dal sole e gli impianti solari 90 prevedendo un rapporto di interscambio con la rete distributiva, in termini di cessione del surplus di produzione diurna e acquisizione nelle ore notturne. Questi sistemi fotovoltaici si dividono in: Sistemi isolati: sono impianti fotovoltaici dimensionati e configurati in modo da poter soddisfare in completa autonomia la domanda energetica dell''utenza, in qualsiasi condizione di luminosità. Sistemi connessi in rete: sono impianti che producono energia elettrica per l''utenza e cedono la quantità prodotta in eccedenza alla rete elettrica durante il giorno, mentre nelle ore notturne sfruttano l''allacciamento per l''alimentazione tradizionale, dal momento che il generatore fotovoltaico è inattivo. Per quanto riguarda i principali elementi di un sistema isolato questo è composto principalmente da: - SUPERFICIE FOTOVOLTAICA: generatore vero e proprio, composto dall''insieme dei moduli fotovoltaici direttamente esposti alla radiazione solare. - REGOLATORE DI CARICA: dispositivo finalizzato alla protezione degli accumulatori da eventuali anomalie di esercizio, come carica eccessiva dal generatore o scariche troppo profonde. La sua funzione protettiva si estende anche all''alimentazione delle utenze finali e alla protezione dell''impianto dai fulmini. - MPTT: dispositivo aggiunto che viene abbinato al precedente per ottimizzare il funzionamento del sistema. - ACCUMULO: insieme degli accumulatori elettrici (parco batterie) che garantiscono l''alimentazione dei carichi anche in condizioni di soleggiamento non ottimali: pertanto rappresentano un elemento fondamentale del sistema. - UTENZA: il carico che la caratterizza varia a seconda dei contesti applicativi, in special modo se si tratta di apparecchiature e dispositivi di illuminazione. Per quanto riguarda i principali elementi di un sistema connesso in rete questo è composto principalmente da: - SUPERFICIE FOTOVOLTAICA: generatore vero e proprio, composto dall''insieme dei moduli fotovoltaici direttamente esposti alla radiazione solare. Capitolo 4- L''energia dal sole e gli impianti solari 91 - BOS: insieme di tutta la componentistica che costituisce il sistema fotovoltaico, ad esclusione dei moduli. - INVERTER: dispositivo indispensabile per l''interfaccia con le utenze in corrente alternata direttamente servite dal sistema e con la rete distributiva. - CARICO: per la loro applicabilità in ambiente urbanizzato e urbano le tipologie di utenze servite possono essere le più svariate. Nella quasi totalità dei casi comunque i carichi necessitano di alimentazione in corrente alternata. 4.3.1 Dimensionamento del fotovoltaico Per avere una stima sufficientemente accurata della produzione, in questo caso mensile, di un impianto si utilizza la seguente espressione: Q = Stot*η* K*G Dove: - Q è l''apporto energetico annuale - Stot è la superficie complessiva di captazione pari a 20 m 2 - η indica il rendimento dei pannelli e si considera un valore di 0,15 - K è il rendimento dell''impianto e si considera un valore di 0,90 - G è la radiazione media giornaliera riportata al mese La superficie disponibile per il posizionamento dei pannelli è di 40 m 2 ma si è deciso di installare un kit da 3 kW composto di 13 pannelli per una superficie captante complessiva di 21.45m 2 dei quali 20 sono quelli effettivi. Grazie ai valori della radiazione media giornaliera ottenibili dall''Atlante Europeo, si è potuto ottenere i valori che è possibile consultare nella pagina successiva: Capitolo 4- L''energia dal sole e gli impianti solari 92 Tabella 22: Produttività mensile impianto solare fotovoltaico La produttività totale dell''impianto fotovoltaico è di 3959 kWh/anno che sono esuberanti rispetto al consumo annuo dell''abitazione che è di circa 3700 kWh/anno. Inoltre considerando che adesso la produzione di ACS è affidata all''impianto solare termico, il consumo annuo di energia elettrica è di 1040 kW/h. 4.3.2 Incentivi fotovoltaico: il V conto energia Esistono degli incentivi europei per l''installazione di impianti fotovoltaici connessi alla rete elettrica per la produzione di energia elettrica. Con il D.Lgs n. 387 del 2003, l''Italia ha recepito la direttiva comunitaria sugli incentivi per il fotovoltaico (Direttiva 2001/77/CE) e, dal 2005 ha attivato il Conto Energia. Il Conto Energia (abbreviato C.E.) è un meccanismo di incentivi fotovoltaico, che ha lo scopo di incentivare l'installazione di impianti solari fotovoltaici in Italia. Mese Radiazione media Giornaliera G[kWh/m 2gg] Produttività giornaliera Qg = Stot*η*K*G [kWh/mese] Produttività mensile ideale Qmi = Qg*gg [kWh/mese] Produttività mensile reale (-2.5%) Qmr = 0.975*Qmi [kWh/mese] Gennaio 1.85 5.06 151.95 148.15 Febbraio 2.72 7.45 223.40 217.82 Marzo 3.99 10.92 327.71 319.52 Aprile 4.94 13.52 405.74 395.60 Maggio 6.09 16.67 500.20 487.69 Giugno 6.68 18.29 548.66 534.94 Luglio 6.54 17.91 537.16 523.73 Agosto 5.64 15.44 463.24 451.65 Settembre 4.37 11.96 358.93 349.95 Ottobre 3.08 8.43 252.97 246.65 Novembre 1.89 5.17 155.23 151.35 Dicembre 1.40 3.83 114.99 112.11 Capitolo 4- L''energia dal sole e gli impianti solari 93 In pratica il Conto Energia è un programma europeo di incentivazione in conto esercizio della produzione di energia elettrica da fonte solare mediante impianti fotovoltaici connessi alla rete elettrica. Il Conto Energia è stato introdotto in Italia con il D.M. 28/07/2005, che ha recepito la Direttiva 2001/77/CE (direttiva europea per le fonti rinnovabili di energia). Regolamentazione del Conto Energia in Italia Gli incentivi per il fotovoltaico, sono stati regolamentati, a seconda del periodo, da vari Decreti Ministeriali: - Quinto Conto Energia (2012-): DM 05/07/2012 - Quarto Conto Energia (2011-2012): DM 05/05/2011 - Terzo Conto Energia (2010-2011): DM 06/08/2010 - Secondo Conto Energia (2007-2010): DM 19/02/2007 - Primo Conto Energia (2005-2007): DM 28/07/2005 e DM 06/02/2006 Rispetto alle precedenti versioni del Conto energia, il V introduce il meccanismo della tariffa onnicomprensiva per il fotovoltaico: si tratta di una tariffa che accorpa in sé sia il valore dell'incentivazione sia quello dell'energia ceduta alla rete. La tariffa onnicomprensiva si applica quindi all'energia immessa in rete e che è data dalla differenza tra l''energia totale prodotta dall''impianto e quella consumata usufruendo del funzionamento dell''impianto fotovoltaico e cioè durante le ore diurne. Si è scelto di considerare un 55% di consumo nelle ore diurne pari a 579,95 kWh mentre l''energia consumata senza il contributo dei pannelli è di 460,05 kWh. Per cui l''energia immessa in rete è di: Energia Immessa in Rete = 3959,02 '' 460,05 = 3379,06 kWh A ciascun chilowattora immesso in rete verrà applicata la tariffa omnicomprensiva pari a 0,228 '/kWh ,maggiorata di 0,02 '/kWh per il fatto che il pannello utilizzato è 'Made in Italy'. Questo incentivo avrà una durata di 20 anni. L'energia che invece non viene immessa, ma è auto-consumata, godrà di un premio, definito premio per l'autoconsumo e che è pari a 0,146 '/kWh per ogni chilowattora prodotto dal fotovoltaico e anch''esso della durata di 20 anni. Infatti, la tariffa premio per autoconsumo definita nel quinto conto energia si calcola sulla quantità di energia elettrica prodotta dal Capitolo 4- L''energia dal sole e gli impianti solari 94 nostro impianto e consumata contemporaneamente dalla nostra utenza ed è pari a 579,95 kWh. Inoltre, tale quantità di energia consumata col fotovoltaico, rappresenta una quantità di energia risparmiata, quindi un mancato esborso per autoconsumo che si andrà a sommare al premio per l''autoconsumo con una tariffa di 0,1912 '/kWh pari a quella che si sarebbe dovuta pagare al fornitore elettrico. Ecco una tabella riassuntiva delle tariffe applicate per un impianto che entra in funzione nel primo semestre di applicazione. Per ogni semestre di ritardo dell''entrata in funzione dell''impianto, alle tariffe specificate viene attribuita una riduzione. Le tariffe nella tabella sottostante, non tengono conto della maggiorazione di 0,02 '/kWh dovuta al fato che l''impianto fotovoltaico è ''Made in Italy'. Tabella 23: Tariffa omnicompresnsiva e tariffa premio sull''energia consumata Il passaggio dal vecchio sistema al nuovo, basato su tariffa onnicomprensiva e autoconsumo, ha importanti ripercussioni. Infatti diviene molto importante capire quale è la quota di autoconsumo sul totale dell'energia prodotta: maggiore è questo valore, maggiore sarà la redditività dell'impianto. Infatti il premio per l'autoconsumo è inferiore al valore della tariffa onnicomprensiva, ma se lo si somma al valore dell'energia risparmiata (indicativamente intorno a 0,19 '/kWh) diviene decisamente maggiore. Capitolo 4- L''energia dal sole e gli impianti solari 95 Un inconveniente che potrebbe verificarsi è che il presente decreto cessa di applicarsi, in ogni caso, decorsi trenta giorni solari dalla data di raggiungimento di un costo indicativo cumulato di 6,7 miliardi di euro l''anno. La data di raggiungimento del predetto valore di 6,7 miliardi di euro l''anno viene comunicata, sulla base degli elementi forniti dal GSE, dall''Autorità per l''energia elettrica e il gas. Tornando a considerare il caso in esame , se si ipotizza un decadimento annuale del rendimento del pannello di 0,85% si ottengono i seguenti risultati. Il calcolo è stato effettuato per mezzo di un foglio di lavoro Excel che è possibile scaricare dal sito dell''Associazione Tecnici Energie Rinnovabili ( ATER ) dove si tiene conto di tutti i possibili fattori: Figura 31: Foglio di calcolo per il calcolo dei tempi di ritorno del fotovoltaico '/kWp '/anno ' 22.50 '/kWp '/anno ' 24.00 '/kWp '/anno ' 33.00 kWh Tasso di Inflazione ipotizzato 3.00% Incremento Costo Acquisto Energia 3.50% Costi di Manutenzione Ordinaria ('/anno) Accantonamento Manutenzione Straordinaria ('/anno) Costi Assicurativi ('Anno) Costo Impianto (Iva Esclusa) '/kWp ' 2,175.67 Tipologia Impianto 3,750 Tariffa Omnicomprensiva Conto Energia ' 0.2280 Data Entrata in Esercizio Impianto ' 0.0750 ' 0.1018 ' 0.0858 Costo totale dell'impianto (iva Esclusa) 1°Scaglione 2°Scaglione 3°Scaglione Tipologia Cliente Finale Tipologia Schema Incentivante 25,000 2,000,000 Tariffa di Vendita Energia ' 6,527.00 Tariffa GSE Premio per Autoconsumo ' 0.1460 Tariffe V° Conto Energia Regime contrattuale GSE Capitolo 4- L''energia dal sole e gli impianti solari 96 Figura 32: Evoluzione dei flussi economici Cliente: Data: Località: Tilt: 20 Azimut: -30 3.00 ' 2,175.67 si no 0.228 0.146 85.35% Rata: ' 737 Potenza installata [kWp] Costo impianto totale (netto IVA) ['/kWp] ' 6,527.00 Costo '/kWp Installazione Componenti Europei P I A N O E C O N O M I C O F I N A N Z I A R I O I N V E S T I M E N T O - Q U A D R O C O M P L E S S I V O D I S I N T E S I Andrea Batini Ubicazione: Campo nell'Elba 28/10/12 Vallebuia Orientamento: Posizione e Altitudine: Rimozione Eternit Tipologia Installazione Imp. Fotovol. Impianti Fotovoltoltaici - Installazione su Edifici Data Presunta Allaccio 140m 30/12/2012 Dati Primo Anno: Produzione kWh: 3,959.02 Quota Autoconsumata: Tariffa Omnicomprensiva ['/kWh] Tariffa Premio Su Autoconsumo ['/kWh] Decadimento annuo produzione Imp. FV 0.85% 579.95 Autoconsumo % sull'Energia Prodotta: 14.65% Immissione in rete % sulla produzione: Consumi Residui (kWh): 460.05 Energia Immessa in Rete: 3,379.06 Dati Finanziamento: Ipotesi Finanziamento del 80% in 10 anni con tasso del 5% Quota Totale Interessi Versati: ' 1,625.15 [kWh] Anno Producibilità Ricavi Flussi cumulati Ricavi Flussi cumulati 0 0.00 ' 0 -' 7,180 ' 0 -' 1,436 ' 0 ' 0 ' 0 ' 0 1 3,959.02 ' 886 -' 6,293 ' 886 -' 1,286 ' 770 ' 85 ' 111 -' 80 2 3,925.36 ' 883 -' 5,410 ' 883 -' 1,140 ' 764 ' 84 ' 115 -' 80 3 3,892.00 ' 880 -' 4,530 ' 880 -' 997 ' 757 ' 83 ' 119 -' 80 4 3,858.92 ' 877 -' 3,653 ' 877 -' 857 ' 751 ' 83 ' 123 -' 80 5 3,826.12 ' 874 -' 2,779 ' 874 -' 720 ' 745 ' 82 ' 127 -' 80 6 3,793.59 ' 872 -' 1,908 ' 872 -' 585 ' 738 ' 81 ' 132 -' 80 7 3,761.35 ' 869 -' 1,038 ' 869 -' 453 ' 732 ' 80 ' 136 -' 80 8 3,729.38 ' 867 -' 171 ' 867 -' 323 ' 726 ' 80 ' 141 -' 80 9 3,697.68 ' 865 ' 694 ' 865 -' 194 ' 720 ' 79 ' 146 -' 80 10 3,666.25 ' 863 ' 1,557 ' 863 -' 68 ' 713 ' 78 ' 151 -' 80 11 3,635.08 ' 862 ' 2,419 ' 862 ' 794 ' 707 ' 78 ' 156 -' 80 12 3,604.19 ' 861 ' 3,280 ' 861 ' 1,655 ' 701 ' 77 ' 162 -' 80 13 3,573.55 ' 860 ' 4,140 ' 860 ' 2,515 ' 695 ' 76 ' 168 -' 80 14 3,543.17 ' 859 ' 4,999 ' 859 ' 3,374 ' 690 ' 76 ' 173 -' 80 15 3,513.06 ' 859 ' 5,858 ' 859 ' 4,233 ' 684 ' 75 ' 179 -' 80 16 3,483.20 ' 859 ' 6,717 ' 859 ' 5,092 ' 678 ' 74 ' 186 -' 80 17 3,453.59 ' 859 ' 7,575 ' 859 ' 5,950 ' 672 ' 74 ' 192 -' 80 18 3,424.23 ' 859 ' 8,435 ' 859 ' 6,809 ' 666 ' 73 ' 199 -' 80 19 3,395.13 ' 860 ' 9,294 ' 860 ' 7,669 ' 661 ' 73 ' 206 -' 80 20 3,366.27 ' 861 ' 10,155 ' 861 ' 8,530 ' 655 ' 72 ' 213 -' 80 21 3,337.66 ' 141 ' 10,296 ' 141 ' 8,671 ' 221 -' 80 22 3,309.29 ' 149 ' 10,445 ' 149 ' 8,820 ' 228 -' 80 23 3,281.16 ' 157 ' 10,602 ' 157 ' 8,977 ' 236 -' 80 24 3,253.27 ' 165 ' 10,767 ' 165 ' 9,142 ' 245 -' 80 25 3,225.61 ' 174 ' 10,941 ' 174 ' 9,316 ' 253 -' 80 Tot 89,508.10 ' 18,120 ' 10,941 ' 18,120 ' 9,316 ' 14,226 ' 1,563 ' 4,319 -' 1,988 SENZA EVOLUZIONE FLUSSI ECONOMICI - 5° CONTO ENERGIA CON FINANZIAMENTO Tariffa Omnicomp r. Premio Autocons. Mancato Esborso x
Autocons.
Spese manutenz. accantonam . assicuraz. Capitolo 4- L''energia dal sole e gli impianti solari 97 Figura 33: Produttività mensile impianto fotovoltaico Figura 34: Grafico che descrive il flusso economico e il tempo di ritorno dell''investimento Capitolo 4- L''energia dal sole e gli impianti solari 98 4.4 Costo complessivo dell''impianto solare. Questo particolare pannello solare, come già descritto in precedenza, racchiude in sé sia la funzione di pannello solare termico della potenza di 800 W, sia quella di pannello fotovoltaico della potenza di 800 W. Il prezzo del kit da 3 kW composto da: - N. 13 moduli ibridi Anaf Solar HNRG da 230w - N. 1 inverter Solarmax 3000s - N.1 kit idraulico è di 6527 ' al quale va aggiunto un serbatoio da 800 litri a doppia serpentina, una per lo scambio termico con il fluido in circolo nei pannelli e l''altra dedicata alla caldaia. Il prezzo di questo tipo di serbatoio si aggira sui 2000 '. Considerando poi tutte le tubazioni necessarie, la pompa per la circolazione del fluido e il costo di installazione e montaggio, si deve aggiungere una cifra di circa 2000 '. Si può quindi stimare il costo complessivo dell''impianto solare in 10500 '. 4.5 Installazione dei pannelli radianti Ad integrazione dell''impianto solare termico è necessario installare dei pannelli radianti su tutta la superficie dell''abitazione. Questi pannelli consentono il riscaldamento dell''edificio utilizzando acqua a bassa temperatura, circa 30 - 35°C. Nella seconda parte di questa tesi, questi sistemi di riscaldamento, verranno trattati approfonditamente. Qui, invece, si vuole solo dare una descrizione del modello di pannello scelto e dei relativi costi. Figura 35: Pannelli radianti a pavimento Capitolo 4- L''energia dal sole e gli impianti solari 99 Il sistema viene realizzato inserendo un isolante nel sottofondo del pavimento, stendendo poi sopra una serie di tubazioni che costituiscono una serpentina di tubo flessibile (negli impianti moderni generalmente in polietilene reticolato), realizzando un sistema a chiocciola per ogni stanza. Successivamente si annega l'opera costruita nel massetto di posa del rivestimento (solitamente piastrelle). E'' stato scelto un pannello dell''azienda Rossato Group con tubi da 16mm disposti secondo un interasse di 20 cm e un pannello isolante di 30 mm di spessore. Dal sito del produttore è stato possibile ricavare il prezzo dei vari materiali necessari all''installazione. Il costo di questo tipo di impianti, considerando che per un metro quadro occorrono 5 metri di tubo, si aggira intorno ai 30 '/m 2 come si evince dalla seguente tabella: Figura 36: Costo dei componenti per l''impianto a pannelli C''è poi da considerare la demolizione del pavimento e del massetto esistente per poter posare i pannelli radianti che è stimabile in circa 16 '/m 2 e il conseguente rifacimento degli stessi. Si è stimato che il costo di questo intervento sia circa pari al costo d''acquisto del materiale. Considerando che la superficie interessata è di 80 m 2 la somma complessiva dell''intervento ammonta a circa 8000 '. Capitolo 4- L''energia dal sole e gli impianti solari 100 4.6 Calcolo del FAEP allo stato modificato definitivo A seguito degli interventi apportati alla struttura si riportano i valori del nuovo FAEP: Tabella 24: Fabbisogno riscaldamento del subalterno [kWh] Dove: - Qtr = scambio termico per trasmissione - Qv = scambio termico per ventilazione - Qht = scambio termico per trasmissione e ventilazione - Qint = apporti termici interni - Qsol,i = apporti termici solari attraverso superfici trasparenti - Qsol,e = apporti termici solari attraverso superfici opache - QH = fabbisogno ideale di energia termica dell''edificio - Qgn,out = energia termica in uscita al sottosistema di generazione - Qgn,out,nr = quota non rinnovabile dell''energia termica in uscita al sottosistema di generazione - Qp = fabbisogno di energia primaria del sistema edificio impianto Dai dati forniti, risulta che il FAEP per la climatizzazione invernale è pari a 301.1 kWh/anno e considerando il potere calorifico del gasolio, pari a 9.95 kWh/l, si deduce che il consumo annuo di gasolio per il riscaldamento ammonta a 30 litri che corrispondono a circa 50 '/anno. Mese Qtr Qve Qht Qint Qsol,i Qsol,e QH Qgn,out Qgn,out,nr Qp Novembre 182.5 46.1 228.6 124.4 107.0 13.3 30.7 54.2 0.0 0.0 Dicembre 501.4 131.8 633.1 241.0 174.3 21.7 218.2 273.6 37.0 109.2 Gennaio 594.0 158.4 752.5 241.0 198.9 24.7 303.2 363.9 46.0 118.6 Febbraio 531.3 141.6 672.9 217.6 225.9 27.7 226.7 278.6 0.0 0.0 Marzo 437.6 113.4 551.1 241.0 324.3 38.9 69.2 115.2 2.4 73.3 TOT. 2246.9 591.3 2838.2 1064.9 1030.4 126.3 848.1 1085.5 549.7 301.1 Capitolo 4- L''energia dal sole e gli impianti solari 101 Mese QH Qgn,out Qgn,out,nr Qp Gennaio 115.8 197.3 26.6 28.8 Febbraio 104.6 178.2 0.0 0.0 Marzo 115.8 197.3 3.6 3.9 Aprile 112.1 190.9 20.9 22.7 Maggio 115.8 197.3 17.6 19.1 Giugno 112.1 190.9 9.5 10.3 Luglio 115.8 197.3 4.0 4.4 Agosto 115.8 197.3 4.5 4.9 Settembre 112.1 190.9 10.0 10.9 Ottobre 115.8 197.3 17.5 19.0 Novembre 112.1 190.9 11.2 12.1 Dicembre 115.8 197.3 27.1 29.4 TOT. 1363.7 2322.7 152.5 165.5 Tabella 25: Fabbisogno acqua calda sanitaria del subalterno [kWh] Dai dati forniti, risulta che il FAEP per la produzione di ACS, adesso affidata non più al boiler elettrico ma alla caldaia già presente in origine e messa in collegamento col serbatoio di accumulo, è pari a 165.5 kWh/anno. Considerando il potere calorifico del gasolio, pari a 9.95 kWh/l, si deduce che il consumo annuo di gasolio per l''ACS ammonta a 16,6 litri che corrispondono a circa 27 '/anno. Sommando il consumo per il riscaldamento e quello per l''ACS il costo totale risulta di 77 '/anno. Capitolo 4- L''energia dal sole e gli impianti solari 102 Con questi interventi si ottengono significativi miglioramenti di efficienza energetica come si evince dalla diminuzione dell''inice EPgl. EPi [kWh/m 2] EPACS [kWh/m 2] EPe,inv [kWh/m 2] 3.764 2.069 38.265 Dove: - EPi = Indice di energia primaria per il riscaldamento - EPACS = Indice di energia primaria per l''A.C.S. - EPe,inv = Indice involucro Dalle immagini sottostanti si può verificare che l''edificio dopo un primo step di interventi, ha raggiunto la classe energetica A+. Figura 37: Classe A+: classificazione energetica allo stato modificato definitivo Capitolo 4- L''energia dal sole e gli impianti solari 103 Figura 38: Classe A+: classificazione energetica allo stato modificato definitivo Capitolo 4- L''energia dal sole e gli impianti solari 104 4.7 Valutazioni economiche e tempi di ritorno Per valutare l''investimento proposto si procede come fatto per gli interventi precedenti. Ricapitolando, il complesso di investimenti al netto dell''IVA si può così riassumere: Investimento Iniziale I0 = 8868 ' Isolamento Termico + 5500 ' Sostituzione Infissi + 10500 ' Impianto Solare PVT + 8000 ' Pannelli Radianti = 32868 ' TOTALI Se poi si considera l''IVA al 10% applicata all''investimento iniziale, si ottiene una cifra di 36156 '. Il fabbisogno di acqua ( 95 ' ) è rimasto inalterato, non avendo eseguito interventi per il suo miglioramento. Il consumo di gasolio si è limitato a soli 77 ' mentre il consumo di energia elettrica si è annullato. Dobbiamo poi considerare gli incentivi derivanti dalle detrazioni IRPEF del 55%, che in questo caso sono applicabili a tutti gli interventi eseguiti, e l''incentivo derivante dal conto energia che è stimabile in 850 '/anno. In definitiva avremo che i flussi di cassa diventano i seguenti: Vt = 2626 + 850 + ( 0,55*32868 )/10 - 95 '' 77 = 5112 '/anno Applicando la formula di attualizzazione dei flussi di cassa già vista in precedenza si otterrà che il tempo di ritorno dell''investimento è di t = 9 anni. 105 PARTE II Confronto fra pannelli radianti a pavimento e a soffitto 106 Capitolo 5 Il comfort degli ambienti confinati Capitolo 5- Il comfort degli ambienti confinati 107 5.1 Termoregolazione del corpo umano Dal punto di vista termodinamico il corpo umano appare come un sistema complesso, destinato ad esplicare attività intellettuali e fisiche, che interagisce con l''esterno tramite scambi di massa e di energia. Nella fisiologia della termoregolazione il corpo umano generalmente viene suddiviso in due zone principali: una esterna, costituita dalla pelle e dai tessuti sottocutanei, e una interna, o nucleo, comprendente gli organi vitali. Le due zone sono caratterizzate da temperature diverse. La temperatura della zona interna, tn, in un soggetto sano è quasi costante ed è mediamente uguale a 37 °C, variando di circa ± 0,5 °C nell''arco della giornata secondo il ritmo cardiaco. La temperatura media della zona esterna, detta anche temperatura della pelle, tp, è molto variabile: 4 °C per le dita, 17 °C per la fronte fino ad un massimo di 45 °C. Al fine di garantire i processi vitali, la temperatura interna, tn, deve mantenersi attorno al valore di 37 °C. La funzione di conservare ''quasi' isotermo il nucleo del corpo è delegata al sistema di termoregolazione: i recettori termici (le terminazioni nervose) inviano segnali all''ipotalamo che li confronta con i valori di riferimento delle temperature ed eventualmente attiva il meccanismo necessario a mantenere l''omeotermia del corpo, interviene quindi cercando di portare il corpo verso condizioni di scambio termico che assicura l''equilibrio. I recettori del freddo, che reagiscono alle basse temperature, sono localizzati essenzialmente in periferia mentre i recettori del caldo, che reagiscono alle alte temperature, sono localizzati nel cervello. Le variazioni della temperatura, tn, possono essere provocate o da fattori esterni al corpo, come, per esempio, le condizioni dell''ambiente in cui esso si trova immerso, o da fattori interni come affezioni o malattie. Questi ultimi non saranno trattati in quanto esulano dagli scopi specifici di questa tesi. Capitolo 5- Il comfort degli ambienti confinati 108 5.2 Bilancio di energia sul corpo umano Il corpo umano, come ogni altro sistema termodinamico, deve soddisfare i bilanci di energia e di massa. Il bilancio di energia sul corpo può essere scritto nel seguente modo: |qM| - |qT| - |P| - |qAt| = 0 Dal punto di vista energetico globale, al corpo umano viene fornito un flusso di energia chimica (qN) sotto forma di sostanze nutritive assimilate e vengono scambiati con l''ambiente circostante flussi termici (qT) e potenza meccanica (P). Istante per istante, tra qN e (qT + P) non c''è di solito equilibrio e la loro differenza deve quindi corrispondere a flussi di energia accumulata nel corpo (qA), che vengono riutilizzati o immagazzinati. L''energia consumata dal corpo per le sue attività vitali, origina un flusso termico interno (qM) che prende il nome di flusso metabolico o metabolismo che risulta essere sempre positivo, e che può essere definito come il calore prodotto internamente al corpo a seguito dell''assimilazione delle sostanze nutritive e di accumulo, in funzione del tipo di attività che il corpo è chiamato a svolgere. E'' misurato nell''unità incoerente ''Met', termine derivato da ''Methabolic Rate', il cui valore unitario viene fatto corrispondere al flusso metabolico di un individuo sveglio a riposo (1 Met = 58,2 W/m2 = 50,0 Kcal/hm2). Dell''energia immagazzinata, una prima parte, qAg, resta come energia chimica sotto forma di sostanze di riserva (grassi), una seconda parte è rappresentata dal flusso termico qAt che corrisponde alle variazioni di energia interna del corpo e quindi della sua temperatura tn. La potenza meccanica (P) che il corpo cede all''ambiente, rappresenta l''energia che, nell''unità di tempo, l''uomo scambia con l''ambiente sotto forma di lavoro meccanico ed è funzione della sola attività svolta: distinguiamo lavoro leggero (P = 49 W = 1/15 CV) e lavoro pesante (P = 196 W = 4/15 CV). Capitolo 5- Il comfort degli ambienti confinati 109 La potenza media di un uomo viene indicata comunemente in 1/10 CV = 73 W. Spesso, per le attività che si svolgono negli edifici civili, cui sono associati bassi valori della potenza metabolica, la potenza meccanica viene assunta pari a 0. Gli scambi termici (qT) che il corpo umano può assicurare con l''ambiente che lo circonda possono essere distinti in scambi che avvengono alla superficie esterna del corpo (qTe) e scambi che si attuano nel cavo polmonare (qTi). Tali scambi possono essere ulteriormente distinti in sensibili (qS) e latenti (qL) a seconda che essi avvengano per effetto di una differenza di temperatura oppure a temperatura costante, per effetto di un potenziale di tipo diverso. Vale pertanto la relazione: qT = qTe + qTi = (qSe + qLe) + (qSi + qLi) Lo scambio termico sensibile alla superficie esterna del corpo umano (qSe) si può distinguere nelle tre componenti dovute alla conduzione (CK), alla convezione (C) ed all''irraggiamento (R). Pertanto: qSe = CK + C + R Il termine CK rappresenta la potenza termica dispersa per conduzione ed è legato agli scambi termici attraverso le superfici di appoggio e di contatto del corpo con corpi a temperatura diversa. La potenza termica dispersa per conduzione risulta, per effetto delle piccole superfici in gioco e per i modesti salti di temperatura, normalmente trascurabile rispetto agli altri termini. La potenza termica dispersa per convezione, C, è funzione: - della superficie di scambio,Se, che assume valore minimo pari alla superficie corporea, Sp, nel caso di corpo nudo e viene opportunamente aumentata dalla presenza degli abiti attraverso il ''fattore di vestiario' che assume valori sempre maggiori di 1. - della temperatura media della superficie di scambio, te, che corrisponderà alla temperatura della pelle, tp, per il corpo nudo (data la differenza notevole di questo parametro tra punto e punto della superficie viene valutato sperimentalmente come media di 10 misure in vari punti del corpo stesso), mentre assumerà valori minori se il corpo è coperto da abiti di diversa estensione e resistenza termica. Capitolo 5- Il comfort degli ambienti confinati 110 - della temperatura dell''aria, ta. - del coefficiente di convezione, αc, della differenza di temperatura tra superficie e fluido, e della velocità del fluido, va, la cui determinazione è possibile mediante relazioni analitiche. La potenza termica dispersa per irraggiamento, R, è funzione: - della temperatura assoluta della superficie del corpo; pari ancora a quella della pelle per un corpo nudo e a quella media dei vestiti e della pelle per un corpo vestito. - della temperatura media radiante assoluta delle superfici che circondano il corpo; può essere definita come la temperatura di un ambiente fittizio termicamente uniforme che scambierebbe con l''uomo la stessa potenza termica radiante scambiata nell''ambiente reale. - del fattore di radiazione mutua. Emerge la necessità di tener conto della resistenza media del vestiario Rv. Essa è definita come: dove C'j sono le conduttanze unitarie pari al rapporto tra conducibilità termica e spessore dei vari strati di vestiario e delle intercapedini di aria disposte in serie. L''unità di misura è il ''clo' (termine derivato da clothing). Nel S.I. 1 clo = 0,155 m2K/W = 0,180 m2Kh/Kcal. Lo scambio termico latente alla superficie esterna del corpo umano (qLe) corrisponde all''evaporazione, a spese del calore del corpo, di una certa quantità di sudore. Nel caso di corpo vestito bisogna tener conto del fattore di resistenza degli abiti indossati; termine compreso tra 0 e 1. Gli scambi termici nel cavo polmonare (qTi) sono strettamente legati alla portata di aria che viene introdotta nel cavo polmonare. Le condizioni di equilibrio termiche cercate si hanno quando qAt = 0 e pertanto all''equilibrio: |qM| - |qT| - |P| = 0 Capitolo 5- Il comfort degli ambienti confinati 111 Dall''equazione sopra citata risulta evidente che (essendo qM > 0) i due termini qT e P dovranno dare una somma che risulta negativa e quindi dovranno corrispondere ad una potenza ceduta dal corpo. 5.3 Il comfort termico Dal punto di vista fisiologico condizione necessaria perché vi sia comfort termico è che l''energia interna del corpo umano non aumenti né diminuisca, per cui, la condizione di comfort termico o benessere termico è definita come quello stato psicofisico in cui il soggetto esprime soddisfazione nei riguardi del microclima; in altri termini come la condizione in cui il soggetto non ha né la sensazione di caldo né quella di freddo, condizione che si dice di ''neutralità termica'. Tale condizione si potrà ottenere mediante opportune modifiche del flusso termico (qT) scambiato dal corpo con l''ambiente. I diversi meccanismi di scambio sono regolati dal sistema centrale di regolazione del corpo umano che, interviene affinché sia assicurato l''equilibrio. Tali interventi, di modesta entità, spesso si rivelano insufficienti. Risultano pertanto necessari interventi ''ragionati' sulle condizioni ambientali. La sensazione provata da un individuo è dovuta essenzialmente alle condizioni ambientali ed alla sua attività, risulterà quindi funzione dei seguenti sei parametri: ' Temperatura dell''aria ambiente (t a) ' Temperatura media radiante delle pareti (t mr): media ponderata delle temperature delle pareti, del soffitto e del pavimento. ' Umidità relativa dell''ambiente (' a): quantità usata per misurare l'umidità presente nell'aria. ' Velocità dell''aria ambientale (v a) ' Attività svolta (q M) ' Vestiario indossato (Rv) Capitolo 5- Il comfort degli ambienti confinati 112 Una misura della sensazione, che ci permette di valutare lo scostamento dal comfort termico, verrà espressa mediante opportuni indici: ' indici di discomfort globale: si calcolano ipotizzando che le variabili ambientali siano uniformi nello spazio che circonda il soggetto ovvero che i loro valori siano proprio uguali ai rispettivi valori medi spaziali e misurano il discomfort negli ambienti ''termicamente moderati', ovvero in quegli ambienti nei quali l''obiettivo è l''avvicinamento alle condizioni di comfort termico. ' indici di discomfort locale: tengono conto della reale distribuzione spaziale delle variabili ambientali. Condizione necessaria e sufficiente affinché l''ambiente sia termicamente accettabile è che non vi sia discomfort globale e localizzato. Gli ''indici di discomfort globale' si dividono in indici di temperatura e indici di sensazione. ' Ai primi, indici di temperatura, appartiene una grandezza molto usata in ''passato': la temperatura effettiva teff o ET ma negli ultimi anni la teff è stata modificata per condizioni di soggiorno, dando origine ad una t*eff o ET* basata sulla sensazione provata con la stessa teff, ma con umidità relativa pari al 50%. L''indice ET* (New Effective Temperature '' Nuova Temperatura Effettiva), introdotto negli anni 70, è definito come la temperatura di un ambiente fittizio, a temperatura uniforme (ta = tr) e grado igrometrico dello 0,50, nel quale l''individuo scambierebbe per convezione, irraggiamento e evaporazione la stessa quantità di calore che scambia nell''ambiente reale, avendo la stessa temperatura della pelle (tp) e la stessa percentuale di pelle bagnata (w) che ha nell''ambiente reale. ' I secondi, indici di sensazione, esprimono la votazione che un soggetto darebbe al microclima secondo una scala di voti a sette valori nella quale lo zero centrale definisce il comfort termico ottimale dell'equazione. Uno di questi è il PMV ( Predicted Mean Vote '' Voto Medio Previsto ) che rappresenta la media dei voti espressi da un certo numero di persone (individuo medio) poste nelle stesse condizioni. Capitolo 5- Il comfort degli ambienti confinati 113 Gli ''indici di discomfort locale' sono sostanzialmente dovuti a tre cause: a) elevata differenza verticale della temperatura dell''aria o gradiente termico: generalmente negli ambienti chiusi esiste un gradiente verticale della temperatura dell''aria; in particolare la temperatura in prossimità del soffitto è maggiore di quella al pavimento. Questa differenza, oltre a comportare un maggiore consumo di energia nel caso di ambiente riscaldato, può comportare un discomfort localizzato per i soggetti esposti a quel microclima, che possono avvertire caldo alla testa e/o freddo ai piedi. E'' da sottolineare che mentre una temperatura a livello della testa maggiore di quella a livello delle caviglie può provocare discomfort localizzato, una temperatura a livello caviglie maggiore di quella a livello testa non comporta discomfort. b) pavimento troppo caldo o troppo freddo: influenza sulla sensazione termica: da una parte è determinante ai fini del valore della temperatura media radiante, dall''altra può causare discomfort locale ai piedi. Per stabilire il discomfort dovuto ad una temperatura del pavimento troppo bassa o troppo elevata, furono condotti esperimenti scarpe, estive e invernali in condizioni di comfort termico globale. Nel caso di persone sedute, generalmente si preferisce una temperatura più alta di circa 1 °C rispetto al caso di persone in piedi. c) correnti d''aria: il discomfort da corrente d''aria è definito come un raffreddamento indesiderato, dovuto al movimento dell''aria, localizzato ad una parte anche piccola del corpo umano. Tale discomfort dipende non soltanto dal valor medio della velocità, va, ma anche dalla temperatura, ta, e dall''intensità della turbolenza dell''aria, Tu. Le ricerche hanno evidenziato che al crescere della potenza metabolica la percentuale di insoddisfatti per corrente d''aria, a parità di ta, Tu e va, diminuisce. 114 Capitolo 6 Trasmissione del calore Capitolo 6- Trasmissione del calore 115 6.1 Modi di trasmissione del calore La trasmissione del calore riguarda tutti quei processi fisici nei quali una certa quantità di energia termica è trasferita spontaneamente da un sistema ad un altro a causa di una differenza di temperatura (detto comunemente salto di temperatura) fino al raggiungimento della temperatura di equilibrio termico. Tali processi avvengono secondo i principi della termodinamica: ' L''energia termica ceduta da un sistema deve essere uguale a quella ricevuta dall''altro.
' Il calore passa dal corpo più caldo a quello più freddo. Il trasferimento del calore può avvenire attraverso tre modalità: ' Conduzione
' Convezione
' Irraggiamento (o radiazione) 6.1.1 Conduzione La trasmissione per conduzione ha luogo nei corpi solidi e presuppone il contatto diretto tra gli oggetti che si scambiano il calore: passa dall''oggetto a più alta temperatura verso quello con temperatura minore nel punto di contatto delle superfici dei due oggetti per via dell''agitazione degli atomi. E'' dovuta quindi a fenomeni di tipo microscopico. La velocità con cui il calore viene trasmesso attraverso un materiale dipende dalla conduttività termica (conducibilità termica), k, di quel materiale espressa in W/m2K nel SI. I valori di k sono una misura della proprietà di un materiale di favorire il passaggio di calore attraverso di esso; dipende solo dalla natura del materiale, non dalla sua forma. I materiali che sono buoni conduttori elettrici, come l''alluminio e il rame, sono anche buoni conduttori di calore, perché nella loro struttura atomica sono presenti molti elettroni liberi capaci di trasportare il calore. Tipici esempi di conduzione all''interno di un locale sono rappresentati dai flussi attraverso i muri, i soffitti o le scarpe di una persona (la conduzione ha influenza diretta sul flusso termico tra la superficie del pavimento e il piede della persona), mentre l''aria ambiente non ne è direttamente influenzata. Capitolo 6- Trasmissione del calore 116 Consideriamo una parete piana in condizioni stazionarie, senza generazione interna di calore, a flusso monodimensionale, di materiale omogeneo e indichiamo con s il suo spessore e con S la superficie di una sua faccia. Se Ti > Te il calore passerà dalla faccia 1 alla faccia 2 attraverso la parete di spessore s seguendo un andamento lineare. In una parete costituita da strati di materiali differenti la trasmissione del calore avviene con una intensità diversa al variare del materiale. Possiamo considerare gli strati come delle resistenze poste in serie. La potenza termica totale trasferita sarà minore di quella che fluirebbe singolarmente in ciascun materiale. I muri delle abitazioni sono stratificati proprio per minimizzare il calore disperso attraverso essi. Figura 39: Andamento della temperatura nella parete 6.1.2 Convezione La convezione si ha quando uno dei due corpi interessati dallo scambio è un fluido. Prende il nome dai moti convettivi che si innescano per la differenza di temperatura tra le parti del fluido stesso. Il flusso termico convettivo coinvolge direttamente l''aria e quindi, direttamente ne influenza la temperatura. In un fluido a temperatura non uniforme, nel quale ci sono quindi zone più calde e zone più fredde, per effetto combinato della differenza di temperatura e della velocità del fluido stesso, si generano continui movimenti delle particelle del fluido, con conseguente miscelazione. Il fluido più caldo, quindi meno denso, riceve dal fluido più freddo e più denso una spinta verso l''alto e Capitolo 6- Trasmissione del calore 117 ne prende il suo posto, favorendo la trasmissione del calore dalle particelle più calde a quelle più fredde. Questa rappresenta la convezione naturale in cui il fluido si sposta solo per effetto delle variazioni di densità. Se invece i movimenti delle particelle del fluido sono imposti da cause meccaniche, il sistema, ad esempio, presenta una pompa di circolazione che impone una certa velocità al fluido, si parla di convezione forzata. Quest''ultima aumenta l''efficacia del processo di trasmissione del calore, in quanto un fluido in movimento forzato cede il proprio calore alle superfici circostanti, fredde, più velocemente di quanto avvenga con un moto spontaneo del fluido. La convezione forzata produce l''effetto di aumentare le differenze di temperatura tra i fluidi che si scambiano calore. Il flusso termico scambiato per convezione è dato dalla seguente relazione: Q = h S (Tp - T'') dove h è il coefficiente di scambio convettivo o trasmittanza W/m 2K; S è la superficie di scambio; Tp la temperatura della superficie di scambio; T'' la temperatura ad una distanza dalla superficie tale da non essere influenzata. 6.1.3 Irraggiamento Il trasferimento di energia termica per irraggiamento, contrariamente alla conduzione e alla convezione, non richiede la presenza di un mezzo materiale tra i sistemi interessati allo scambio termico. Il fenomeno fisico su cui è basato consente infatti di trasferire energia anche attraverso lo spazio vuoto, in assenza di materia. Si manifesta attraverso un flusso di onde elettromagnetiche, che si propagano alla velocità della luce, tra due superfici a diversa temperatura. Quindi l''irraggiamento non ha influenza diretta sulla temperatura dell''aria. Le proprietà di interazione della radiazione elettromagnetica con la materia dipendono fortemente dalla frequenza, f, e dalla lunghezza d''onda, λ. La radiazione compresa nella regione tra 0,1 e 100 µm è quella che ha il maggiore interesse per la trasmissione del calore (radiazione termica). Per valutare la radiazione termica emessa dai corpi alle diverse temperature e lunghezze d''onda è fondamentale introdurre il concetto di corpo nero: il corpo ''ideale' capace di emettere la Capitolo 6- Trasmissione del calore 118 massima energia termica raggiante ad ogni temperatura e lunghezza d''onda; la radiazione emessa è indipendente dalla direzione, per cui l''emissione è di tipo diffuso; tutta la radiazione incidente sulla superficie del corpo nero, viene da esso assorbita, da cui la denominazione di assorbitore ideale. Dal potere emissivo monocromatico, dato dalla legge di Plank, si può ricavare l''espressione del potere emissivo totale del corpo nero: Q = 'o · T 4
Tale relazione nota come legge di Stefan-Boltzlmann, permette di valutare la radiazione emessa in tutte le direzioni e su tutte le lunghezze d''onda in funzione della sola temperatura del corpo nero. 'o è detto coefficiente di irradiazione o costante di Stefan-Boltzlmann e dipende dalle condizioni fisiche della superficie e dalla natura del corpo, vale 5,67 x 10 -8 W/( K4m2), T è la temperatura in kelvin. L''energia emessa dai corpi reali risulta sempre inferiore a quella del corpo nero, e può in base ad essa essere valutata mediante l''introduzione di una proprietà radiativa nota come fattore di emissività. Dal punto teorico, l''emissività di una superficie, ε, può essere espressa come rapporto tra il flusso radiante totale emesso, q, rispetto a quello totale di un corpo nero, qo: ε = q / qo L''emissività di una superficie varia tra 0 e 1, dove 1 corrisponde alla emissività del corpo nero; generalmente le superfici emittenti comuni possono raggiungere emissività di 0,95. Una delle principali ipotesi da fare nello studio della trasmissione del calore per irraggiamento è quella di assimilare tutti i corpi a corpi grigi i quali presentano un valore costante di emissività indipendente dalla direzione e dalla lunghezza d''onda. Quando una radiazione termica incide su un corpo, una frazione α della totale potenza incidente è riflessa, cioè rinviata senza penetrare all''interno del materiale, un''altra frazione ρ è assorbita e costituisce un apporto energetico, e una terza frazione ' può essere trasmessa attraverso il corpo stesso. α + ρ + ' = 1 Capitolo 6- Trasmissione del calore 119 Generalmente le superfici chiare e lucide posseggono scarsa capacità di emissione radiante, perché tendono a riflettere il calore alla sorgente di provenienza, invece di assorbirlo. Al contrario, le superfici nere o opache, con scarse proprietà riflettenti, sono dotate di elevata capacità di assorbimento e di emissione di energia radiante. La radiazione ad elevata lunghezza d''onda riscalda le superfici circostanti come il mobilio o le altre pareti, le quali ''indirettamente' riscaldano l''aria per convezione. Lo scambio termico per radiazione tra i corpi dipende in generale dalle caratteristiche geometriche delle loro superfici, dall''orientazione relativa, dalla temperatura e dalle proprietà radiative stesse, bisogna pertanto conoscere grandezze geometriche note col nome di ''fattori di vista'. Il centro di una persona seduta è 0,6 m (1,0 m se in piedi) dal pavimento, quindi, nei confronti della persona il pavimento presenta normalmente il fattore di vista maggiore rispetto alle altre superfici (pareti, finestre, soffitto). E'' ovvio che essendo il pavimento la superficie più prossima alla persona seduta o in piedi al centro della stanza, lo scambio termico radiativo con il pavimento ha il peso più forte sulla temperatura media radiante percepita dalla persona. Questo peso aumenta al crescere dell''altezza del locale. Per una persona al centro della stanza, il fattore di vista con il pavimento è 0,32 se seduta e 0,24 se in piedi. Se la temperatura del pavimento cambia di 5 K e tutte le altre superfici mantengono la loro temperatura, allora la temperatura media radiante cambia di 2 K. La temperatura operativa cambia di 1 K. Detto in altro modo, 5 K di variazione della temperatura superficiale del pavimento hanno circa lo stesso effetto della variazione di 2 K della temperatura dell''aria. Invece, il fattore di vista con il soffitto varia tra 0,15 e 0,20, cioè di 1 K di variazione di temperatura sul pavimento produce lo stesso effetto sulla temperatura media radiante della variazione di circa 2,5 K della temperatura del soffitto. 6.1.3 Scambio termico combinato A seconda della natura dei corpi, nel fenomeno di trasmissione del calore, assume un ruolo predominante una modalità rispetto alle altre, oppure il calore viene trasferito grazie all''azione combinata di due o tutte e tre le modalità. Questo è dovuto alle caratteristiche Capitolo 6- Trasmissione del calore 120 fisiche dei corpi, quali la densità, la trasparenza, ecc. Il calore che si dissipa attraverso le pareti di una stanza verso l''ambiente esterno, attraversa i vari strati che costituiscono la parete per conduzione, mentre per convezione e irraggiamento gli spazi tra i mattoni occupati dall''aria. Dalla superficie esterna della stanza il calore viene ceduto all''ambiente esterno tramite convezione e irraggiamento. Se consideriamo, invece, una stanza in cui pavimento e soffitto sono a temperature diverse (TP > TS) il calore è scambiato dal pavimento al soffitto sia per convezione che per irraggiamento. Se non ci fosse l''aria quale mezzo convettore, e quindi ci fosse il vuoto, allora si avrebbe solo il fenomeno dell''irraggiamento e sarebbe scambiata tra le due strutture una quantità minore di calore. La potenza termica totale sarà data dalla somma della potenza scambiata per convezione e per irraggiamento. I due meccanismi di trasmissione agiscono in parallelo. Esiste infatti un''analogia con i circuiti elettrici che consente di analizzare i fenomeni di scambio termico combinato. Il flusso di corrente che circola nelle due resistenze R1 e R2, che rappresentano rispettivamente le resistenze di convezione ed irraggiamento, si comporta in maniera del tutto analoga alla quantità di calore che fluisce per un certo periodo tra i due corpi a causa della convezione e l''irraggiamento. Infatti il flusso di corrente totale è dato dalla somma delle correnti che circolano nelle due resistenze, così come la potenza termica totale è data dalla somma delle potenze termiche scambiate dai singoli meccanismi di trasmissione. 121 Capitolo 7 Gli impianti a pannelli radianti Capitolo 7 - Gli impianti a pannelli radianti 122 7.1 Note generali 7.1.1 I primi impianti di pavimento a caldo Risale a più di duemila anni fa l'idea di utilizzare i pavimenti come terminali per cedere calore. Sistemi di riscaldamento che si ispirano a tale idea furono realizzati da Cinesi, Egiziani e Romani. Il sistema adottato dai Cinesi e dagli Egiziani era alquanto semplice. Consisteva nel realizzare un focolare interrato e nel far passare i suoi fumi sotto il pavimento del locale da riscaldare: era in pratica un riscaldamento monolocale. I Romani, invece, utilizzavano sistemi molto più complessi ed evoluti. Con i fumi di un solo focolare esterno, essi riuscivano a riscaldare più locali e anche più edifici, realizzando così i primi impianti di tipo centralizzato. E' solo agli inizi di questo secolo, però, che il riscaldamento a pavimento appare nella sua configurazione attuale. Ed è un inglese, il professor Baker, il primo a coprire tale tipo di impianto con un brevetto dal titolo ''sistema per riscaldare i locali con acqua calda convogliata in tubi sotto pavimento'. A Londra, nel 1909, la Crittal Co. acquista i diritti del brevetto e col nuovo sistema realizza il riscaldamento del palazzo Royal River. Per assistere ad una significativa diffusione degli impianti a pannelli, bisogna comunque attendere il periodo delle grandi ricostruzioni del secondo dopoguerra. Gli impianti del secondo dopoguerra Nei primi anni del secondo dopoguerra, due sono i principali motivi che portano al diffondersi del riscaldamento a pannelli: la costante carenza di corpi scaldanti e la facilità d'inserimento dei pannelli nelle solette prefabbricate. La tecnica adottata è quella di annegare nei pavimenti, senza strati sottostanti di materiale isolante, tubi in acciaio da 1/2' o da 3/4'. Ben presto però si deve constatare che gli impianti realizzati causano numerosi disturbi fisiologici, quali ad esempio cattiva circolazione, innalzamento della pressione arteriosa, mal di testa, eccessiva sudorazione. Simili disturbi sono così gravi e documentati che alcuni paesi europei istituiscono apposite Commissioni per individuarne le cause. Capitolo 7 - Gli impianti a pannelli radianti 123 Cause di malessere fisiologico I risultati delle varie Commissioni d'inchiesta concordano nel sostenere che, negli impianti realizzati, le condizioni di malessere fisiologico sono da addebitarsi ai valori troppo elevati di due grandezze: 1) la temperatura superficiale del pavimento 2) l'inerzia termica delle solette. In particolare si dimostra che, per evitare sensazioni di malessere, la temperatura superficiale del pavimento non deve superare i 28÷29°C. Al contrario, negli impianti esaminati, si raggiungevano temperature molto più elevate, spesso superiori anche a 40°C. Di seguito si riporta una tabella riassuntiva: Tabella 26: Sensazione di comfort al variare della temperatura Capitolo 7 - Gli impianti a pannelli radianti 124 Si dimostra, inoltre, che il troppo calore accumulato nelle solette degli impianti realizzati comportava un surriscaldamento dei locali oltre livelli fisiologicamente accettabili. Le stesse Commissioni non emettono però alcun giudizio negativo nei confronti degli impianti a pannelli. Anzi dimostrano che questi impianti, se costruiti a bassa temperatura superficiale e ad inerzia termica non troppo elevata, possono offrire un comfort termico sensibilmente superiore a quello ottenibile con gli impianti a radiatori o a convettori. I nuovi impianti L'evento che di nuovo richiama l'attenzione su questi impianti è la crisi energetica degli anni Settanta. Sotto la spinta di tale crisi quasi tutti i paesi europei emanano leggi che impongono un buon isolamento termico degli edifici. ' così possibile riscaldare i locali con minor calore e quindi (nel caso dei pannelli) con temperature a pavimento più basse. Inoltre, nella maggior parte dei casi, il livello di isolamento imposto consente di riscaldare i locali con temperature del pavimento inferiori a quelle fisiologicamente ammissibili. Temperature più basse a pavimento consentono anche di ridurre l'inerzia termica dell'impianto. Un''ulteriore riduzione dell'inerzia termica è ottenuta realizzando pavimenti ''galleggianti' con isolamento termico sia sotto i pannelli, sia verso le pareti. E sono proprio queste novità, di ordine legislativo e tecnico, che consentono infine di poter realizzare impianti a pannelli sicuramente affidabili e con elevate prestazioni termiche. Attualmente in Europa i ''nuovi' impianti a pannelli sono realizzati soprattutto nei paesi nordici, dove conoscono un meritato ''successo' certamente dovuto ai vantaggi (di seguito analizzati) che essi possono offrire. 7.1.2 Vantaggi offerti dagli impianti a pannelli I principali vantaggi che gli impianti a pannelli possono offrire riguardano: - il benessere termico - la qualità dell'aria - le condizioni igieniche - l'impatto ambientale - il calore utilizzabile a bassa temperatura - il risparmio energetico Capitolo 7 - Gli impianti a pannelli radianti 125 Benessere termico Come evidenziato dalla curva ideale riportata nella pagina successiva, per poter assicurare in un locale condizioni di benessere termico si devono mantenere zone leggermente più calde a pavimento e più fredde a soffitto. Gli impianti che meglio si prestano a offrire tali condizioni sono quelli a pavimento radiante per i seguenti motivi: 1) la specifica posizione (cioè a pavimento) dei pannelli 2) il fatto che essi cedono calore soprattutto per irraggiamento, evitando così il formarsi di correnti convettive d'aria calda a soffitto e fredda a pavimento. Figura 40: Andamento dei flussi nel caso di radiatori e di pannelli Capitolo 7 - Gli impianti a pannelli radianti 126 Figura 41: Curve dell''andamento verticale della temperatura Capitolo 7 - Gli impianti a pannelli radianti 127 Qualità dell''aria Il riscaldamento a pannelli è in grado di evitare due inconvenienti tipici degli impianti a corpi scaldanti: 1) la combustione del pulviscolo atmosferico , che può causare senso di arsura e irritazione alla gola 2) l'elevata circolazione di polvere, che (specie nei locali poco puliti) può esser causa di allergie e difficoltà respiratorie. Condizioni igieniche Gli impianti a pannelli esercitano un'azione positiva nel mantenimento di buone condizioni igieniche ambientali, in quanto evitano: 1) il formarsi di zone umide a pavimento, sottraendo pertanto il loro ambiente ideale ad acari e batteri 2) l'insorgere di muffe (e della relativa fauna batterica) sulle pareti che confinano coi pavimenti caldi. Impatto ambientale Nelle costruzioni nuove e negli interventi di recupero con rifacimento dei pavimenti, gli impianti a pannelli sono gli impianti a minor impatto ambientale per tre motivi: 1) non pongono vincoli di natura estetica. La non visibilità dei pannelli risulta molto importante soprattutto quando si devono climatizzare edifici di rilievo storico o architettonico, dove la presenza di corpi scaldanti può compromettere l'equilibrio delle forme originali 2) non limitano la libertà d'arredo, consentendo così il più razionale utilizzo dello spazio disponibile 3) non contribuiscono al degrado di intonaci, pavimenti in legno e serramenti, in quanto: - non sporcano le pareti di nerofumo - non consentono il formarsi di umidità a pavimento - limitano sensibilmente i casi di condensa interna in quanto aumentano la temperatura delle pareti vicine alle solette con pannelli. Capitolo 7 - Gli impianti a pannelli radianti 128 Calore utilizzabile a bassa temperatura Per merito della loro elevata superficie disperdente, gli impianti a pannelli possono riscaldare con basse temperature del fluido termovettore. Questa caratteristica rende conveniente il loro uso con sorgenti di calore la cui resa (termodinamica o economica) aumenta al diminuire della temperatura richiesta, come nel caso di: - pompe di calore - caldaie a condensazione - pannelli solari - sistemi di recupero del calore - sistemi di teleriscaldamento, con costo del calore legato (direttamente o indirettamente) alla temperatura di ritorno del fluido primario. Risparmio energetico Rispetto ai sistemi di riscaldamento tradizionali, gli impianti a pannelli consentono apprezzabili risparmi energetici essenzialmente per due motivi: 1) la maggior temperatura operante che consente (a pari temperatura ambiente) risparmi medi variabili dal 5 al 10% 2) il minor gradiente termico tra pavimento e soffitto che comporta risparmi energetici tanto più elevati quanto maggiore è l'altezza dei locali. Motivi (seppur meno importanti) di risparmio energetico possono considerarsi anche: - l'uso di basse temperature che riduce le dispersioni lungo le tubazioni - il non surriscaldamento delle pareti poste dietro i radiatori - la mancanza di moti convettivi d'aria calda sulle superfici vetrate. Mediamente gli impianti a pannelli (sempre in relazione agli impianti di tipo tradizionale) consentono un risparmio energetico variabile dal 10 al 15%. 7.1.3 Limiti e svantaggi degli impianti a pannelli Riguardano essenzialmente aspetti connessi a tre fattori: 1) alla temperatura superficiale del pavimento 2) all'inerzia termica dell'impianto Capitolo 7 - Gli impianti a pannelli radianti 129 3) a difficoltà d'ordine progettuale. Limiti connessi alla temperatura superficiale del pavimento Per evitare condizioni di malessere fisiologico la temperatura superficiale del pavimento deve essere inferiore a determinati valori che consentono di determinare la potenza termica massima (Qmax) cedibile da un pannello. Se Qmax è inferiore alla potenza richiesta (Q), si possono considerare due casi: 1) Qmax è inferiore a Q solo in pochi locali in questo caso si può ricorrere a corpi scaldanti di integrazione. Ad esempio si può cedere Qmax coi pannelli e la potenza restante con radiatori. 2) Qmax è inferiore a Q in tutti o nella maggior parte dei locali conviene adottare impianti di tipo tradizionale. Inerzia termica e tipo di utilizzo dell''impianto Gli impianti a pannelli sono caratterizzati dall'avere un'elevata inerzia termica in quanto, per cedere calore, utilizzano le strutture in cui sono annegati i pannelli stessi. In ambienti riscaldati con una certa continuità (e con buon isolamento sotto i pannelli) l'inerzia termica di questi impianti non pone alcun problema e consente: - un buon adeguamento dell'impianto alle condizioni climatiche esterne - interruzioni o rallentamenti di funzionamento, con tempi di attivazione e disattivazione dell'impianto che vanno normalmente anticipati di due ore. Per contro in ambienti riscaldati solo per brevi periodi (ad esempio case di fine settimana) l'inerzia termica degli impianti a pannelli comporta sensibili sfasamenti tra i tempi di avviamento e quelli di effettivo utilizzo. Pertanto in questi casi conviene ricorrere ad altri sistemi di riscaldamento. Svantaggi legati ad aspetti progettuali A differenza di quelli tradizionali a corpi scaldanti, gli impianti a pannelli richiedono: - maggior impegno per la determinazione dei parametri di progetto . Infatti oltre ai parametri necessari per determinare le dispersioni termiche dei locali, la progettazione degli impianti a pannelli richiede anche la conoscenza dettagliata di tutti gli elementi costruttivi che riguardano i pavimenti e le solette. Capitolo 7 - Gli impianti a pannelli radianti 130 - calcoli più complessi e laboriosi, anche se in merito il maggior impegno può essere sensibilmente ridotto con l'uso del calcolo automatico. - minor adattamento a varianti in corso d'opera o ad impianto ultimato, in quanto non è possibile togliere o aggiungere porzioni di pannello come invece è possibile con i radiatori. 7.1.4 Raffrescamento dei locali Gli impianti a pannelli consentono anche il raffrescamento dei locali. Si deve tuttavia considerare che essi presentano in merito due limiti ben precisi: 1) la limitata resa frigorifera 2) l'incapacità di deumidificare. La bassa resa frigorifera dipende dal fatto che negli impianti a pannelli non è possibile abbassare troppo la temperatura del pavimento senza provocare fenomeni di condensa superficiale. Per questo motivo risulta difficile ottenere potenze frigorifere superiori a 40-50 W/m2. L'incapacità di deumidificare dipende invece dalla natura stessa degli impianti a pannelli i cui terminali (cioè i pavimenti) non possono far condensare ed evacuare parte dell'acqua contenuta nell'aria. Condizioni igrometriche di benessere si possono pertanto ottenere solo con l'aiuto di deumidificatori: vale a dire con integrazioni dell'impianto a pannelli che comportano costi ed ingombri non sempre accettabili. 7.1.5 Costi di realizzazione e di gestione ' praticamente impossibile stabilire dati medi significativi in merito ai costi richiesti per realizzare gli impianti a pannelli. Troppe infatti sono le variabili da prendere in esame, quali ad esempio: - il tipo di impianto (autonomo o centralizzato) - il sistema di regolazione - la resistenza termica dei pavimenti - il costo dei materiali isolanti da porre sotto i pannelli - il costo e la qualità del tubo costituente i pannelli. Capitolo 7 - Gli impianti a pannelli radianti 131 Si può comunque ritenere che gli impianti a pannelli costino mediamente dal 10 al 30% in più degli impianti a radiatori con regolazione climatica. Per quanto riguarda invece i costi di gestione, gli impianti a pannelli consentono risparmi mediamente variabile dal 10 al 15% rispetto agli impianti tradizionali e consentono pertanto di ammortizzare in tempi relativamente brevi il maggior costo sostenuto per la loro realizzazione. 7.1.6 Applicazioni Da soli, o integrati con impianti per il trattamento dell'aria, gli impianti a pannelli possono essere utilizzati per riscaldare: case singole e a schiera, alloggi in edifici a più piani, asili, scuole, palestre, piscine, musei, biblioteche, ospedali, alberghi, magazzini e capannoni. Possono essere utilizzati anche per tener sgombri da neve e ghiaccio: parcheggi, rampe di garage, scalinate, piste di aeroporti e campi sportivi. 7.2 Realizzazione degli impianti a pannelli 7.2.1 Strutture di contenimento dei pannelli Sono costituite essenzialmente dalla soletta o dal getto su terra, dal materiale isolante, dal massetto e dal pavimento. Qui di seguito si riporta una figura che ben rappresenta la sezione di un solaio: Figura 42: Sezione di un solaio in latero cemento con pannelli radianti integrati Capitolo 7 - Gli impianti a pannelli radianti 132 Materiali isolanti Gli isolanti posti sotto i pannelli servono a ridurre il calore ceduto verso il basso e a limitare l'inerzia termica dell'impianto. I materiali isolanti più utilizzati sono quelli in polistirene e in poliuretano. Talvolta si utilizzano anche calcestruzzi alleggeriti, ma il loro uso è in genere sconsigliato perché comporta elevati valori di inerzia termica. Gli isolanti possono essere a superfici piane oppure a superfici preformate per l'ancoraggio diretto dei tubi. Gli isolanti a superfici piane sono quelli normalmente utilizzati in edilizia per coibentare i pavimenti tradizionali. Non essendo provvisti di supporti per l'ancoraggio dei tubi, essi richiedono la messa in opera di reti elettrosaldate o di appositi profilati metallici con clips di giunzione e supporti di fissaggio. I materiali isolanti a superfici piane più utilizzati sono quelli in polistirene espanso ed estruso. Quest'ultimo, in particolare, nei tipi ad alta densità consente di realizzare pavimenti molto resistenti alla compressione. Gli isolanti di tipo preformato sono invece appositamente realizzati per gli impianti a pannelli. Le loro superfici presentano profili e scanalature che consentono di fissare direttamente i tubi. Questi isolanti presentano il vantaggio di rendere più veloce la messa in opera dei pannelli. Sono tuttavia poco resistenti alla compressione e pertanto non possono essere utilizzati per realizzare pavimenti sottoposti a sollecitazioni impegnative, quali ad esempio i pavimenti industriali. Se sono previsti più materiali per la realizzazione dello strato isolante, i materiali meno resistenti a compressione devono essere posti negli strati superiori. Inoltre i pannelli isolanti devono essere posti in opera a stretto contatto fra loro e (nel caso di strati multipli) con giunti sfalsati. Per evitare il degrado in opera dei materiali isolanti, si devono prevedere due tipi di protezione: 1) Protezione contro l'umidità del calcestruzzo. E' sempre richiesta e può essere realizzata sopra l'isolante con fogli in polietilene (spessore minimo 0,15 mm), oppure con altre protezioni equivalenti Capitolo 7 - Gli impianti a pannelli radianti 133 2) Protezione contro l'umidità ascendente. E' richiesta solo per pavimenti a diretto contatto col terreno o con locali molto umidi. Si può realizzare sotto l'isolante con fogli in cloruro di polivinile dello spessore minimo di 0,4 mm, oppure con altre protezioni equivalenti. Massetto Deve essere realizzato con un impasto fluido per evitare la formazione di piccole sacche d''aria che possono essere d''ostacolo alla regolare trasmissione del calore. Per migliorare la fluidità del getto spesso vengono utilizzati anche appositi additivi chimici. I componenti e le proporzioni dell''impasto dipendono dalla classe di resistenza che si intende ottenere. Lo spessore minimo del massetto sopra i tubi deve essere uguale a: - 20 mm per massetti di rasatura, cioè massetti sopra cui si prevede di realizzare successivamente un sottofondo per la messa in opera del pavimento. - 40 mm per massetti di finitura, cioè per massetti sopra cui si prevede di realizzare subito la posa del pavimento o di ''incollarlo' successivamente. Pavimenti Gli impianti a pannelli non richiedono tipi particolari di pavimento o tecniche sperimentali per la loro posa in opera. E'' consigliabile comunque non adottare pavimenti con una resistenza termica superiore a 0,150 m 2K/W. 7.2.2 Distribuzione del fluido termovettore Si realizza convogliando il fluido attraverso la rete principale, i collettori e i pannelli. Per lo sviluppo e il dimensionamento della rete principale si rinvia al 2°quaderno Caleffi, mentre di seguito si prendono in esame le principali caratteristiche dei collettori e dei pannelli. Capitolo 7 - Gli impianti a pannelli radianti 134 Collettori Sono normalmente realizzati in ottone con condotti di andata e ritorno fra loro indipendenti. Per il corretto funzionamento e la manutenzione dell'impianto, devono essere dotati di: - valvole di intercettazione generale - valvole di intercettazione dei pannelli - valvole micrometriche per la regolazione dei pannelli - valvole automatiche di sfiato - rubinetti di scarico. Pannelli Si suddivide l'analisi delle loro principali caratteristiche in tre parti: - la scelta dei tubi - lo sviluppo dei pannelli - la messa in opera dei tubi. La scelta dei tubi I tubi in materia plastica sono quelli che meglio si prestano a realizzare i pannelli, perché a differenza dei tubi metallici sono: - facili da porsi in opera - non si corrodono - non consentono il formarsi di incrostazioni. Normalmente si utilizzano tubi in polietilene reticolato (PEX), polibutene (PB) e polipropilene (PP). Tutti i tubi in materia plastica devono essere dotati di barriere contro la diffusione dell'ossigeno. Si deve infatti impedire il diffondersi, all'interno dei tubi, dell'ossigeno contenuto nell'aria perché questo gas può causare la corrosione della caldaia e dei tubi metallici. I diametri solitamente utilizzati per realizzare i pannelli sono il 16/13 e il 20/16. Il 12/10 e il 25/20 sono riservati solo ad applicazioni speciali. Capitolo 7 - Gli impianti a pannelli radianti 135 Sviluppo dei pannelli Ogni locale deve essere riscaldato con uno o più pannelli specificatamente riservati. ' così possibile regolare la sua temperatura ambiente in modo autonomo, cioè senza modificare l'equilibrio termico degli altri locali. I pannelli possono essere realizzati con sviluppo a spirale o a serpentine. Si tratta di sistemi che, a pari interasse e superficie, erogano la stessa quantità di calore, tuttavia il sistema a spirale é in genere preferibile in quanto offre: - una temperatura superficiale più omogenea, dato che (a differenza di quanto avviene con le serpentine) i suoi tubi di andata e di ritorno si sviluppano fra loro in modo alterno - una maggior facilità di posa in opera, in quanto la realizzazione delle spirali richiede solo due curve a 180°: quelle centrali, cioè quelle in cui lo sviluppo della spirale si inverte. Lo sviluppo a serpentine conviene soprattutto in locali con forme irregolari o in applicazioni speciali, come ad esempio nel caso di rampe antighiaccio. Figura 43: Soluzione per la disposizione dei pannelli Capitolo 7 - Gli impianti a pannelli radianti 136 I pannelli possono essere realizzati ad interasse costante oppure ad interasse variabile con tubi più ravvicinati in corrispondenza di vetrate o pareti molto disperdenti. Figura 44: Soluzione per la disposizione dei pannelli ad interasse variabile Con pannelli a serpentine è necessario convogliare l'andata verso le pareti esterne per non incrementare ulteriormente le già sensibili differenze di temperatura superficiale a pavimento, che caratterizzano questo sistema distributivo. Le distanze fra i tubi e le strutture che delimitano l'ambiente devono essere almeno di: - 5 cm nel caso di pareti e di pilastri - 20 cm nel caso di canne fumarie, caminetti e gabbie di ascensori. I tubi dei pannelli non devono interferire con i tubi di scarico e non devono passare sotto le vasche, i piatti doccia, i WC e i bidet: a meno che questi ultimi non siano di tipo sospeso. Posa in opera I tubi devono essere trasportati, immagazzinati e posti in opera in modo da evitare i danni di cantiere e l'esposizione diretta ai raggi solari. Per il fissaggio dei tubi si possono utilizzare diversi sistemi, quali ad esempio: Capitolo 7 - Gli impianti a pannelli radianti 137 - isolanti preformati con appositi profili e scanalature - reti elettrosaldate con fascette o fermagli di fissaggio - profilati metallici con clips di giunzione e di fissaggio. In ogni caso si devono utilizzare solo sistemi di fissaggio in grado di consentire un buon ancoraggio del tubo, evitare danni al tubo stesso (non sono concesse legature metalliche) e permettere la realizzazione degli interassi definiti progettualmente. ' consigliabile non passare coi tubi attraverso i giunti principali di dilatazione. Se questo non è possibile, si deve fare in modo che: - i giunti di dilatazione dell'edificio siano attraversati solo dai tubi della rete principale - gli altri giunti principali siano attraversati solo da tubi protetti con una guaina di materiale comprimibile avente una lunghezza minima di 30 cm da entrambe le parti del giunto e un diametro doppio rispetto a quello esterno del tubo. Figura 45: Sezione di un solaio in latero cemento con giunto di dilatazione Capitolo 7 - Gli impianti a pannelli radianti 138 7.3 Sistemi di regolazione La temperatura dell''acqua, analogamente a quanto avviene negli altri sistemi di riscaldamento ad acqua calda, deve essere regolata in funzione delle condizioni atmosferiche esterne. E'' quindi necessario che l''impianto sia fornito di un sistema di regolazione che ne modifichi la resa termica in funzione del carico termico effettivamente richiesto e che mantenga costanti le condizioni di comfort. Gli impianti vengono infatti dimensionati per una potenza termica ''di progetto', sufficiente a mantenere le condizioni di comfort imposte in corrispondenza del carico termico ''di progetto'. Nella realtà, per gran parte del tempo l''impianto deve funzionare con un carico termico inferiore a quello di progetto, ed è il sistema di regolazione che deve provvedere a ridurre, tempestivamente, la potenzialità dell''impianto, per mantenere costanti le condizioni di benessere. Gli impianti radianti vengono equipaggiati di un dispositivo di regolazione automatica della temperatura ambiente, temporizzabile anche individualmente, in relazione alle specifiche esigenze di utilizzo dell''ambiente. Questi dispositivi poggiano su un fatto fisico importante: l''enorme effetto di autoregolazione conseguente alla bassa temperatura delle superfici radianti (rispetto alla temperatura ambiente). Se, ad esempio, ad una differenza di temperatura di 2 °C fra la temperatura superficiale del pavimento (24 °C) e quella dell''ambiente (22 °C) corrisponde una quantità di calore ceduto cui può essere attribuito un valore del 100% , esso si riduce ad appena il 50% a fronte di un aumento della temperatura ambiente di solo 1 °C, conseguente ad una fonte esterna di calore. Inoltre i sistemi di regolazione degli impianti a pannelli devono essere in grado di: 1) consentire la cessione del calore richiesto in modo da ottimizzare il comfort termico e il risparmio energetico 2) impedire l'invio di fluido troppo caldo ai pannelli, in quanto può causare rotture e fessurazioni dei pavimenti e delle strutture murarie 3) evitare la condensa dei fumi in caldaia, per non dar luogo a fenomeni corrosivi che possono compromettere la tenuta della caldaia stessa. Capitolo 7 - Gli impianti a pannelli radianti 139 7.4 Flusso di calore emesso da un pannello Parametri di calcolo I parametri che servono a determinare il flusso di calore emesso da un pannello possono essere suddivisi nei seguenti gruppi: 1) parametri relativi alle condizioni al contorno: ' t a temperatura ambiente, °C
' t s temperatura del locale o del terreno sottostante, °C 2) parametri relativi alla configurazione dei pannelli: ' S superficie coperta dal pannello, m2
' I interasse di posa dei tubi, m 3) parametri relativi al tipo di tubo: ' De diametro esterno del tubo, m
' Di diametro interno del tubo, m
' λt conducibilità termica del tubo, W/mK 4) parametri relativi alla struttura di contenimento dei pannelli: ' Rp resistenza termica del pavimento, m2K/W
' sm spessore del massetto sopra i tubi, m
' λm conducibilità termica del massetto, W/mK
' Rs resistenza termica sotto pannello, m2K/W 5) parametri relativi alla temperatura del fluido termovettore: ' t e temperatura di entrata del fluido termovettore, °C Capitolo 7 - Gli impianti a pannelli radianti 140 Flusso di calore verso l''alto emesso da un pannello Si calcola con la formula: Q = S . ''t . B . Fp . FI . Fm . FD dove: Q = flusso di calore verso l'alto emesso dal pannello, W S = superficie coperta dal pannello [m 2] ''t = media logaritmica fra la temperatura del fluido e la temperatura ambiente [°C] B = fattore relativo alle caratteristiche del tubo, [W/m 2K] Fp = fattore relativo alla resistenza termica del pavimento, adimensionale FI = fattore relativo all'interasse dei tubi, adimensionale Fm = fattore relativo allo spessore del massetto sopra i tubi, adimensionale FD = fattore relativo al diametro esterno del tubo, adimensionale Figura 46: Descrizione dei vari fattori correttivi Capitolo 7 - Gli impianti a pannelli radianti 141 Flusso di calore totale emesso da un pannello Si determina con la relazione: Qt = ( te '' tu ) *G*1,16 dove: Qt = flusso di calore totale emesso da un pannello [W] te = temperatura di entrata del fluido scaldante [°C] tu = temperatura di uscita del fluido scaldante [°C] G = portata del pannello [l/h] La portata del pannello può essere determinata con la formula sotto riportata: ponendo: α = 10,8 W/m 2K e dove: G = portata del pannello [l/h] Q = flusso di calore emesso verso l'alto da un pannello [W] te = temperatura di entrata del fluido scaldante [°C] tu = temperatura di uscita del fluido scaldante [°C] sm = spessore del massetto [m] λm = conducibilità termica del massetto [W/mK] Rp = resistenza termica del pavimento [m 2K/W] Rs = resistenza termica sotto pannello [m 2K/W] S = superficie coperta dal pannello [m 2] ta = temperatura dell'aria ambiente [°C] ts = temperatura del locale o del terreno sottostante [°C] Capitolo 7 - Gli impianti a pannelli radianti 142 7.5 Dimensionamento dei pannelli 7.5.1 Calcolo dei pannelli Le formule esaminate alla voce precedente rendono possibile il dimensionamento degli impianti a pannelli. A tal fine di seguito si propone un metodo di calcolo teorico con prevalenza prestabilita agli estremi del pannello. Si suddivide l'analisi e lo sviluppo del metodo proposto nelle seguenti fasi: A. verifica delle condizioni di benessere fisiologico, B. determinazione della temperatura di ritorno, C. determinazione della portata, D. determinazione della lunghezza del pannello, E. determinazione delle perdite di carico del pannello, F. verifica di accettabilità della prevalenza richiesta, G. determinazione e verifica di altri parametri, H. prevalenza di zona. A - Verifica delle condizioni di benessere fisiologico Per poter assicurare condizioni di benessere fisiologico, la potenza termica ceduta dal pannello non deve superare la potenza massima definita dalla temperatura superficiale del pavimento. Deve essere cioè: Q < Qmax = S . qmax dove: Q = potenza termica richiesta al pannello [W] Qmax = potenza massima cedibile dal pannello [W] S = superficie coperta dal pannello, [m 2] qmax = potenza specifica massima cedibile dal pannello [W/m 2] ed essendo: - qmax = 8,92 (29 '' 20)1,1 =100 W/m2 in ambienti dove ci si sofferma in permanenza - qmax = 8,92 (33 '' 20) 1,1 = 150 W/m2 in locali bagno, docce e piscine - qmax = 8,92 (35 '' 20) 1,1 = 175 W/m2 in zone perimetrali o in locali dove si accede raramente. Capitolo 7 - Gli impianti a pannelli radianti 143 Se Q è maggiore di Qmax, si deve cedere col pannello una potenza termica inferiore o uguale a Qmax e ricorrere, per la potenza mancante, ad un corpo scaldante integrativo. B - Determinazione della temperatura di ritorno Noti i parametri: - potenza termica richiesta - superficie del pannello - temperatura massima di progetto - temperatura ambiente - spessore e conducibilità del massetto - resistenza termica del pavimento - diametro esterno, spessore e conducibilità del tubo - interasse di posa la temperatura di ritorno (tu) del pannello si calcola, per iterazioni successive. Sono possibili tre casi: B1. La temperatura di ritorno non è inferiore a quella di andata. In questo caso il pannello non è in grado di emettere il calore richiesto, è cioè un terminale sottodimensionato. Come soluzione alternativa si può: - scegliere (se possibile) un pannello con interasse più piccolo: cioè un pannello con maggior resa termica - prevedere un corpo scaldante d'integrazione. B2. La temperatura di ritorno non è superiore a quella ambiente. In questo caso il pannello partecipa solo parzialmente allo scambio termico con l'ambiente, è cioè un terminale superdimensionato. Come soluzione alternativa si può: - scegliere (se possibile) un pannello con interasse più grande: cioè un pannello con minor resa termica - prevedere un pannello con minore superficie di emissione. B3. La temperatura di ritorno è compresa fra la temperatura di andata e quella ambiente. In questo caso il valore della temperatura di ritorno non pone (almeno dal punto di vista teorico) alcun limite all''accettabiltà della soluzione in esame. Capitolo 7 - Gli impianti a pannelli radianti 144 C - Determinazione della portata Noti i parametri definiti al punto B, la temperatura di ritorno (tu), la resistenza termica sotto pannello e la temperatura del locale o del terreno sottostante, la portata del pannello si può calcolare con la formula della voce precedente. D - Determinazione della lunghezza del pannello La lunghezza del pannello si calcola con la relazione: dove: L = lunghezza del pannello [m] La = lunghezza di adduzione (andata e ritorno) fra il collettore e il pannello [m] S = superficie coperta dal pannello [m 2] I = interasse del pannello [m] E - Determinazione delle perdite di carico del pannello Le perdite di carico totali del pannello si calcolano sommando fra loro le perdite di carico continue e localizzate, il cui valore si determina come segue: - le perdite di carico continue si calcolano moltiplicando la lunghezza del pannello per le perdite di carico unitarie - le perdite di carico localizzate si calcolano sommando fra loro le perdite di carico dovute alla valvola di intercettazione del pannello e alle curve del pannello (mediamente queste perdite si considerano comprese fra il 20 e il 30% delle perdite di carico continue). F - Verifica di accettabilità della prevalenza richiesta In base al valore della prevalenza richiesta agli estremi del pannello (che coincide con le perdite di carico sopra determinate) sono possibili due casi: Capitolo 7 - Gli impianti a pannelli radianti 145 F1. La prevalenza richiesta è inferiore a quella prestabilita. In questo caso il pannello risulta accettabile e la differenza, fra la prevalenza richiesta e quella prestabilita, si compensa mediante taratura della valvola di regolazione prevista per ogni pannello. F2. La prevalenza richiesta è superiore a quella prestabilita. In questo secondo caso la soluzione elaborata non risulta accettabile. Come soluzione alternativa si può: - scegliere (se possibile) un pannello con interasse minore - analizzare la possibilità di cedere al locale una potenza termica leggermente inferiore, dato che anche pochi watts in meno possono portare la prevalenza richiesta al di sotto di quella prestabilita - prevedere un corpo scaldante d'integrazione. G - Determinazione e verifica di altri parametri Oltre ai limiti connessi alla temperatura del pavimento e alla prevalenza prestabilita, si devono anche evitare soluzioni con velocità troppo basse. Inoltre, per poter procedere al dimensionamento del generatore di calore e degli altri pannelli si devono determinare anche i seguenti parametri: Qt = potenza termica totale emessa dal pannello, Qs = potenza termica emessa dal pannello verso il basso, ep = potenza termica media emessa verso l'alto da un metro di tubo, es = potenza termica media emessa verso il basso da un metro di tubo. H - Prevalenza di zona Si calcola sommando fra loro le seguenti grandezze: Hp = prevalenza prestabilita agli attacchi dei pannelli, Hc = perdite di carico dovute al collettore, Hz = perdite di carico dovute alla possibile presenza della valvola di zona, Hi = perdite di carico delle valvole di intercettazione generale. Capitolo 7 - Gli impianti a pannelli radianti 146 7.5.2 Parametri richiesti Per poter dimensionare un pannello devono essere noti i seguenti parametri: - interasse o interassi (nel caso di pannelli ad interasse variabile) - diametro esterno, spessore e conducibilità termica del tubo - prevalenza prestabilita - temperatura massima di progetto - potenza termica richiesta - lunghezza di adduzione collettore-pannello - temperatura ambiente - temperatura del locale o del terreno sottostante - superficie coperta dal pannello - spessore e la conducibilità del massetto - resistenza termica del pavimento - resistenza termica sotto pannello - caratteristiche fluidodinamiche del collettore e delle valvole. Di seguito si esaminano quelli di maggior interesse progettuale:
Interassi
Possono variare fino a 30 cm in applicazioni di tipo civile o comunque in ambienti dove ci si sofferma in permanenza. Possono invece variare fino a 40 cm in applicazioni di tipo industriale o commerciale (ad esempio in capannoni, magazzini o garages). La griglia (o la serie) di interassi possibili dipende dai supporti di fissaggio (rete o profilati) o dai pannelli preformati che si intendono adottare. Le griglie più utilizzate sono le seguenti: 7,5 15,0 22,5 30,0 37,5 5,0 10,0 15,0 20,0 30,0 8,0 16,0 24,0 32,0 40,0 Capitolo 7 - Gli impianti a pannelli radianti 147 Prevalenza prestabilita ' la prevalenza che si ipotizza disponibile agli estremi del pannello. Generalmente conviene che questa grandezza sia variabile da: ' 1.200 a 1.500 mm c.a. per gruppi termici murali, in quanto dotati di circolatori a limitata prevalenza ' 1.500 a 2.500 mm c.a. per caldaie a terra, scambiatori o pompe di calore.
Temperatura massima di progetto
' la temperatura massima del fluido scaldante che circola nei pannelli. Per questa grandezza conviene adottare valori variabili da: '' 45 a 55°C con caldaie tradizionali '' 40 a 45°C con teleriscaldamento, caldaie a condensazione, pompe di calore '' 32 a 38°C con pannelli solari. Tali valori consentono di ottenere un buon compromesso fra due diverse esigenze: ' limitare la lunghezza (e quindi il costo) dei pannelli, ' ottimizzare il rendimento della sorgente di calore. Va comunque considerato che il riscaldamento con basse temperature è possibile solo con pavimenti a limitata resistenza termica. ' consigliabile che la temperatura massima di progetto non superi i 55°C per evitare: ' crepe nei pavimenti in mattonelle; ' fessurazioni nei parquets; ' avvallamenti nelle pavimentazioni in gomma o altri materiali sintetici; ' temperatura del pavimento a ''onde', cioè con sensibile alternarsi di zone calde e zone fredde.
Potenza termica richiesta ' la potenza richiesta al pannello per poter far fronte al fabbisogno termico del locale da riscaldare. Tale fabbisogno deve essere calcolato considerando due aspetti tipici dei locali riscaldati con impianti a pannelli: ' la mancanza di dispersioni termiche attraverso i pavimenti, ' il contributo termico di eventuali pannelli posti al piano superiore. Capitolo 7 - Gli impianti a pannelli radianti 148 Temperatura ambiente ' la temperatura dell'aria che si deve assicurare all'interno del locale. Il suo valore è generalmente imposto da norme o da clausole contrattuali. A pari temperatura ambiente, va comunque considerato che in un locale riscaldato con pannelli la temperatura operante (cioè la temperatura che con buona approssimazione misura il comfort termico del locale) è mediamente superiore di 1÷1,5°C rispetto a quella ottenibile con un riscaldamento a corpi scaldanti
Temperatura del locale o del terreno sottostante ' la temperatura del locale o del terreno posti sotto la struttura di contenimento dei pannelli. Per la sua determinazione si considerano due casi: - locale posto sotto la soletta di contenimento dei pannelli: la sua temperatura si determina con gli stessi criteri adottati per il calcolo delle dispersioni termiche - terreno posto sotto il getto di contenimento dei pannelli: la sua temperatura può essere determinata mediante la seguente tabella: Tabella 27: Temperatura media del terreno sotto al pavimento Capitolo 7 - Gli impianti a pannelli radianti 149 Resistenza termica del pavimento Si calcola con la formula: dove: Rp = resistenza termica del pavimento [m 2K/W] sp = spessore del pavimento [m] λp = conducibilità termica del pavimento [W/mK] La tabella sottostante riporta la conducibilità termica dei materiali più utilizzati per realizzare pavimenti. Tabella 28: Conducibilità termica di alcuni materiali Capitolo 7 - Gli impianti a pannelli radianti 150 Resistenza termica sotto pannello ' la resistenza termica della struttura compresa fra il piano tangente superiore dei tubi e l''ambiente sottostante. Si calcola con la formula: ponendo: α = 5,9 W/m 2K e dove: Rs = resistenza termica sotto pannello [m 2 K/W] sd = distanza fra la tangente superiore dei tubi e l''isolante [m] λm = conducibilità termica del massetto [W/mK] sis = spessore del materiale isolante [m] λis = conducibilità termica del materiale isolante [W/mK] Rsl = resistenza termica del solaio, [m 2K/W] sin = spessore dell''intonaco, [m] λin = conducibilità termica dell''intonaco, [W/mK] Capitolo 7 - Gli impianti a pannelli radianti 151 La tabella seguente riporta la conducibilità o la resistenza termica dei materiali normalmente posti sotto i pannelli. Figura 47: Conducibilità termica e resistenza termica dei materiali che sono sotto ai pannelli 7.5.3 Parametri da determinare Per il corretto e completo dimensionamento di un pannello si devono determinare i seguenti parametri: - temperatura superficiale del pavimento - salto termico del fluido scaldante Capitolo 7 - Gli impianti a pannelli radianti 152 - portata del pannello - prevalenza richiesta - lunghezza del pannello - velocità del fluido - potenza termica totale emessa dal pannello - potenza termica emessa verso il basso - potenza termica media emessa verso l''alto da un metro di tubo - potenza termica media emessa verso il basso da un metro di tubo
Temperatura superficiale del pavimento
Si calcola con la formula: dove: tp = temperatura superficiale del pavimento [°C] ta = temperatura ambiente [°C] q = potenza termica specifica (verso l''alto) del pannello [W/m2] Per evitare condizioni di malessere fisiologico, è necessario che la temperatura superficiale a pavimento sia inferiore a: - 29°C in ambienti dove ci si sofferma in permanenza - 33°C in locali bagno, docce e piscine - 35°C in zone perimetrali o in locali dove si accede raramente. Il rispetto di tali valori comporta precisi limiti alla potenza termica cedibile da un pannello. In particolare (con temperatura ambiente = 20°C) la potenza specifica massima cedibile da un pannello risulta: - qmax = 8,92 (29 '' 20)1,1 = 100 W/m2 in ambienti dove ci si sofferma in permanenza - qmax = 8,92 (33 '' 20) 1,1 = 150 W/m2 in locali bagno, docce e piscine Capitolo 7 - Gli impianti a pannelli radianti 153 - qmax = 8,92 (35 '' 20) 1,1 = 175 W/m2 in zone perimetrali o in locali dove si accede raramente. Moltiplicando il valore di qmax per la superficie del pannello si ottiene la potenza termica massima che il pannello può cedere all''ambiente senza causare condizioni di malessere Figura 48: Potenza termica specifica massima
Salto termico del fluido scaldante ' dato dalla differenza fra la temperatura di entrata e quella di uscita del fluido scaldante. ' consigliabile che il suo valore non sia troppo elevato per: - non abbassare troppo la temperatura media del fluido e quindi la resa termica del pannello - evitare temperature superficiali troppo diverse fra loro, specie quando i pannelli sono a serpentine; Di norma è consigliabile adottare salti termici inferiori a 8 ÷ 10°C.
Portata del pannello Considerando che la portata massima di un pannello è mediamente compresa fra: - 200 ÷ 220 l/h, per tubi con Di = 16 mm Capitolo 7 - Gli impianti a pannelli radianti 154 - 120 ÷ 130 l/h, per tubi con Di = 13 mm è possibile determinare (seppur approssimativamente) la massima potenza termica(QG.max) che un pannello può cedere in relazione al suo diametro interno. In particolare, considerando un salto termico di 8°C, risulta: - QG.max = ( 200 ÷ 220 ) . 8 . 1,16 = 1.856 ÷ 2.042 W per Di = 16 mm - QG.max = ( 120 ÷ 130 ) . 8 . 1,16 = 1.114 ÷ 1.206 W per Di = 13 mm Tali valori possono essere utilizzati come parametri guida per stabilire (in prima approssimazione) se un locale deve essere servito con uno o più pannelli. Lunghezza del pannello Non esistono particolari limiti in merito al valore di questa grandezza. Nelle applicazioni civili, è però consigliabile non andare oltre le lunghezze commerciali dei rotoli di tubo (120 ÷ 150 metri). Velocità del fluido ' consigliabile non accettare soluzioni con velocità del fluido troppo basse, essenzialmente per due motivi: - impedire il ristagno di bolle d''aria - evitare che il flusso del fluido avvenga in regime laminare, dato che le formule di emissione dei pannelli sono valide solo in regime turbolento. Normalmente sono accettabili velocità superiori a 0,1 m/s. Velocità più elevate devono essere previste quando si realizzano pannelli con contropendenze 7.5.4 Interazione con arredo Il dubbio di maggior rilievo è stato quello inerente l''entità del calore frenato, o del tutto impedito, dall''arredo e dai tappeti e le relative conseguenze pratiche. Era necessario capire fino a che punto i tappeti, gli armadi, i letti o altri mobili potessero alterare l''emissione termica dei pannelli e, di conseguenza, l''omogeneità delle temperature all''interno dei locali. Da verifiche dirette sugli impianti non è emerso alcuno scompenso termico degno di nota. Capitolo 7 - Gli impianti a pannelli radianti 155 Va considerato che in un locale, quando la libera emissione viene ostacolata, si verificano due fatti: - diminuisce la temperatura ambiente - cresce il salto termico con cui il terminale cede calore, in quanto diminuisce la temperatura ambiente. Cioè al diminuire della temperatura ambiente, i terminali rispondono aumentando la loro resa in base al nuovo salto termico determinatosi. ' ovvio che se tale risposta è forte, i terminali sono in grado di ridurre al minimo gli effetti negativi indotti dagli impedimenti termici. Se, invece, la risposta è debole si verifica il contrario. Dal punto di vista della progettazione per determinare l''esatto fabbisogno termico specifico del locale sarà necessario detrarre una percentuale di superficie che cresce al crescere della superficie coperta da mobili fissi. Se la superficie coperta è inferiore al 30 % della superficie totale non si dovrà detrarre nulla. Dal 30 al 40 % si avrà una detrazione del 10 % dalla superficie totale. Dal 40 al 50 % si avrà una detrazione del 20 % dalla superficie totale. 156 Capitolo 8 Simulazione numerica CFD Capitolo 8 '' Simulazione CFD 157 8.1 Simulazione mediante FLUENT
8.1.1 Il caso di studio Questo studio è stato effettuato al fine di analizzare il gradiente termico, la distribuzione delle temperature e la partecipazione della convezione e dell''irraggiamento in una stanza dell''abitazione presa in esame. Per quanto riguarda il settaggio del software si è fatto riferimento ad un semplice caso di studio svolto precedentemente da un collega, il quale aveva preso in considerazione una stanza con base quadrata e dalla superficie di circa 20 m 2, tralasciando la presenza di eventuali arredi, di finestre e di porte. Una delle pareti confinava con l''esterno, le altre venivano considerate adiabatiche. Nel caso della simulazione in esame, invece, è stata fatta un'' analisi approfondita per la zona salotto/soggiorno e si sono posti a confronto due casi: il primo caso (caso 1), di impianto di riscaldamento a pannelli radianti a pavimento, e il secondo caso (caso 2) di impianto di riscaldamento a pannelli radianti a soffitto. La stanza ha una superficie totale di 25 m 2 e al suo interno sono presenti un divano ad angolo della misura di 250x200 cm, un camino ed un tavolo in legno della misura di 160x 85 cm. Nella parete ovest, che confina con l''esterno, è collocato il portone di ingresso di dimensioni 100x220 cm, in quella sud, anch''essa confinante con l''esterno, si trova una finestra a due ante della dimensione di 120x140 così come nella parete nord, mentre nella parete est, che separa la zona si studio dagli altri vani dell''abitazione, è presente una porta. Si sotto fatte delle semplificazioni, omettendo la presenza di alcuni mobili che avrebbero complicato notevolmente la costruzione geometrica con Gambit ma non hanno rilevante importanza per la simulazione fluidodinamica. Si sono infatti tenuti in considerazione gli arredi che occupano grandi superfici come il divano e il tavolo. Nelle immagini seguenti è possibile vedere la disposizione dei mobili nel reale e la forma della stanza presa in esame. Capitolo 8 '' Simulazione CFD 158 Figura 49: Rappresentazione prospettica della stanza presa in esame Capitolo 8 '' Simulazione CFD 159 8.1.2 Il Fluent La simulazione del problema è stata effettuata avvalendosi di un software di analisi fluidodinamica computazionale (CFD - computational fluid dynamics), l'' Ansys FLUENT. Si tratta di uno dei più diffusi codici commerciali per la simulazione ingegneristica del flusso di un fluido e dei problemi di trasmissione del calore; è ampiamente utilizzato per la stima della velocità dell'aria, dell'' intensità di turbolenza, della stratificazione della temperatura, delle proprietà del clima interno e della concentrazione di contaminanti negli ambienti interni. Utilizza un approccio risolutivo ai volumi finiti al fine di convertire le equazioni che governano il moto in equazioni algebriche risolvibili numericamente. Per la definizione della geometria del modello tridimensionale e la generazione della mesh di volume è stato utilizzato il software Gambit 2.4.6. L'' operazione che porta alla definizione della griglia (mesh) di calcolo consiste nella suddivisione del dominio fluido in una serie di elementi in corrispondenza dei quali si andranno a valutare le grandezze di interesse. Tale software permette la realizzazione di griglie sia strutturate che non strutturate, con celle di forma esaedrica, tetraedrica, prismatica o poligonale. Abbiamo creato una struttura a rete omogenea con cella quadrata. La distribuzione della rete all'interno della stanza non è stata uniforme: la griglia è stata intensificata in prossimità delle zone di ''confine importante', quindi del pavimento nel primo caso e del soffitto nel secondo caso e nei vari punti in cui gli elementi di volume risultavano più piccoli. Questo modello è stato poi importato nel FLUENT dove si è proceduto alla definizione dei parametri necessari per la corretta risoluzione del problema. Capitolo 8 '' Simulazione CFD 160 8.1.3 Setting del Fluent Si è lavorato in uno spazio 3ddp, in condizioni stazionarie ed è stato scelto il modello viscoso k-ε standard; Figura 50: Impostazione 3ddp Figura 51: Modello di turbolenza k-' Il modello di irraggiamento Discrete Ordinates (DO) caratterizzato da un flusso di radiazione ogni 10 iterazioni così da poter risolvere l'equazione di trasferimento radiativo per un discreto numero finito di angoli solidi. I valori dei residui della continuità, della turbolenza e dell''energia sono stati fissati a 10 -10 e il numero di iterazioni a 20.000. Gli studi presenti in letteratura mostrano che questi modelli sono appropriati alla risoluzione di simili problemi. In seguito sono stati scelti i materiali costituenti il nostro modello considerando l''abitazione come già riqualificata in classe A+, per cui i materiali sono quelli degli elementi strutturali isolati termicamente. Prima di tutto abbiamo definito le proprietà fisiche dell''aria (specific heat, dynamic viscosity, thermal conductivity, density, absorption coefficient, scattering coefficient e refractive index) e abbiamo scelto di considerarla come un gas ideale con coefficienti di assorbimento e di diffusione pari a circa zero. Capitolo 8 '' Simulazione CFD 161 Figura 52: Setting per le proprietà dei materiali Si sono poi definite le proprietà fisiche di tutti gli altri materiali che costituiscono i vari elementi strutturali e gli arredi presenti nella stanza nonché i vetri delle finestre e il legno delle porte. La maggior parte di questi valori è reperibile dal software Termo col quale si sono modificati gli elementi strutturali in modo tale da rispettare i limiti di trasmittanza imposti dalle normative. Sono state inserite le condizioni operative ed in particolare la pressione operativa e la presenza della gravità lungo la direzione dell''asse z. Figura 53: Condizioni operative Capitolo 8 '' Simulazione CFD 162 Infine sono state definite in modo accurato le condizioni al contorno (boundary conditions); ad ogni zona (esterno, pavimento, soffitto, pareti, fluido aria, divano, camino, porte, finestre) viene associata una type cui corrisponde una particolare condizione al contorno. Nel FLUENT è possibile definirne quattro differenti ''tipi': constant temperature; constant heat flux; convention and convention '' radiation. Delle pareti perimetrali, tre sono in contatto con l''aria esterna per cui è stata impostata una temperatura di 0°C (in accordo con i dati climatici del comune di Campo nell''Elba), mentre per la parete interna all''edificio è stata assegnata la temperatura interna dell''abitazione di 20°C. La stessa cosa è stata fatta per le superfici vetrate e per le porte. Un discorso a parte va fatto per il tetto, in quanto si è evitato di ricostruire dettagliatamente le due falde e si è considerato solo il solaio del sottotetto, per il quale si è supposta una temperatura dell''aria di 10°C. Per il coefficiente di trasferimento convettivo ( Heat Tranfer Coefficient ) si è scelto un valore di 12 W/m 2K per tutte le superfici a contatto con l''ambiente esterno. Nel caso 1 è stata impostata una temperatura del pavimento pari a 29°C per lo stato attuale non riqualificato, mentre nel caso della villetta riqualificata si è imposto una temperatura di 23°C. Nel caso 2 si sono assegnati gli stessi valori di temperatura al soffitto rispettivamente allo stato attuale e a quello riqualificato. Nella simulazione è stato fatto in modo da mantenersi il più possibile vicino alla temperatura degli ambienti interni, oltre la quale l''utente avverte una condizione di disagio. Capitolo 8 '' Simulazione CFD 163 8.2 Impianto di riscaldamento a pannelli radianti allo ''stato attuale': Caso 1 8.2.1 Caso 1a: pannelli radianti a pavimento
In questo primo caso si considerano i pannelli annegati nel pavimento i quali sono ottimamente isolati sulla parte inferiore in modo tale da non disperdere calore verso il terreno sottostante che si suppone avere una temperatura di 20°C. Nella simulazione con Fluent è stata fatta una semplificazione, andando a sopprimere il basamento ed assegnando direttamente al pavimento la temperatura di 29°C corrispondente al limite massimo di legge. Ciò è stato fatto per evitare possibili conflitti all''interno del software nell''assegnare delle ''boundary conditions' ad una ''wall' interna. In rosso è rappresentato il pavimento alla temperatura di 29°C mentre le pareti visualizzate sono quelle confinanti con l''esterno. Si riportano, qui di seguito, le immagini più significative degli andamenti di temperatura e velocità dei flussi del caso a pavimento ottenute dalla simulazione con il software FLUENT. Figura 54: Vista prospettica della stanza allo ''stato attuale' riscaldata dal pavimento Capitolo 8 '' Simulazione CFD 164 Nella figura sottostante si può notare come la temperatura dell''aria per la sezione verticale scelta sia abbastanza uniforme. Con il colore verde/giallo è rappresentata una temperatura di 20°C, mentre con il rosso la temperatura è di 23°C. La zona completamente rossa indica la temperatura del divano che, essendo quasi a contatto col pavimento, è molto più caldo. Al contrario le sezioni delle pareti sono di colore blu poiché hanno temperature inferiori al minimo della scala scelta. Figura 55: Sezione verticale in direzione Nord-Sud: caso a pavimento allo ''stato attuale' Figura 56: Sezione verticale in direzione Est-Ovest: caso a pavimento allo ''stato attuale' Capitolo 8 '' Simulazione CFD 165 Figura 57: Sezione orizzontale ad un altezza da terra di 1,75 m: caso a pavimento allo ''stato attuale' Per verificare che l''andamento della temperatura lungo la direzione verticale z sia paragonabile a quella che teoricamente dovrebbe essere, sono state prese in esame 3 linee verticali in 3 differenti punti ritenuti significativi. Nel seguente grafico, la curva di colore verde rappresenta l''andamento verticale della temperatura nei pressi della finetra della parete sud. Quella di colore nero è rappresentativa di un punto della zona tavolo ed è quella che meglio approssima l''andamento teorico, mentre qulla rossa è rappresentativa della zona più calda. Figura 58: Andamento verticale della temperatura dei tre punti più significativi: caso a pavimento allo ''stato attuale' Capitolo 8 '' Simulazione CFD 166 Si riportano infine le figure relative alle velocità dei flussi che si generano all''interno della stanza: le velocità sono piuttosto elevate specialmente nella zona al di sotto del tavolo e in quella del divano dove i flussi raggiungono velocità dell''ordine dei 0,429 m/sec. Queste velocità sono dovute alla presenza delle finestre, le quali risultano molto fredde. Quest''aria fredda tende a scendere rapidamente e si incanala nello spazio tra divano e muro subendo una forte accelerazione. Figura 59: Sezione verticale in direzione Nord-Sud: caso a pavimento allo ''stato attuale'
Figura 60: Sezione verticale in direzione Est-Ovest: caso a pavimento allo ''stato attuale' Capitolo 8 '' Simulazione CFD 167
Figura 61: Sezione orizzontale ad un altezza da terra di 1,75 m: caso a pavimento
Figura 62: Vettori velocità per il pavimento, la parete nord e il piano verticale Nord-Sud: caso a pavimento allo ''stato attuale' Il trasferimento totale di calore dalle superfici del pavimento avviene per convezione e irraggiamento. In questo studio è stato investigato il flusso di calore per irraggiamento. Il calore trasferito dall''irraggiamento deve essere sommato a quello trasferito per convezione al fine di ottenere il calore totale. Il carico termico totale è di 2094 W e il carico termico per unità di area è 84,0 W/m 2 che quindi resta al di sotto del limite massimo di 100 W/m 2 stabilito dalle normative per questo tipo di zona. Capitolo 8 '' Simulazione CFD 168 Il flusso trasferito dal pavimento per irraggiamento è pari a 1445 W corrispondente all''69% del flusso termico totale, la restante parte, il 31%, è trasferito dal flusso per convezione. 8.2.2 Caso 1b: pannelli radianti a soffitto
Il soffitto presenta una temperatura di 29 °C, ha pertanto colorazione uniforme , rosso. Come nel caso precedente del riscaldamento a pavimento, si è deciso di sopprimere il solaio andando a considerare soltanto la superficie del soffitto alla quale è stata assegnata la temperatura di 29°C. Lo spessore del pavimento contro-terra e di circa 38 cm e per il terreno sottostante, in colore giallo, si è scelto una temperatura di 20°C. Si riportano, qui di seguito, le immagini più significative degli andamenti di temperatura e velocità dei flussi del caso a soffitto ottenute per mezzo delle simulazioni con il software FLUENT. Figura 62: Vista prospettica della stanza allo ''stato attuale' riscaldata dal soffitto Dalle seguenti figure si vede come la differenza di temperatura rispetto al caso di pannelli a pavimento sia tangibile. Inoltre è molto meno uniforme e si verificano stratificazioni di aria calda nella zona del soffitto. Capitolo 8 '' Simulazione CFD 169 Questo fatto potrebbe rivelarsi sfavorevole per il raggiungimento della condizione di benessere termico. Figura 63: Sezione verticale in direzione Nord-Sud: caso a soffitto allo ''stato attuale' Figura 64: Sezione verticale in direzione Est-Ovest: caso a soffitto allo ''stato attuale' Capitolo 8 '' Simulazione CFD 170 La temperatura all''altezza della testa di una persona che è in piedi nella stanza varia fra i 19.5 e i 22°C. Figura 65: Sezione orizzontale ad un altezza da terra di 1,75 m: caso a soffitto allo ''stato attuale' Dalla figura sottostante è possibile vedere l''andamento verticale della temperatura in tre punti della stanza già visti in precedenza. L''andamento mostra una certa variabilità, ma comunque la differenza di temperatura tra pavimento e soffitto è del tutto simile all''andamento teorico per gli impianti a soffitto. La temperatura è crescente con l''altezza fino a raggiungere un valore di 22°C. Figura 66: Andamento verticale della temperatura per i tre punti significativi: caso a soffitto allo ''stato attuale' Capitolo 8 '' Simulazione CFD 171 Per quanto riguarda la velocità dei flussi, rispetto al caso di pannelli a pavimento le velocità sono minori e non si verificano fenomeni di moti convettivi bene definiti come nel caso precedente. Figura 67: Sezione verticale in direzione Nord-Sud: caso a soffitto allo ''stato attuale' Figura 68: Sezione verticale in direzione Est-Ovest: caso a soffitto allo ''stato attuale' Capitolo 8 '' Simulazione CFD 172 Figura 69: Sezione orizzontale ad un altezza da terra di 1,75 m: caso a soffitto allo ''stato attuale' Figura 70: Vettori velocità per il piano verticale Nord-Sud: caso a soffitto allo ''stato attuale'


Il trasferimento totale di calore dalla superfice del soffitto dovrebbe, teoricamente, avvenire totalmente per irraggiamento, ma nello studio svolto, non abbiamo ottenuto con esattezza tale valore atteso. Capitolo 8 '' Simulazione CFD 173 Il carico termico totale nel caso del riscaldamento a soffitto è risultato essere 1649 W e il carico termico per unità di area è 66,0 W/m 2 che quindi resta al di sotto del limite massimo di 150 W/m 2 stabilito dalle normative per questo tipo di zona. Il flusso trasferito dal pavimento per irraggiamento è pari a 1468 W corrispondente all''89% del flusso termico totale, la restante parte, l''11%, è trasferito dal flusso per convezione. Questo risultato potrebbe essere giustificato dal fatto che, a differenza del caso ideale di stanza vuota e senza finestre, in questo modello sono presenti porte, finestre e arredi, i quali fanno sì che si generino nell''ambiente interno dei moti convettivi che determinano un trasferimento di calore per convezione. Ne consegue un allontanamento dalla condizione ideale del 100% di calore trasferito per irraggiamento nel caso di pannelli radianti a soffitto.
Capitolo 8 '' Simulazione CFD 174 8.3 Impianto di riscaldamento a pannelli radianti allo ''stato modificato': Caso 2 8.3.1 Caso 2a: pannelli radianti a pavimento
Anche in questo secondo caso si considerano i pannelli annegati nel pavimento i quali sono ottimamente isolati sulla parte inferiore in modo tale da non disperdere calore verso il terreno sottostante che si suppone avere una temperatura di 20°C. Nella simulazione con Fluent è stata fatta una semplificazione, andando a sopprimere il basamento ed assegnando direttamente al pavimento la temperatura di 23°C, un valore piuttosto basso ma giustificato dal fatto che allo stato modificato la villetta è ottimamente isolata, per cui necessita di poca potenza per essere riscaldata In rosso è rappresentato il pavimento alla temperatura di 23°C mentre le pareti visualizzate sono quelle confinanti con l''esterno. Già osservando la rappresentazione prospettica dell''interno, è possibile notare come nonostante una temperatura del pavimento minore di ben 6°C rispetto al caso non riqualificato, le temperature delle pareti e del soffitto sono più elevate con valori attorno ai 20°C. Figura 71: Vista prospettica della stanza allo ''stato modificato' riscaldata dal pavimento Capitolo 8 '' Simulazione CFD 175 La sezione verticale di mezzeria mostra come la temperatura sia molto più uniforme ed intorno al valore ottimale di 20.5/21°C ad eccezione di alcune zone vicino al pavimento e sotto al divano.
Figura 72: Sezione verticale in direzione Nord-Sud: caso a pavimento allo ''stato modificato' Dalla sezione Est-Ovest è possibile vedere come la temperatura sia più alta nella zona vicino alla parete interna della casa arrivando a valori di 21.5°C.
Figura 73: Sezione verticale in direzione Est-Ovest: caso a pavimento allo ''stato modificato' Capitolo 8 '' Simulazione CFD 176 La temperatura all''altezza della testa è pressoché costante a 20.5°C. Figura 74: Sezione orizzontale ad un altezza da terra di 1,75 m: caso modificato allo ''stato modificato' Le curve che rappresentano l''andamento verticale delle temperature rispecchiano a pieno l''andamento teorico con un andamento pressoché costante a 21°C. Da notare come si discostino l''una dall''altra molto meno rispetto al caso della villetta allo stato attuale. Figura 75: Andamento verticale della temperatura dei tre punti più significativi: caso a pavimento allo ''stato modificato' Capitolo 8 '' Simulazione CFD 177 Dopo l''intervento di isolamento termico le velocità dei flussi sono diminuite sensibilmente,
arrivando a valori limite di 0.30 m/sec nelle zone più critiche che sono sempre quella sotto il
divano e sotto il tavolo.
Figura 76: Sezione verticale in direzione Nord-Sud: caso modificato a pavimento allo ''stato modificato'


















Figura 77: Sezione verticale in direzione Est-Ovest: caso modificato a pavimento allo ''stato modificato' Capitolo 8 '' Simulazione CFD 178
Figura 78: Sezione orizzontale ad un altezza da terra di 1,75 m: caso modificato a pavimento allo ''stato modificato'



















Figura 79: Vettori velocità per il piano verticale Nord-Sud: caso modificato a pavimento allo ''stato modificato'

Il calore trasferito dall''irraggiamento deve essere sommato a quello trasferito per convezione al fine di ottenere il calore totale. Il carico termico totale è di 492 W, ben 1602 W meno del caso ante riqualificazione, e il carico termico per unità di area è 19.68 W/m 2 . Il flusso trasferito dal pavimento per irraggiamento è pari a 356 W corrispondente all''72% del flusso termico totale, la restante parte, il 28%, è trasferito dal flusso per convezione. Capitolo 8 '' Simulazione CFD 179 8.3.2 Caso 2b: pannelli radianti a soffitto
Il soffitto presenta una temperatura di 23 °C, ha pertanto colorazione uniforme , rosso. Come nel caso precedente del riscaldamento a pavimento, si è deciso di sopprimere il solaio andando a considerare soltanto la superficie del soffitto alla quale è stata assegnata la temperatura di 23°C. Lo spessore del pavimento contro-terra e di circa 38 cm e per il terreno sottostante, in colore giallo, si è scelto una temperatura di 20°C. Si riportano, qui di seguito, le immagini più significative degli andamenti di temperatura e velocità dei flussi del caso a soffitto ottenute per mezzo delle simulazioni con il software FLUENT. . Figura 80: Vista prospettica della stanza allo ''stato modificato' riscaldata dal soffitto Capitolo 8 '' Simulazione CFD 180 Come nel caso precedente a pannelli a soffitto, anche qui è possibile notare che l''aria calda tende a stratificarsi in alto. Figura 81: Sezione verticale in direzione Nord-Sud: caso a soffitto allo ''stato modificato' Figura 82: Sezione verticale in direzione Est-Ovest: caso a soffitto allo ''stato modificato' Capitolo 8 '' Simulazione CFD 181 Figura 83: Sezione orizzontale ad un altezza da terra di 1,75 m: caso a soffitto allo ''stato modificato' Le curve dell''andamento delle temperature sono molto irregolari e sembrano addirittura peggiori del caso a soffitto prima degli interventi di riqualificazione Figura 84: Andamento verticale della temperatura per i tre punti significativi: caso a soffitto allo ''stato modificato' Capitolo 8 '' Simulazione CFD 182 Le velocità dei flussi risultano ulteriormente ridotte. Figura 85: Sezione verticale in direzione Est-Ovest: caso a soffitto allo ''stato modificato'
Figura 86: Sezione verticale in direzione Nord-Sud: caso a soffitto allo ''stato modificato'



Capitolo 8 '' Simulazione CFD 183
















Figura 87: Sezione orizzontale ad un altezza da terra di 1,75 m: caso a soffitto allo ''stato modificato'





















Figura 88: Vettori velocità per il piano verticale Nord-Sud: caso a soffitto allo ''stato modificato'

Capitolo 8 '' Simulazione CFD 184 Il trasferimento totale di calore dalla superfice del soffitto dovrebbe, teoricamente, avvenire totalmente per irraggiamento, ma anche in questo caso non abbiamo ottenuto il risultato atteso anche se ci siamo un poco avvicinati. Il carico termico totale nel caso del riscaldamento a soffitto è risultato essere 399 W e il carico termico per unità di area è 15.96 W/m 2 . Il flusso trasferito dal pavimento per irraggiamento è pari a 362 W corrispondente al 91% del flusso termico totale, la restante parte, il 9%, è trasferito dal flusso per convezione. Questo risultato si giustifica, come già fatto in precedenza, per il fatto che la velocità dell''aria all''interno della stanza dà luogo ad un trasferimento di calore per convezione. Tale giustificazione sembra confermarsi poiché, a fronte di velocità dei flussi minori per questo ultimo caso, si riscontra un aumento del contributo dell''irraggiamento di una quota pari al 2%. Conclusioni 185 Conclusioni
L''intervento di riqualificazione effettuato su una villetta, sita nel comune di Campo nell''Elba, aveva come obiettivo quello di migliorarne sensibilmente le prestazioni energetiche. Sulla base delle analisi effettuate con un apposito software, utilizzato per le certificazioni energetiche, è emerso che la villetta, risalente agli anni''70 ed appartenente alla zona climatica C, presentava valori di trasmittanza delle pareti e delle finestre molto elevati , anche se in linea con le caratteristiche delle costruzioni di quegli anni. Il pessimo isolamento termico determina consumi elevati e raffreddamento rapido una volta spento l''impianto di riscaldamento, collocando l''abitazione nella classe energetica G. La riqualificazione è stata eseguita per passi successivi: ' per prima cosa è stato realizzato un isolamento a cappotto utilizzando pannelli in polistirene dello spessore di 8 cm applicati sulle pareti esterne. Lo stesso tipo di isolamento è stato applicato anche al tetto ed al sottotetto. Sono stati inoltre sostituiti i vecchi infissi con nuove vetrate ''basso emissive' a singola camera e un portone in legno più spesso. Già dopo questo intervento la casa si colloca in classe F con un indice di energia primaria globale dimezzato rispetto a prima. Bisogna comunque fare presente che la prestazione energetica è stata penalizzata dalla presenza di un boiler elettrica per la produzione di ACS e della caldaia a gasolio. ' il secondo intervento ha riguardato l''impiego di fonti rinnovabili, mediante l''installazione sulla falda Sud-Est del tetto di 13 pannelli del tipo PVT ( PhotoVoltaic and Thermal ), i quali svolgono sia la funzione di impianto solare termico che quella di solare fotovoltaico. I pannelli sono stati collegati ad un nuovo boiler da 800 litri e l''impianto di riscaldamento a pannelli radianti che permette il riscaldamento di ambienti interni con temperature dell''acqua di 30-35°C. L''intervento di riqualificazione effettuato ha evidenziato quanto sia importante realizzare un buon isolamento termico dell''involucro edilizio e, al tempo stesso, sfruttare le energie Conclusioni 186 rinnovabili. Il risparmio energetico è notevole e il miglioramento ottenuto permette all''abitazione di passare dalla classe G alla classe A+. Una volta completata la riqualificazione, è stato fatto un confronto termo-fluidodinamico tra l''impianto di riscaldamento a pannelli radianti a pavimento e quello a soffitto. La simulazione del problema è stata effettuata avvalendosi di un software di analisi fluidodinamica computazionale (CFD - computational fluid dynamics), l'' Ansys FLUENT che utilizza un approccio risolutivo ai volumi finiti al fine di convertire le equazioni che governano il moto in equazioni algebriche risolvibili numericamente. Per la definizione della geometria del modello tridimensionale e la generazione della mesh di volume è stato utilizzato il software Gambit 2.4.6. Questo modello è stato poi importato nel FLUENT dove si è proceduto alla definizione dei parametri necessari alla risoluzione e si è ipotizzato l''assenza totale di spifferi dagli infissi. L''involucro edilizio è stato quindi considerato come chiuso ermeticamente, sia nel caso dello stato attuale che in quello riqualificato. I risultati delle simulazioni ottenuti mediante l''utilizzo del software, hanno mostrato che, nel caso dello stato attuale non riqualificato, la temperatura interna non era particolarmente uniforme. Con i pannelli a pavimento, ma soprattutto con quelli a soffitto, il gradiente termico ha raggiunto valori anche di 3,5°C che non sarebbero consentiti dalle normative vigenti. E'' stato inoltre evidenziato come le velocità sarebbero piuttosto elevate (fino a 0.429 m/sec), soprattutto nel caso dei pannelli a pavimento. Queste velocità sono generate dalla presenza delle finestre, la cui superficie risulta molto fredda, circa 8°C nel caso dello stato attuale. L''aria fredda tende a scendere rapidamente e si incanala nello spazio tra divano e muro e sotto al tavolo, subendo così una forte accelerazione. Nel caso dello stato modificato è stato possibile riscontrare un''attenuazione notevole di entrambi i fenomeni, per cui il gradiente termico è diminuito fino al valore di 1°C e le velocità dei flussi si sono ridotte fino a valori di 0,30 m/sec. Conclusioni 187 Bisogna poi considerare il fatto che per mantenere la temperatura interna di 20°C, nel caso dello stato attuale, è necessario mantenere la superficie riscaldante ad una temperatura di 29°C che rappresenta il valore limite da non superare per non creare disagio all''utente. Nel caso dello stato modificato, invece, per ottenere la stessa temperatura interna di 20°C è possibile scendere fino ad un valore di 23°C della superficie scaldante. Dal confronto delle due tipologie di riscaldamento, a pavimento e a soffitto, sono emerse differenze riguardanti: a. gli andamenti verticali delle temperature: nel caso dei pannelli a pavimento la temperatura dell''aria segue un andamento pressoché costante; in quelli a soffitto l''aria calda tende a ''ristagnare' in alto. La conseguenza di questo fenomeno (Hot Head Effect), fa sì che la temperatura dell''aria all''altezza della testa, per una persona che si trova in piedi nella stanza, presenta un valore non ottimale per la condizione di benessere termico. Viene così confermato che la soluzione a soffitto è più adatta per stanze più alte (oltre i 4 metri) come quelle delle vecchie abitazioni e per i capannoni industriali. In questi ultimi la soluzione a soffitto consente l''utilizzo anche per il raffrescamento estivo (si parla in questo caso di soffitti freddi). b. modalità di trasmissione del calore. Per i pannelli a pavimento, teoricamente, dovrebbe avvenire per il 75% per irraggiamento e per il 25% tramite convezione. Per i pannelli a soffitto, invece, il calore dovrebbe essere trasmesso totalmente per irraggiamento. I risultati che si sono ottenuti sono abbastanza in accordo con le percentuali teoriche per il caso del riscaldamento a pavimento, mentre per il caso a soffitto non siamo andati oltre il 91% nel caso dello stato modificato. Quest''ultimo risultato potrebbe essere giustificato dal fatto che, a differenza del caso ideale (stanza vuota e senza finestre), in questo modello sono presenti porte, finestre e arredi. Ciò determina differenze notevoli di temperatura tra le superfici più fredde (finestre, porte, pareti) e l''aria interna, con conseguente attivazione dei moti convettivi dell''aria e quindi trasmissione di calore per convezione. Ne consegue un allontanamento dalla condizione ideale del 100% di calore trasferito per irraggiamento nel caso di pannelli radianti a soffitto. Conclusioni 188 Tale spiegazione sembra avere conferma andando a confrontare le velocità dei flussi e l''irraggiamento per il caso dello stato attuale e quello modificato: a fronte di velocità dei flussi minori nel caso dello stato modificato, è stato riscontrato un aumento del contributo dell''irraggiamento di una quota pari al 2%. A titolo di verifica è stato costruito un modello semplificato di una stanza con sole pareti, senza porte o finestre, e si è constatato che in effetti la quota di trasferimento di calore per irraggiamento era prossima al 100%. Sembrerebbe perciò preferibile, per il caso in esame e per come sono disposti gli arredi interni, la soluzione con i pannelli a pavimento. Dal punto di vista del comfort termico, questa soluzione è la migliore poiché è in grado di offrire un irraggiamento uniforme e un andamento verticale della temperatura molto simile a quello della curva ideale di benessere termico. Per ottenere tale curva si devono avere zone leggermente più calde a pavimento, quindi temperatura più alta agli arti inferiori, i più lontani dal cuore, e zone leggermente più fredde a soffitto. Bibliografia 189 RIFERIMENTI BIBLIOGRAFICI

[1] UNI, ''Ambienti termici moderati '' Determinazione degli indici PMV e PPI e specifica delle condizioni di benessere termico', Norma UNI-EN-ISO 7730, Unificazione Italiana, Milano, 1996. [2] ISO, ''Moderate thermal environments. Determination of PMV and PPI indices and specification of the conditions for thermal comfort', International Standard 7730, 2 a edizione, International Standardization Organization, Genova (Svizzera), 1194. [3] ASHRAE, ''Thermal environmental conditions of human ocupancy '' ASHRAE Standard 55-92', American Society of Heating Refrigerating and Air-Conditioning Engineers, Atlanta, Ga., USA, 1992. [4] Gagge A.P., Stolwijk, Nishi Y, ''An effective temperature scale based on a simple model of human physiological regulatory response', ASHRAE Transactions, 77, pp. 246-262, Atlanta, Ga., USA, 1971. [5] UNI, ''Ambienti termici '' Strumenti e metodi per la misura delle grandezze fisiche', Norma UNI-EN 27726, Unificazione Italiana, Milano, 1996. [6] Olesen B.W., ''Thermal comfort requirements for floors', Proc. Of Meeting of IIR (commissione E1), Belgrade, 1977. [7] CNR '' PFE, Dati climatici per la progettazione edile ed impiantistica, PEG, Milano 1982. [8] Jonn Are Myhren, Sture Holmberg, ''Flow patterns and thermal comfort in a room with panel, floor and wall heating'; Fluid and Climate Technology, Department of Constructional Engineering and Design, KTH, School of Technology and Health, Marinens va¨g 30, SE-13640 Haninge-Stockholm, Sweden, 13 April 2007. Bibliografia 190 [9] Néstor Fonseca, Cristian Cuevas, Vincent Lemort, ''Radiant ceiling systems coupled to its environment part 1: Experimental analysis', 22 December 2009. [10] Néstor Fonseca, Stephane Bertagnolio, Cristian Cuevas, ''Radiant ceiling systems coupled to its environment part 2: Dynamic modeling and validation', 22 December 2009. ALLEGATO NORMATIVE - Definizioni 191 ALLEGATO NORMATIVE - Definizioni 192 ALLEGATO NORMATIVE - Definizioni 193 ALLEGATO NORMATIVE - Definizioni 194 ALLEGATO NORMATIVE - Verifiche 195 I '' Tipo di intervento (Art. 3)
Edifici di nuova costruzione
e impianti in essi contenuti
Ampliamenti con un volume >
20% del volume dell''edificio
stesso
Nuova istallazione di
impianti termici in edifici
esistenti o ristrutturazione
degli stessi impianti Ristrutturazioni integrali degli
elementi d''involucro e demolizioni e ricostruzioni in
manutenzione straordinaria di
edifici esistenti con superficie
utile > 1000 m 2
Sostituzione di generatori di
calore Ristrutturazioni totali o parziali e manutenzioni straordinarie dell''involucro per tutti i casi diversi dai due
sopra descritti
II '' Schema delle verifiche

Incrociando la categoria d''intervento (colonne) con la tipologia dell''edificio (righe) si ottiene l''elenco completo delle prescrizione da rispettare (consultare Tabella III)
E1(1) A, C, D, E, F, H, I, J, K, L A, D, E, F, H, I, K, L A, D, E, F, H, I B, D, E, F, I H, J, O, P O, P, Q E1(2)
E1(3)
E2 A, C, D, E, G, H, I, J, K, L A, D, E, G, H, I, K, L A, D, E, G, H, I B, D, E, G, I E3
E4
E5
E7 E6 A, C, D, H, J, K, L A, D, H, K, L A, D, H B E8 A, H, J, K, L A, H, K, L A, H
ALLEGATO NORMATIVE - Verifiche 196

III '' Elenco delle verifiche


A
EPi,ηg, U (comma 1) - Indice di prestazione energetica per la climatizzazione invernale EPi < EPi limite calcolato da Tabelle 1.1, 2, 3, 4, 5 e 6 riportate nel capitolo 4 - Rendimento globale medio stagionale (ηg) ' (65+3logPn)% se Pn <1000 kW - Rendimento globale medio stagionale (ηg) ' 74% se Pn '1000 kW
- Con riferimento alle tabelle del capitolo 4, verificare che: Trasmittanza strutture opache vert. ' valori TAB 2.1 incrementati del
30%
Trasmittanza strutture opache oriz. ' valori TAB 3.1 o .2
incrementati del 30%
Trasmittanza chiusure trasparenti ' valori TAB 4.a incrementati del
30%
Trasmittanza vetri ' valori TAB 4.b incrementati del 30%. A Alternativa (commi 2 e 6 ) In alternativa se il rapporto tra superficie trasparente complessiva dell''edificio e la sua superficie utile è inferiore a 0.18 si può attribuire direttamente all''edificio un valore di EPi =EPi limite, se in contemporanea si verificano le seguenti prescrizioni sugli impianti e sull''involucro: - Rendimento termico utile (a carico pari al 100% di Pn) > X + 2 log Pn Con X=90 per le zone climatiche A, B e C, e X=93 per le zone climatiche D, E e F Se Pn > 400 kW, si applica il limite massimo corrispondete a 400 kW - T media fluido termovettore in condizione di progetto < 60°C - Installazione centralina di termoregolazione programmabile in ogni unità immobiliare e dispositivi per la regolazione della temperatura ambiente nelle zone omogenee dell''edificio per prevenire il surriscaldamento dovuto agli apporti gratuiti - Nel caso di istallazione di pompe di calore: rendimento utile in condizioni nominale riferito all''en. primaria (ηu) ' (90+3logPn) con fattore di conversione = (When.elettr/When.primaria) = 0.36 - Trasmittanza strutture opache verticali ' valori TAB 2.1 - Trasmittanza strutture opache orizzontali ' valori TAB 3.1 o 3.2 (escl. categoria E8) - Trasmittanza chiusure trasparenti ' valori TAB 4.a (escl. categoria E8) - Trasmittanza vetri ' valori TAB 4.b (escl. categoria E8) B U limite (comma 2) Con riferimento alle tabelle del capitolo 4, verificare che: - Trasmittanza strutture opache verticali ' valori TAB 2.1 - Trasmittanza strutture opache orizzontali ' valori TAB 3.1 o 3.2 (escl. Categoria E8) - Trasmittanza chiusure trasparenti ' valori TAB 4.1 (escl. categoria E8) - Trasmittanza vetri ' valori TAB 4.2 (escl. categoria E8) ALLEGATO NORMATIVE - Verifiche 197 C
divisori (comma 7) Verificare che: Udivisorio ' 0.8 W/m 2K per le sole zone climatiche C, D, E, e F, e per: - tutti i divisori (verticali e orizzontali) di separazione tra edifici o unità immobiliari confinanti. - tutte le strutture opache che delimitano verso l''ambiente esterno gli ambienti nondotati di impianto di riscaldamento. D condensa (comma 8) Verificare per tutte le pareti opache l''assenza di condensazioni superficiali e che la presenza di condensazione interstiziali siano limitate alla quantità rievaporabile secondo la normativa vigente (UNI EN 13788). Qualora non si conoscono i dati si assumono i valori: UR=65% e Tinterna=20°C E massa superficiale (comma 9) Verificare che (ad esclusione della zona F) per le località in cui il valore medio mensile dell''irradianza sul piano orizzontale nel mese di massima insolazione Im,s ' 290 W/m 2: - la massa superficiale (Ms) delle pareti opache (verticali, orizzontali e inclinate) sia maggiore di 230 kg/m 2 - si ottengono gli effetti positivi di una parete opaca con Ms pari a 230 kg/m 2 pur utilizzando tecniche e materiali innovativi. F schermature (comma 10) Solo nel caso di collegi, conventi, case di pena e caserme, per edifici con superficie utile maggiore di 1000 m 2 è obbligatoria la presenza di sistemi schermanti esterni G schermature (comma 10) Per edifici con superficie utile maggiore di 1000 m 2 è obbligatoria la presenza di sistemi schermanti esterni H controllo Tambiente (comma 11) Verificare che in ogni locale o zona a caratteristiche termiche uniformi siano istallati dispostivi per la regolazione automatica della temperatura ambiente per evitare il sovra riscaldamento per effetto degli apporti solari e degli apporti gratuiti I controllo climatiz. Estiva (comma 9) Verificare che per la limitazione dei fabbisogni per la climatizzazione estiva e per il contenimento della temperatura interna negli ambienti: - siano presenti efficaci elementi di schermatura delle superfici vetrate (esterni o interni); - siano sfruttate al meglio le condizioni ambientali esterne e le caratteristiche distributive dell''edificio per ottimizzare la ventilazione naturale - siano adottati sistemi di ventilazione meccanica controllata nel caso non sia efficace lo sfruttamento della ventilazione naturale. Nel qual caso è prescritta l''adozione di un recuperatore di calore ogni qual volta la portata totale di ricambio (G) e il numero di ore di funzionamento (M) del sistema di ventilazione, siano superiori ai valori limite riportati nella seguente tabella (Art.5, comma 13 e Allegato C DPR 412/93): G M Portata totale d''aria Numero di ore annue di funzionamento m 3/h da 1400 a 2100 gradi giorno oltre 2100 gradi giorno 2.000 4.000 2.700 5.000 2.000 1.200 10.000 1.600 1.000 30.000 1.200 800 ALLEGATO NORMATIVE - Verifiche 198 60.000 1.000 700 J rinnovabile termico per ACS (commi 12 e 13) Obbligo di utilizzo di fonti rinnovabili per la produzione di energia termica in grado di coprire almeno il 50% del fabbisogno annuo di energia primaria richiesta dall''utenza per la produzione di ACS. Tale limite è ridotto al 20% per edifici situati nei centri storici. Le valutazioni concernenti il dimensionamento ottimale devono essere dettagliatamente illustrate nella relazione tecnica da depositare in comune. Le modalità applicative di questo obbligo saranno definite con i decreti attuativi previsti all''Art.4. K rinnovabile elettrico (commi 12 e 13) Obbligo di utilizzo di fonti rinnovabili per la produzione di energia elettrica. Le modalità applicative di questo obbligo saranno definite con i decreti attuativi previsti all''Art.4. L teleriscaldamento (comma 14) Obbligo di predisposizione delle opere necessarie a favorire il collegamento a reti di teleriscaldamento nel caso di tratti di rete ad una distanza inferiore a 1000 metri o in presenza di progetti approvati per la realizzazione di tale rete. O rendimento medio stagionale (comma 3) Verifica che: Rendimento globale medio stagionale (ηg) ' (75+3logPn)% se Pn <1000 kW Rendimento globale medio stagionale (ηg) ' 84% se Pn '1000 kW Dove log Pn è il logaritmo in base 10 della potenza utile nominale del generatore o dei generatori di calore al servizio del singolo impianto termico, espressa in kW P diagnosi energetica (comma 3) Allegare alla relazione tecnica una diagnosi energetica dell''edificio e dell''impianto che individui gli interventi di riduzione della spesa energetica, i relativi tempi di ritorno degli investimenti, i miglioramenti di classe energetica dell''edificio, motivando le scelte impiantistiche che si vanno a realizzare nel caso di: - di istallazione di potenze nominali al focolare ' 100 kW - di istallazione di impianti termici individuali per i quali la somma delle potenze dei singoli generatori o la potenza nominale dell''impianto termico preesistente risulta essere ' 100 kW Q Mera sostituzione di generatori di calore (comma 4) Si intendono rispettate tutte le disposizioni vigenti in tema di uso razionale d''energia incluse quelle riportate ai punti O e P, se coesistono le seguenti condizioni: - rendimento termico utile (in corrispondenza di un carico pari al 100% della potenza termica utile nominale) ' 90 + 2 log Pn - rendimento utile in condizioni nominali delle nuove pompe di calore elettriche riferito all''energia primaria ' 90 + 3 log Pn, con fattore di conversione tra energia elettrica ed energia primaria When.elettr/When. primaria = 0.36 - sia presente una centralina di termoregolazione programmabile per ogni generatore con le seguenti caratteristiche: 1. deve essere pilotata da sonde di rilevamento della temperatura interna, ed eventualmente da centralina per la temperatura esterna, con regolazione della Tambiente su due livelli di temperatura nell''arco delle 24 ore, nel caso di impianti termici centralizzati; 2. deve consentire la programmazione e la regolazione della Tambiente su due livelli di temperatura nell''arco delle 24 ore, nel caso di impianti termici per singole unità ALLEGATO NORMATIVE - Verifiche 199 immobiliari. - siano presenti dispostivi modulanti per la regolazione automatica della temperatura ambiente nei singoli locali o nelle singole zone che possono godere di apporti gratuiti (solari o interni) - motivare eventuale incrementi di potenza nominale dei nuovi generatori rispetto a quelli sostituiti - verificare la corretta equilibratura del sistema di distribuzione (nel rispetto di limiti minimi massimi di Tambiente) nel caso di generatori di calore a servizio di più unità immobiliari. Eventuali squilibri devono essere corretti installando un sistema di contabilizzazione del calore - nel caso di sostituzione dei generatori di calore con Pn al focolare < 35 kW, con altri della stessa potenza, è rimessa alle autorità locali competenti ogni valutazione sull''obbligo di presentazione della relazione tecnica e se la medesima può essere omessa a fronte dell''obbligo di presentazione della dichiarazione di conformità Q Alternativa (comma 5) Nel caso non fosse possibile rispettare la prima prescrizione al punto Q, fermo restando il rispetto delle altre prescrizioni elencate, il decreto si considera rispettato a condizione di: - installare generatori di calore che abbiano rendimento termico utile a carico parziale pari al 30% della potenza termica utile nominale ' 85 + 3 log Pn - - predisporre una dettagliata relazione che attesti i motivi della deroga da inserire congiuntamente a copia della dichiarazione di conformità, correlata all''intervento, ai sensi della legge 5 marzo 1990, n. 46, e successive modifiche e integrazioni ALLEGATO NORMATIVE '' Requisiti Energetici degli edifici 200 ALLEGATO NORMATIVE '' Requisiti Energetici degli edifici 201 ALLEGATO NORMATIVE '' Requisiti Energetici degli edifici 202 ALLEGATO NORMATIVE '' Requisiti Energetici degli edifici 203


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