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Valutazione delle criticità nell'adozione di valvole termostatiche programmabili a servizio di terminali di emissione

In questo lavoro sono stati valutati gli effettivi vantaggi associati all’installazione delle valvole termostatiche considerando differenti esigenze di riscaldamento dovute alla personalizzazione dell’accensione dei terminali. La possibilità di personalizzare gli orari di accensione introduce nuove dispersioni poiché quando vengono spenti i radiatori in un appartamento esso tende a comportarsi da pozzo di calore per quelli adiacenti. Lo studio ha come obiettivo la caratterizzazione di un effetto indesiderato connesso all’utilizzo delle valvole termostatiche denominato “furto di calore”.

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La Termotecnica, maggio 2017

Pubblicato
da Alessia De Giosa




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Tecnica 56 LA TERMOTECNICA MAGGIO 2017 Energia & Edifici INTRODUZIONE
Il decreto 'Milleproroghe 2017' ha posticipato al 30 giugno 2017
l'obbligo di installazione dei sistemi per la contabilizzazione del
calore per gli impianti centralizzati di riscaldamento e di fornitura
di acqua calda sanitaria. I componenti principali dei suddetti sistemi
sono costituiti dalle valvole termostatiche [1] e dai contabilizzatori,
installati su ogni calorifero presente nell'abitazione, il cui compito
consiste nel misurare il calore emesso, controllare e regolare la tem-
peratura. Questo dovrebbe consentire di distribuire in maniera equa
i costi, premiando i comportamenti virtuosi dei condomini pi attenti
nella gestione dell'impianto e dei propri terminali di emissione attra-
verso la misura dei consumi effettivi.
A tal proposito, l'obiettivo dello studio effettuato consiste in una
valutazione degli effettivi benefici ottenuti mediante l'adozione di
un sistema di termoregolazione avanzato, vale a dire, le valvole ter-
mostatiche programmabili. L'idea nasce dallo studio della normativa
europea CEN EN15232 [2] riguardante l'impatto dell'automazione
e dei sistemi di controllo sulle prestazioni energetiche degli edifici
e dallo studio della norma tecnica UNI 10200 [3] riguardante la
ripartizione delle spese di riscaldamento e acqua calda sanitaria (in
cui vengono definiti consumi volontari e involontari). A partire da qui
si sono valutati i vantaggi ottenibili a livello di singolo appartamento
e di intero edificio, nel momento in cui, sfruttando la possibilit di
customizzazione delle valvole programmabili, vengono introdotte di-
somogeneit negli orari di accensione/parzializzazione dei terminali
dei singoli appartamenti.
Prendendo un edificio virtuale, costituito da 6 appartamenti suddivisi
in tre piani, modellizzato con un software dinamico di simulazione energetica degli edifici, sono stati ipotizzati alcuni scenari di custo-
mizzazione. La possibilit di personalizzare il profilo di accensione
dei terminali attraverso le valvole programmabili potrebbe introdurre
dispersioni indesiderate all'interno dell'involucro edilizio stesso. In
effetti, nel momento in cui un condomino decide di spegnere i propri
radiatori, il suo appartamento si comporta da pozzo di calore per gli
appartamenti adiacenti [4].
In questo lavoro si cercato di valutare se la disomogeneit di accen-
sione dovuta alla customizzazione possa costituire uno svantaggio per
gli altri condomini e se effettivamente, anche a livello di edificio, si
traduca in un risparmio o meno di energia termica. Il fenomeno, noto
come 'furto di calore', pu introdurre consumi involontari per alcuni,
aumentando paradossalmente la spesa dovuta al consumo volontario.
Inoltre, proprio per l'introduzione di queste nuove dispersioni, rimane
da verificare se il vantaggio dovuto ad una 'non accensione' a livello
di appartamento, si traduca in un eguale risparmio di energia a livello
di condominio. I risultati dello studio possono contribuire a definire
strategie di gestione dei sistemi di automazione e termoregolazione
in modo da ottimizzare l'uso dell'energia a livello di singolo appar-
tamento e di edificio. MODELLO DI SIMULAZIONE
L'analisi energetica stata effettuata mediante il un software dinamico
di simulazione energetica, modellizzando un edificio virtuale di tre
piani ad uso residenziale, con due appartamenti per piano. Si scelto
un orientamento dell'edificio in modo che gli appartamenti abbiano
principalmente orientamenti Sud e Nord. Le simulazioni sono state
effettuate prendendo in considerazione due citt italiane con climi di L. Mauri, E. Carnielo, R. de Lieto Vollaro Valutazione delle criticit nell'adozione di valvole
termostatiche programmabili a servizio dei terminali
di emissione nei sistemi di riscaldamento centralizzati In questo lavoro sono stati valutati gli effettivi vantaggi associati all'installazione delle valvole termostatiche considerando differenti esigenze di
riscaldamento dovute alla personalizzazione dell'accensione dei terminali. La possibilit di personalizzare gli orari di accensione introduce nuove
dispersioni poich quando vengono spenti i radiatori in un appartamento esso tende a comportarsi da pozzo di calore per quelli adiacenti. Lo studio
ha come obiettivo la caratterizzazione di un effetto indesiderato connesso all'utilizzo delle valvole termostatiche denominato 'furto di calore'. ASSESSMENT OF CRITICAL ISSUES IN THE ADOPTION OF PROGRAMMABLE THERMOSTATIC VALVES TO SERVICE RADIATORS IN CENTRALIZED HEATING SYSTEMS
The actual advantages in the adoption of thermostatic valves has been assessed considering possible differences in heating demands due to on/off
customization. The possibility to set up personalized timetables introduces additional thermal dispersions since when radiators are off an apartment
tends to be a heat sink for adjacent ones thus penalizing other users. The study aim at the characterization of an unwanted effect related to the use of
programmable thermostatic valves named 'heat theft'. Luca Mauri, Emiliano Carnielo, Roberto de Lieto Vollaro
Universit degli Studi di Roma Tre, Dipartimento di Ingegneria Tecnica LA TERMOTECNICA MAGGIO 2017 57 Energia & Edifici piuttosto differenti: Milano e Palermo.
Per quanto riguarda le caratteristiche termofisiche dell'edificio, ci si
riferiti alle normative vigenti circa i valori della trasmittanza degli
elementi di involucro. Inoltre, anche per le fasce orarie di accensione
dei riscaldamenti ci si attenuti alle prescrizioni antecedenti all'in-
troduzione della contabilizzazione e termoregolazione del calore:
un massimo di 14h per Milano (Zona climatica E) e 8h per Palermo
(Zona climatica B).
Come detto in precedenza, il modello di edificio di tre piani costi-
tuito da due appartamenti per piano, ciascuno di 81 m2 di superficie
utile e altezza interpiano di 3 metri. La superficie vetrata di involucro
all'incirca del 12%. In Figura 1 vengono riportati uno schema del
modello 3D dell'edificio virtuale studiato insieme a una sezione dello
stesso con la nomenclatura scelta per le zone termiche.
Per ci che concerne i valori delle trasmittanze termiche degli elementi
di involucro ci si riferiti alle prestazioni minime richieste per edifici
di nuova costruzione aggiornate al 2015. Anche per quanto riguar-
da i valori di trasmittanza delle partizioni interne ci si riferiti alle
prescrizioni normative.
Il software utilizzato richiede i valori dei guadagni interni di calore
presenti all'interno di ciascuna zona termica dovuti sia alla presenza
di persone sia a quella delle apparecchiature elettroniche. I valori sono
stati scelti seguendo le indicazioni presenti nella UNI/TS 11300-1 per
edifici ad uso residenziale e, per ogni appartamento, sono i seguenti: -2 persone a riposo; -1 PC; -5 W/m2 per l'illuminazione artificiale. Per simulare l'intermittenza del verificarsi dei suddetti guadagni gra-
tuiti si sono impostate alcune schedule di presenza e di accensione.
A questo punto bisogna specificare che sono state modellizzate due
tipologie di fruizione dei locali da parte degli occupanti: Utente 1 e
Utente 2.
L'introduzione di questi due utenti genera due differenti richieste di
energia termica ideale per il riscaldamento da cui nasce il fenomeno
dei furti di calore oggetto principale di questo studio. Nella tabella 1
si tentato di semplificare la lettura delle occorrenze delle schedule
riguardanti l'accensione dei terminali di emissione. Infine, dal momento che l'edificio ad uso residenziale stato adottato
un tasso di ventilazione come suggerito nella UNI/TS 11300-1 per gli
edifici adibiti ad uso residenziale. DEFINIZIONE DI 'FURTO DI CALORE'
Il furto di calore un consumo involontario che viene contabilizzato
come volontario per gli utenti che si trovano a disperdere verso locali
adiacenti in cui vi un condomino che sceglie una diversa gestione
oraria dei propri terminali. A rigore quindi, nel momento in cui tutti i
condmini scelgono le stesse fasce orarie di accensione, i furti di calore
non si verificano. Ovviamente questa situazione ideale non si verifica
quasi mai perci risulta importante determinare l'entit dei furti di
calore in modo da conoscerne l'impatto energetico che pu avere sui
singoli condomini e sul fabbisogno dell'intero edificio.
La relazione elaborata per quantificare questo effetto indesiderato
la seguente: Dove:
il fabbisogno dell'edificio nel caso in cui tutti gli utenti hanno lo stesso profilo di richiesta termica;
il fabbisogno dell'Utente 1 nel caso in cui tutti gli utenti hanno lo stesso profilo di richiesta termica;
il fabbisogno dell'edificio quando vi almeno un utente che customizza diversamente i terminali;
il fabbisogno dell'Utente 2 quando sceglie di customizzare diversamente rispetto agli altri. Il fatto che vi sia un utente che accende i propri terminali per un
intervallo di tempo meno esteso rispetto agli altri produce sicura-
mente una diminuzione della richiesta del fabbisogno di energia
termica ideale. Diminuendo il suo fabbisogno dovrebbe diminuire
di un egual valore il fabbisogno globale di energia termica ideale
dell'edificio. Vedremo che ci non accade proprio a causa dei furti
di calore e che in alcuni casi il vantaggio dovuto alla diminuzione
del suo fabbisogno quasi completamente annullato, a livello di
edificio, dai furti di calore. FIGURA 1 - (a) modello 3D
dell'edificio; (b) nomenclatura
adottata per i locali
Citt Utente 1 Utente 2* Milano 05.00-11.00 / 17.00-24.00 06.00-08.00 / 19.00-23.00 Palermo 05.00-08.00 / 17.00-22.00 06.00-08.00 / 19.00-23.00 TABELLA 1 - Schedule di accensione
dei terminali di emissione - *Utente 2
del tutto assente nel weekend
(1) '''''''''''' = ('''''''''''''''''''''''''''' * - ''''''''''''''''2 * ) - ('''''''''''''''''''''''''''' '''''''''''' - ''''''''''''''''2 '''''''''''') '''''''''''''''''''''''''''''''''''''''' ''''''''''''''''''''''''''''1 ''''''''*'''''''''''''''''''' ''''''''*''''''''2 Tecnica 58 LA TERMOTECNICA MAGGIO 2017 Energia & Edifici RISULTATI DELLE SIMULAZIONI
Come precedentemente accennato, la logica seguita per effettuare le
simulazioni ha tenuto conto del verificarsi di due personalizzazioni
negli orari di accensione dei radiatori associate a due utenti. Questo
comporta due differenti esigenze per quanto riguarda i fabbisogni di
energia termica ideale di riscaldamento. Per determinare l'entit dei
furti di calore ci si riferiti un caso standard in cui vi omogeneit di
accensione all'interno dell'edificio. Per questo motivo stata effettuata
una prima simulazione di riferimento considerando tutti Utenti 1. Le
simulazioni seguenti, da SIM 1 a SIM 6, vedono la presenza di un
Utente 2 alternarsi in tutte le posiziono occupabili all'interno dell'e-
dificio, dal piano terra sud (P0_S) al secondo piano nord (P2_N). Il
tasso di occupazione perci sempre lo stesso. Ci che cambia la
collocazione nell'edificio dell'Utente 2 e di conseguenza la sua richie-
sta di energia termica ideale dovuta a orientamento ed esposizione
dell'appartamento in cui si trova. Nella Tabella 2 sono riportati i fabbisogni dei singoli locali, quelli
dell'intero edificio e l'entit dei furti di calore per ciascuna delle
simulazioni da SIM 1 a SIM 6 per le due citt considerate. La prima
riga (REF) mostra i fabbisogni ideali dei locali quando tutti gli utenti
personalizzano l'accensione da Utente 1. La diagonale della matrice
delle simulazioni (valori evidenziati in rosso) fornisce il fabbisogno
ideale degli Utenti 2. L'ultima colonna fornisce il valore dei furti di
calore da SIM 1 a SIM 2.
Osservando i dati in maniera generale si nota che la diminuzione del
fabbisogno globale di energia termica ideale non pari alla diminu-
zione del fabbisogno ideale del condomino che passa da Utente 1 a
Utente 2. L'altra tendenza che salta subito agli occhi che, a seconda
della vicinanza al locale in cui si trova Utente 2, quasi tutti gli altri
locali vedono un aumento del loro fabbisogno.
Per quanto riguarda Milano, l'entit dei furti di calore maggiore
quando l'Utente 2 si trova in un locale orientato verso nord. A Palermo Citt P0_S P0_N P1_S P1_N P2_S P2_N TOT FdC Milano REF 4.06 4.45 2.90 3.28 3.63 4.39 22.71 - SIM 1 2.10 4.61 3.33 3.31 3.68 4.40 21.42 0.67 SIM 2 4.23 2.31 2.93 3.76 3.64 4.44 21.32 0.74 SIM 3 4.36 4.47 1.32 3.38 3.93 4.41 21.87 0.73 SIM 4 4.08 4.80 3.00 1.51 3.66 4.72 21.77 0.83 SIM 5 4.11 4.46 3.31 3.31 1.77 4.53 21.50 0.64 SIM 6 4.06 4.51 2.93 3.76 3.80 2.09 21.14 0.74 Palermo REF 1.47 1.79 0.45 0.67 0.51 0.80 5.68 - SIM 1 1.00 1.83 0.52 0.68 0.52 0.80 5.35 0.14 SIM 2 1.51 1.22 0.45 0.78 0.51 0.81 5.27 0.17 SIM 3 1.51 1.80 0.28 0.68 0.55 0.80 5.62 0.11 SIM 4 1.47 1.85 0.46 0.44 0.51 0.84 5.58 0.13 SIM 5 1.48 1.79 0.49 0.68 0.34 0.81 5.58 0.07 SIM 6 1.47 1.80 0.45 0.73 0.53 0.51 5.48 0.09 TABELLA 2 - Fabbisogni ideali di energia termica (MWh anno) e entit dei furti di calore Citt P0_S P0_N P1_S P1_N P2_S P2_N TOT Milano SIM 1 -48% +3% +15% +1% +1% 0% -6% SIM 2 +4% -48% +1% +15% +0% +1% -6% SIM 3 +7% 0% -54% +3% +8% 0% -4% SIM 4 +1% +8% +4% -54% +1% +7% -4% SIM 5 +1% 0% +14% +1% -51% +3% -5% SIM 6 0% +1% +1% +15% +5% -53% -7% Palermo SIM 1 -32% 2% 17% 1% 3% 0% -6% SIM 2 3% -32% 2% 16% 0% 2% -7% SIM 3 3% 0% -37% 2% 7% 1% -1% SIM 4 0% 3% 3% -35% 1% 6% -2% SIM 5 1% 0% 9% 1% -34% 2% -2% SIM 6 0% 1% 1% 8% 3% -36% -3% TABELLA 3 -
Variazione dei
fabbisogni ideali
di energia termica
Tecnica LA TERMOTECNICA MAGGIO 2017 59 Energia & Edifici invece sembrano aver maggior peso i fabbisogni dei locali al pian
terreno i quali infatti introducono maggiori dispersioni rispetto agli
altri quando vi un Utente2. La differenza di questo dato rispetto a
Milano probabilmente dovuta all'intensit della radiazione solare
che costituisce un vantaggio (in inverno) per i locali ai piani alti.
Come osservazione finale sui furti di calore che si verificano a livello
di edificio, ci si aspetterebbe un rapporto tra quelli riguardanti Milano
e quelli riguardanti Palermo pari allo stesso rapporto che vi tra i
fabbisogni nel caso di riferimento. Questo non accade in quanto il
rapporto tra i furti di calore medi minore. Il motivo da ricercarsi nel
fatto che il valore delle trasmittanze delle partizioni interne tra locali
differenti lo stesso a Milano e a Palermo. Probabilmente dovrebbe
essere introdotta una proporzionalit pari a quella che esiste tra le
trasmittanze d'involucro direttamente legate ai gradi giorno delle
differenti zone climatiche.
In Tabella 3 si possono analizzare le variazioni percentuali dei fab-
bisogni dei singoli locali al variare delle simulazioni. Per ci che
concerne Milano, a una riduzione media del 51 % del fabbisogno
ideale dei locali in cui presente n Utente 2, determinati appartamenti
subiscono fino a un incremento del 14-15 % di fabbisogno di energia
termica ideale per riscaldamento (P1_S in SIM 1, P1_N in SIM 2,
P1_S in SIM 5 e P1_N in SIM 6). A livello di edificio il vantaggio si
traduce in un massimo decremento di fabbisogno del 7 %. Nel caso
del capoluogo siciliano, a fronte di una riduzione media del 34% dei
fabbisogni ideali delle unit in cui si passa da Utente 1 a Utente 2,
si verificano incrementi di fabbisogni fino al 16-17 % (P1_S in SIM
1 e P1_N in SIM 2). Negli altri casi gli incrementi di fabbisogni di
energia non raggiungono il 10% mentre gli unici due casi al di sopra
di questo valore sono localizzati in appartamenti al piano terra, come
da osservazioni fatte in precedenza.
Un'ulteriore analisi grafica pu essere di aiuto nella visualizzazione
pi immediata del verificarsi dei furti di calore: in Figura 2 i diagrammi a radar evidenziano, per ciascuna simulazione, la distribuzione dei
fabbisogni tra i diversi locali. Dal momento che vengono riportati
anche i dati relativi alla simulazione di riferimento possibile indivi-
duare immediatamente i casi in cui vi sono maggiori consumi dovuti
ai furti di calore. CONCLUSIONI
Lo studio effettuato aveva come obiettivo l'analisi degli effetti di diffe-
renti personalizzazioni delle fasce di accensione dei terminali in un
impianto di riscaldamento centralizzato. Per questo motivo sono stati
simulati due diverse richieste di energia termica corrispondenti a due
utenti distinti. Dopo aver effettuato una simulazione del comportamento
energetico dell'edificio in condizioni di riferimento, sono state effettuate
6 diverse simulazioni in cui una personalizzazione differente veniva
introdotta di volta in volta in ciascun locale. Questo schema di simula-
zioni stato effettuato per due localit: Milano e Palermo.
In generale, nonostante l'Utente 2 abbia una minore esigenza energe-
tica di riscaldamento, la diminuzione del fabbisogno globale dell'edi-
ficio non pari alla diminuzione del fabbisogno ideale del condomino
che passa da Utente 1 a Utente 2. Per quanto riguarda Milano, l'entit
dei furti di calore maggiore quando l'Utente 2 si trova in un locale
orientato verso nord.
A livello di edificio ci si aspetterebbe un rapporto tra i fabbisogni riguar-
danti Milano e quelli riguardanti Palermo pari allo stesso rapporto che
vi tra i fabbisogni nel caso di riferimento ma ci non accade in quanto
il rapporto tra i furti di calore medi minore. Il motivo da ricercarsi
nel fatto che il valore delle trasmittanze delle partizioni interne tra locali
differenti lo stesso a Milano e a Palermo. Per ci che concerne Milano,
a una riduzione media del 51 % del fabbisogno ideale dei locali in cui
presente un Utente 2, determinati appartamenti subiscono fino a un
incremento del 14-15 % di fabbisogno di energia termica ideale per
riscaldamento. A livello di edificio il vantaggio si traduce in un massimo FIGURA 2 - Diagrammi a radar dei fabbisogni ideali rispetto al caso di riferimento: (a) Milano, (b) Palermo Tecnica 60 LA TERMOTECNICA MAGGIO 2017 Energia & Edifici decremento di fabbisogno del 7 %. Inoltre, a seconda della vicinanza al
locale in cui si trova l'Utente 2, tra il 60 % e l'80 % degli altri condmini
subiscono un incremento del loro fabbisogno almeno del 3%.
Nel caso del capoluogo siciliano, a fronte di una riduzione media
del 34% dei fabbisogni ideali delle unit in cui si passa da Utente 1 a
Utente 2, si verificano incrementi di fabbisogni fino al 16-17%. Negli
altri casi gli incrementi di fabbisogni di energia non raggiungono il 10%
mentre gli unici due casi al di sopra di questo valore sono localizzati in
appartamenti al piano terra, come da osservazioni fatte in precedenza.
In ogni modo, a Palermo tra il 40 % e il 60 % degli utenti subisce un
furto di calore almeno del 3%.
A valle di questo studio si sono individuate le seguenti criticit:
1. i furti di calore vengono al momento conteggiati tra i consumi vo- lontari mentre essi costituiscono dei consumi 'involontari volontari'
in quanto gli strumenti di contabilizzazione li conteggiano come
volontari mentre l'utente non li vuole; 2. bisognerebbe introdurre una proporzionalit tra la trasmittanza del- le partizioni interne e quella che esiste tra le trasmittanze d'involucro
e i gradi giorno delle differenti zone climatiche. Come approfondimento futuro sono previste ulteriori analisi numeri-
che all'aumentare del grado di complessit dell'edificio e del grado
di intermittenza nella gestione dei terminali. Si prevede inoltre di trovare una relazione tra l'entit dei furti di calore a livello di edificio
e le caratteristiche dei locali in cui si verifica la diversa gestione. In
seguito, modellizzato l'impianto termico, si studier la resilienza del
complesso edificio-impianto al variare delle condizioni di accensione
dei terminali, cercando di comprendere se il fenomeno dei furti di calore
si manifesta con la stessa intensit anche sul fabbisogno di energia
termica primaria e quanto esso sia sensibile alla tipologia di impianto.

BIBLIOGRAFIA
1. Seifert, J., Knorr, M., Meinzenbach, A., Bitter, F., Gregersen, N., Krogh, T. Rewiev of thermostatic control valves in the European
standardization system of the EN 15316-2/EN 215. Energy and
Buildings 2016, 125, 55-65. 2. European Technical Standard EN 15232, Energy Performance of Buildings'Impact of Building Automation, Control, and Building
Management, 2nd ed., CEN, Brussels, 2012. 3. UNI 10200, Centralized heating systems for space heating and domestic hot water production - Heating and domestic hot water
costs sharing criteria, UNI, Milano, 2015. 4. Mauri, L., Carnielo, E., Basilicata, C. Assessment of the impact of a centralized heating system equipped with programmable thermo-
static valves on building energy demand. Energy Procedia 2016,
101, pp. 1042:1049. www.chaffoteaux.it Scarica gratis la versione demo ChaffoLink PIGMA HYBRID FLEX IN LINK Il nuovo ibrido ad incasso di Chaffoteaux LA COMBINAZIONE INTELLIGENTE DI TECNOLOGIA E INNOVAZIONE PER LA MASSIMA EFFICIENZA ENERGETICA UNA TECNOLOGIA INTEGRATA CHE NASCONDE L'IMPIANTO E FACILITA LA GESTIONE
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