ECOABITAIl progetto pilota sulla certificazione energetica degli edifici

Corso Progettista Ecoabita III° edizione

Introduzione Impianti 1

Dott. Ing. Roberto Capra

ACER RE – UNIVERSITA’ DI FERRARA

PREMESSE• L’approccio progettuale integrato al sistema edificio-impianto• Potenza ed energia• Temperatura operativa • Il calore sensibile e il latente: il PCS e il PCI• Le perdite di trasformazione• Cenni sulla cogenerazione

Il SISTEMA IMPIANTI MECCANICI• Impianto di riscaldamento e i suoi componenti :

• Produzione fluido termovettore: caldaie e pompe di calore • Distribuzione fluido termovettore: tubazioni ed isolamenti • Corpi scaldanti• Sistemi di regolazione e contabilizzazione e taratura• La caratterizzazione energetica del sistema edificio impianto

Introduzione impianti:Argomenti trattati

Introduzione impianti: SISTEMA EDIFICIO-IMPIANTO

Involucro edilizio IMPIANTIElettrici

SISTEMA EDIFICIO-IMPIANTO

IMPIANTIMeccanici

SI DEVE ADOTTARE LA LOGICA DEL SISTEMA EDIFICIO IMPIANTO, QUINDI PENSANDO AD UN ORGANISMO EDILIZIO UNICO COSTITUITO DALLE SINGOLE COMPONENTI CHE CONCORRONO INSIEME A GARANTIRE L’ABITABILITA’ E IL COMFORT PER GLI OCCUPANTI E A MINIMIZZARE I COSTI ENERGETICI DI GESTIONE

Dettagli impiantistici:

La potenza misura l’attitudine di un sistema a compiere un lavoro

(unità di misura kW, J/s)

L’energia è la potenza nel tempo (unità di misura kWh, J)

E

t

tt

odttPE )(),0(

La temperatura media radiante ed operante

Introduzione impianti 2:

Temperatura media radiante (TMR)E’ la temperatura media pesata delle temperature delle superfici che delimitano l’ambiente incluso l’effetto dell’irraggiamento solare incidente. Influisce sugli scambi per irraggiamento. Assieme alla temperatura dell’aria, la TMR è il fattore che influenza maggiormente la sensazione di calore perché la radiazione che cade sulla cute ne attiva gli stessi organi sensori. Se il corpo è esposto a superfici fredde, una quantità sensibile di calore è emessa sotto forma di radiazione verso queste superfici, producendo una sensazione di freddo.

Si definisce temperatura operante come la media fra la temperatura dell’aria e quella media radiante proprio per valutare con un unico valore gli scambi termici per convezione e irraggiamento.

Dettagli impiantistici:La temperatura operante

Introduzione impianti:Calore latente e sensibile

Si definisce calore sensibile il calore scambiato senza cambiamento di fase, quindi con cambiamenti di temperatura.

Si definisce calore latente il calore con cambio di fase, senza cambiamenti di temperature.

Cambiamenti di fase

Evaporazione – passaggio da liquido a gas con assorbimento di calore dall’ambiente dovuto alla differenza tra la tensione di vapore e la pressione dell’ambiente

Condesanzione – passaggio da gas a liquido con cessione di calore all’ambiente

Introduzione impianti:Calore latente e sensibile

10°C…

H2

OO

70°C… 100°C…100°C…

Introduzione impianti:Pcs e Pci

Dettagli impiantistici:Il rendimento di trasformazione

Corso Progettista, III° edizione

Introduzione impianti 2: la cogenerazione

Introduzione impianti 2: la cogenerazione

[Carattere testo: Arial Narrow 24, nero]

Introduzione impianti 2: la cogenerazione (Dachs 5,5 kW elettrici 15 termici)

•Legge 373/76 – (CD, Limiti sul acqua calda sanitaria (48° C), etc)• Legge 46/90 e decreto 447 – Norme UNI, UNI-CIG, UNI-CTI, CEI, etc •Legge 10/91 - (CD, PDC, rendimenti di FEN, etc) -PEN•DPR 412/93 – (Classificazione comuni, orari e periodi di accensione, isolamento etc)

•CE 2002/91 – EPBD •D. lgs 192 – 2005 •D. lgs 311 – 2006

Introduzione impianti: L’evoluzione del quadro normativo

Rif 01: Normativa

Introduzione impianti: Climatizzazione

Climatizzare significa controllare le seguenti grandezze:

•TEMPERATURA •UMIDITA’•VELOCITA’ DELL’ARIA•QUALITA’ DELL’ARIA

•Se un impianto controlla solo la temperatura si chiama impianto di riscaldamento

•Se un impianto controlla la qualità dell’aria si chiama impianto di ventilazione

Introduzione impianti:Componenti impianti riscaldamento

1. Centrale di produzione del calore 2. Sistema di distribuzione del fluido

termovettore (tubazioni e isolamento) 3. Terminali di erogazione negli ambiente

climatizzati.4. Sistema regolazione

Componenti caratterizzate da un rendimento termodinamico

produzionedistribuzione emissioneregolazione

Introduzione impianti:Le caldaie

Rif 02 : Doc. su caldaie

Dettagli impiantistici Rendimento di generazione ηp:

Corso Progettista, I° edizione Dett. impiantistici, R. Capra 27/10/2007

Introduzione impianti:Le caldaie

Nelle caldaie convenzionali i fumi escono ad alta temperatura, superiore ai 100°C.Il flusso termico dei fumi ad alta temperatura, pur rappresentando una necessità tecnologica rappresenta tuttavia una consistente dissipazione energetica.Un’altra dissipazione energetica è inoltre associata al "calore latente" del vapore d'acqua generato nel processo chimico della combustione disperso insieme agli altri fumi.Le “vecchie caldaie” sono spesso caratterizzate da rendimenti termici poco soddisfacenti) anche perché sovradimensionate.Nelle caldaie più recenti, ma anche nelle migliori caldaie moderne, il rendimento è al massimo di poco superiore al 90%

• Atmosferiche• Premiscelate modulanti a bassa temperatura con sonda esterna

http://www.ilportaledelsole.it

Introduzione impianti:Le caldaie

Introduzione impianti:

Curva di compensazione

T

man

data

T esterna15 °C

75 °C

-5 °C

40 °C

Introduzione impianti:Le caldaie

Introduzione impianti:Caldaie a condensazione

Dettagli impiantistici:Rendimento caldaia tradizionale

INNOVAZIONE CALDAIA A CONDENSAZIONE:utilizzare il calore contenuto nei fumi

per riscaldare acqua.

Le caldaie a condensazione raffreddano i fumi fino al "punto di rugiada“ recuperando

parte del calore contenuto in essi.

I fumi diventano freddi e viene utilizzata una tubazione in plastica come canna fumaria anche

per resistere alla condensa acida.

Grazie a questo recupero termico, nelle migliori caldaie a condensazione si riescono ad ottenere rendimenti superiori al 100% (shift potere

calorifico inferiore – potere calorifico superiore)

Introduzione impianti:

Curva di compensazione

T

man

data

T esterna15 °C

75 °C

-5 °C

40 °C

Introduzione impianti:Caldaie a condensazione

Dettagli impiantistici:Caldaie a condensazione

Introduzione impianti:Caldaie a condensazione

Introduzione impiantiCaldaie in cascata

Introduzione impianti:Le pompe di calore

Rif 03: Doc. su pompe di calore

Introduzione impiantiPompe di calore

Le pompe di calore esistono sul mercato dagli anni 50, si tratta dunque di una tecnica affidabile e ampiamente collaudata.Possono funzionare sia in caldo che in freddo.

Introduzione impiantiPompe di calore

Alta pressioneBassa pressione

Q fornito serbatoio caldo ad alta temperatura

Q sottratto al serbatoio freddoa bassa temperatura(2 kW)

L=lavoro in kW(1 kW)

(3 kW)

Introduzione impiantiPompe di calore

Introduzione impiantiPompe di calore

C.O.P.= Qt / L•È funzione della temperatura della sorgente fredda e della sorgente calda •È funzione del gas refrigerante (R407, R410)•E’ funzione del tipo di macchina (scambiatori,compressori, ventilatori,etc)

NB = Bisogna stare attenti ai dati dichiarati dai costruttori perché danno solo l’assorbimento elettrico dei compressori

L’efficienza di una pompa di calore è rappresentata dal coefficiente di prestazione C.O.P. (Coefficient of Performance), inteso come il rapporto tra l’energia termica resa al corpo da riscaldare e l’energia elettrica consumata.

Valori da considerare sufficienti di COP (secondo EN255) di pompe di calore sono 3.0 per le pompe di calore aria-acqua (con presa d'aria a 2°C e fornitura d'acqua a 35°C), 4.0 per pompe di calore a sonda geotermica (con sonda a 0°C e fornitura d'acqua a 35°C) e 4.5 per pompe di calore acqua-acqua (con acqua di prelievo del calore a 10°C e fornitura d'acqua a 35°C).

Introduzione impiantiPompe di calore

PDC elettriche

Condensate ad aria (COP= 2-3)

Condensate ad acqua

Geotermiche (3,5-4,5)

Pozzo o lago (5)

C.O.P

Introduzione impiantiPompe di calore

La variazione del C.O.P. al variare della temperatura esterna

COP al variare della T esterna

1,5

2

2,5

3

3,5

4

4,5

5

-25 -20 -15 -10 -5 0 5 10 15 20

T est

CO

P

PDC ad aria

PDC acqua di falda

PDC geo (GSHP)

Dettagli impiantistici:Le sonde geotermiche

Dettagli impiantistici:La sonda geotermica

Le sorgenti di calore – sonda geotermica

0°C

-3°C

+15°C

Dettagli impiantistici:La sonda geotermica

La singola U si utilizza quando non è possibile infilare la guaina fino in profondità.

Quindi, dopo perforazione si fa getto bentonite e poi su infula la sonda (la singola U permette di utilizzare spessori maggiori quindi offre maggiore resistenza all’infilamento)

cautelativamente l’esperienza porta a 35 W/mcautelativamente l’esperienza porta a 35 W/m

cautelativamente l’esperienza porta a 50 W/mcautelativamente l’esperienza porta a 50 W/m

Introduzione impianti: confronto rendimenti

RENDIMENTO CALDAIE A CONDENSAZIONE

COP POMPE DI CALORE ELETTRICHE

COP RICALCOLATO SU ENERGIA PRIMARIA

UNI 10349: Temperatura media stagione invernale periodo diurno:Roma 10°C – Bologna 8°C

Introduzione impianti: PDC

Introduzione impianti:PDC

Introduzione impianti:Il sistema di distribuzione (tubazioni ed isolamento)

Rif 04: Doc. tubazioni

Introduzione impianti:Il sistema di distribuzione (tubazioni ed isolamento)

Introduzione impianti:

ηd = Rendimento di distribuzione E’ il rapporto tra la somma del calore utile emesso dai corpi scaldanti e dal calore disperso dalla rete di distribuzione all’interno dell’involucro riscaldato dell’edificio, e il calore uscente dall’impianto di produzione immesso nella rete di distribuzione.

Introduzione impianti:

Introduzione impianti:

Esempio di progetto di impianto

(schema a collettore)

R1,R2,R3,R4, radiatori

C.1 collettore di distribuzione

Introduzione impianti:I terminali in ambiente

Rif 05: Doc. elementi terminali[1]

Introduzione impianti:

ηe = Rendimento di emissioneE’ il rapporto tra l’energia richiesta per il riscaldamento degli ambienti con un sistema di emissione in grado di fornire una temperatura ambiente senza disuniformità ed uguale nei vari ambienti, e l’energia richiesta per il riscaldamento degli stessi ambienti con l’impianto di emissione reale.

INVERNOT alimentazione elevate

Introduzione impianti:Radiatori e fan coil (Sistemi convettivi)

[1]

INVERNOT alimentazione media

Dettagli impiantistici:Il radiatore

InternoInterno InternoEsterno

MUROMURO

Esterno

Dettagli impiantistici:Il radiatore

Introduzione impianti:I ventil convettori (fan coil)

CALDO/FREDDO

Introduzione impianti:Thermofon

Introduzione impianti:Thermofon

Temperatura superficiale thermofon

Temperatura superficiale radiatore

CALDO

Introduzione impianti:Pavimenti, pareti e soffitti (Sistemi radianti)

Introduzione impianti:Il pavimento radiante

Corso Progettista, I° edizione Dett. impiantistici, R. Capra 27/10/2007

CARATTERISTICHE FUNZIONALI PANNELLI RADIANTI

INVERNOT alimentazione inverno da 35 a 45 °C (BT)Resa invernale da 50 a 100 W/mq

ESTATET alimentazione estate 16 °C (al di sotto di tali temperature si possono avere fenomeni di condensa superficiale)Resa estiva (solo sensibile) 30 W/mq max

Introduzione impianti:Il pavimento radiante

[1]

Introduzione impianti:Il pavimento radiante

Introduzione impianti:Il pavimento radiante

Introduzione impianti:Il pavimento radiante

Sezione tipo impianto a pannelli radianti di tipo annegato

Introduzione impianti:Soffitto e parete

Introduzione impianti:Il soffitto radiante

Soffitto radiante

Soffitto radiante costituisce un ottimo coibente

Introduzione impianti:Il soffitto radiante

Criteri fondamentali di progettazione nei climi temperati :Il COMFORT

Introduzione impianti: REGOLAZIONE

Workstation Workstation SupervisionSupervisionand Control and Control

SystemSystem

HMI Interface 1

UTA 1 UTA 2 UTA 3

POMPE PRIMARIE/SECONDARIE

PLC

HARDWIRED I/O

Rif 06: Doc. regolazione

Introduzione impianti:

Rendimento di regolazioneE’ il rapporto tra l’energia richiesta per il riscaldamento degli ambienti con una regolazione teorica perfetta (che non genera quindi oscillazioni di temperatura all’interno dell’ambiente) e l’energia richiesta per il riscaldamento degli stessi ambienti con l’impianto di regolazione reale.

Introduzione impianti:

Introduzione impianti:

Curva di compensazione

T

man

data

T esterna15 °C

75 °C

-5 °C

40 °C

Introduzione impianti:

Il comfort:Il risparmio energetico e il confort invernale

Introduzione impianti:

La potenza media Wt dispersa per trasmissione è data da:

Wt= Σ (U x S x (ti – tem)) [W]

Dove:

Wt = potenza media dispersa per trasmissione, [W];

U = trasmittanza media, [W/m2K];

S = area della superficie disperdente, [m2];

Ti = temperatura interna, [°C];

Tem = temperatura esterna media mensile, [°C];

Nota: si tratta dello stesso calcolo di potenza indicato nella UNI7357 che anziché essere riferito alle condizioni limite (di punta), è riferito alle condizioni medie mensili

Introduzione impianti:

La potenza media Wv dispersa per ventilazione è data da:

Wv= Σ (0,34 x V x n x (ti – tem)) [W]

Dove: Wv = potenza media dispersa per ventilazione, [W];0,34 = calore specifico dell’aria, [W/m3K];V = volume degli ambienti, [m3];N = valore medio mensile di rinnovo dell’aria, [Volumi/h];Ti = temperatura interna, [°C];Tem = temperatura esterna media mensile, [°C].

Nota: si tratta dello stesso calcolo di potenza indicato nella UNI7357 che anziché essere riferito alle condizioni limite (di punta), è riferito alle condizioni medie mensili

Introduzione impianti:

La potenza media fornita dagli apporti solari WS è data da:

Ws = Σ (qs x A x Ci) [W]

Dove: Ws = potenza fornita dagli apporti solari, [W];qs = potenza mensile della radiazione solare differenziata per gli otto orientamenti verticali e per il piano orizzontale, [W/m2];A = area equivalente delle superfici vetrate e di quelle opache, [m2];Ci = coefficienti riduttivi dovuti a schermature.

Nota: si tratta evidentemente del calcolo abitualmente effettuato per valutare i carichi termici estivi secondo il metodo Carrier

Introduzione impianti:

La potenza media fornita dagli apporti INTERNI Wi è data da:

Wi = Σ (a x Ap) [W]

Dove: Wi = potenza fornita dagli apporti interni, [W];a = potenza fornita [W/m2] dagli apporti gratuiti per unità di superficie del pavimento dovuti a:

- persone,- illuminazione,- apparecchi elettrici, ecc.;

Ap = area del pavimento [m2];

Introduzione impianti:

L’ energia mensile dispersa per trasmissione Qtg è data da:

Qtg= Wt x dm [J]

Dove: Qtg = energia mensile dispersa per trasmissione, [J]; è comprensiva delle energie disperse dalle strutture:

- Verso ambiente esterno Qt’

- Verso il terreno Qg’

- Verso locali adiacenti non riscaldati Qu;

dm = numero dei giorni del mese.

Nota: si tratta dello stesso calcolo di potenza indicato nella UNI7357 che anziché essere riferito alle condizioni limite (di punta), è riferito alle condizioni medie mensili

Introduzione impianti:

L’ energia mensile dispersa per trasmissione Qv è data da:

Qv = Wv x dm [J]

L’ energia mensile dispersa per trasmissione Qv è data da:

Qv = Wv x dm [J]

L’ energia mensile fornita dagli apporti interni Qi è data da:

Qi = Wi x dm [J]

Introduzione impianti:

E’ definita come l’energia necessaria per mantenere per tutta la stagione di riscaldamento la temperatura interna dell’involucro edilizio al valore di progetto, compensando le perdite e tenendo conto sia degli apporti interni che esterni. Per valutarla occorre intanto calcolare le perdite mensili di energia dell’involucro edilizio QL:

QL = Qt+Qg +Qv+Qu [J]Dove:QL = perdite mensili di energia dell’involucro edilizio, [J];Qt = perdite mensili per trasmissione verso l’esterno, [J];Qu = perdite mensili per trasmissione verso locali esterno non riscaldati,[J];Qg = perdite mensili per trasmissione verso il terreno, [J];Qv = perdite mensili per ventilazione, [J];

Introduzione impianti:

E, in seguito, calcolare i guadagni mensili di energia dell’ involucro QG:

QG = Qs+ Qi [J]

dove:QG = totale apporti mensili di energia dell’involucro edilizio, [J];Qs = apporti mensili dovuti all’energia solare, [J];Qi = apporti interni, [J];

Introduzione impianti:

Infine l’energia utile mensile per il riscaldamento dell’involucro edilizio è data da:

Qh = QL – η x QG [J]

Dove: Qh = fabbisogno energetico utile mensile;QL = perdite mensili di energia dell’involucro edilizio, [J];QG = totale apporti mensili di energia dell’involucro edilizio, [J];η = fattore di utilizzazione degli apporti gratuiti (compreso tra 0 e 1).

Esso, funzione dell’inerzia termica dell’edificio e del rapporto specifico tra inerzia termica e dispersioni del mese, tiene conto del fatto che non tutti gli apporti teorici sono utilizzati per il riscaldamento dell’edificio.

Introduzione impianti:

Il fabbisogno stagionale di energia utile è invece dato da:

Qh stagionale = ΣQh [J]

Tale dato rappresenta una caratteristica dell’involucro edilizio quando questo è riscaldato in modo continuo.

Introduzione impianti :

A questo punto, ipotizzando un regime di funzionamento continuo e facendo uso di opportune semplificazioni , è possibile indicare il fabbisogno di energia primaria e quindi il consumo del sistema “edificio impianto” per il riscaldamento invernale.

Qst = Qh / ηc x ηe x ηp x ηc [J]

Dove: Qst = fabbisogno di energia primaria del sistema edificio impianto per riscaldamento invernale (consumo);ηg = ηe x ηd x ηp x ηc = rendimento globale medio stagionale.

ηp = rendimento di produzioneηd = rendimento di distribuzioneηc = rendimento di regolazioneηe = rendimento di emissione

Introduzione impianti

L’analisi delle due formulazioni Qh = QL – η x QG [J]

QL = totale perdite mensili di energia dell’involucro edilizio, [J];QG = totale apporti mensili di energia dell’involucro edilizio, [J];

Qst = Σ(QL- η x QG)/ηc x ηe x ηp x ηc [J]

Una limitazione dei consumi Qst può avvenire nei seguenti modi

1. Limitando le perdite QL

2. massimizzando gli apporti QG

3. Operando soluzioni progettuali che vadano ad ottimizzare uno o ciascuno dei rendimenti sopra indicati, è possibile in fase di nuova progettazione, realizzare impianti ad elevata efficienza energetica, e nel caso di impianti già esistenti, migliorare soluzioni progettuali rendendole in grado di fornire, rispetto alle situazioni pregresse, un certo risparmio energetico.

Introduzione impianti: la contabilizzazione

Impianto centralizzato distribuzione verticale(edifici vecchi)Contabilizzazione indiretta

Impianto centralizzato distribuzione orizzontale (edifici recenti) Contabilizzazione diretta

Introduzione impianti: la contabilizzazione

CONTABILIZZAZIONE DIRETTA

• Contatori diretti

• Si contabilizza direttamente il calore consumato tramite un dispositivo che rileva la portata del fluido

• 1: sonda temperatura mandata• 2: sonda temperatura ritorno• 3: misuratore di portata• 4: unità elettronica

Termostato

5

4

5

6

Misura del consumo di ogni radiatore tramite il ripartitore di calore

Valvole termostatiche su ogni radiatore per gestione autonoma

Introduzione impianti: la contabilizzazione indiretta

Introduzione impiantisti:Il bilanciamento dei circuiti

Dettagli impiantistici: il bilanciamento dei circuiti

Valvola di taratura

Autoflow

Misuratore di portata

Documentazione tecnica Trattta dai cataloghi:

Viesmann

Saunier - Duval

Buderus

Geminox

Paradigma

ROTEX

IDM

DACHS - Energate

Mapress – Geberit

Isover

K-flex

Caleffi

Siemens

Coster

FCC – planthern

RDZ

Sierra - Therfon