Fabbisogno di energia primaria per la climatizzazione ... · Nota Bene: Esiste anche un metodo di...

Fabbisogno di energia primaria per la

climatizzazione invernale

Corso di Energetica degli Edifici

Docenti:

Prof. Ing. Marco Dell’Isola

Facoltà di Ingegneria

Università degli studi di Cassino

Ing. Fernanda Fuoco

Facoltà di Ingegneria

Università degli studi di Cassino

[email protected]

2

• Calcolo su base mensile

• Fabbisogno di energia primaria utile Qp,h = sommatoria dei fabbisogni di energia

primaria calcolati su base mensile e per tutto il periodo di riscaldamento.

• Metodo di calcolo: UNI TS 11300 Parte 2

Per fabbisogno di energia primaria utile si intende “la quantità di energia

primaria globalmente richiesta, nel corso dell’anno, per mantenere negli ambienti

riscaldati, la temperatura di progetto in regime di attivazione continua.

Fabbisogno di energia primaria per il

riscaldamento

3

Per facilitare il calcolo dei rendimenti/perdite del sistema, l’impianto di

riscaldamento per la climatizzazione invernale risulta suddiviso in sottosistemi:

– sottosistema di emissione/erogazione in ambiente interno;

– sottosistema di regolazione e controllo dell’emissione di calore in ambiente;

– sottosistema di distribuzione;

– sottosistema di accumulo (se esistente);

– sottosistema di generazione.

Rendimenti e perdite del sistema

impianto

4


impianto Per ciascun sottosistema è necessario calcolare

• le relative perdite totali e quelle recuperate,

• il fabbisogno di energia ausiliaria impiegato

• l’energia termica recuperata dagli ausiliaria stessi.

• Indichiamo:

– QEh,in : energia totale degli ausiliari in entrata al sistema-Impianto;

– Qgh,in: energia termica totale in entrata al sistema-Impianto.

Qeh, in è espressa in energia elettrica. È utilizzata per l’avvio delle pompe, ventilatori, sistemi di

regolazione e controllo. Parte di questa energia può essere recuperata come energia termica utile.

5

Fabbisogno di energia in ingresso a qualsiasi generico sottosistema:


impianto

Nota Bene: Esiste anche un metodo di calcolo delle perdite totali dei vari sottosistemi tramite dei

valori tabellari che tengono conto dei diversi tipi e caratteristiche del sistema-impianto di

riscaldamento utilizzato. Tali valori però, non tengono in alcun conto le perdite di calore/elettriche

recuperate, per cui risultano essere valori molto penalizzanti.

6

Perdite del sistema impianto

Le perdite recuperate possono essere sottratte al Fabbisogno di energia termica secondo due modalità:

Sottraendo al fabbisogno di energia in uscita dal sottosistema di emissione (ovvero al fabbisogno di energia

per il riscaldamento), un valore pari alla somma delle perdite recuperate da tutti i sottosistemi;

Sottraendo al valore di energia termica in uscita da ciascun sottosistema il valore della perdita relativa al

sottosistema considerato , favorendo il sottosistema a valle;

7

• sottosistema di emissione/erogazione in ambiente interno;

Sottosistema di emissione

Le perdite del sottosistema di erogazione è fortemente influenzato

• dalle caratteristiche degli ambienti interni

• dalla tipologia del sistema emettitore.

• In caso di mancanza di dati di progetto, la norma UNI TS 11300 Parte 2, fornisce tabelle in cui viene valutato

il rendimento del sottosistema nei due casi: locali con altezze inferiori a 4 m e altezze maggiori comprese

entro i 14 m.

• Perdite termiche del sottosistema di emissione:

8


UNI TS 11300 Parte 2

9



10

Sottosistema di controllo e

regolazione

I rendimenti del sottosistema di

regolazione e di controllo

dipendono dal tipo di terminale

utilizzato e hanno valori definiti

nel prospetto 20 della norma UNI

TS 11300 Parte 2.

11

I sistemi di controllo differiscono a seconda della loro applicazione sui sistemi di

riscaldamento e si dividono in:

• Termostato di zona: regola la temperatura di un insieme di ambienti. La temperatura

del fluido termovettore è costante ed è la stessa di quella impostata sul generatore.

• Termostato di ambiente: la temperatura è controllata in ogni ambiente attraverso

valvole termostatiche posizionate sui terminali.

• Solo Climatica: vi è una centralina che, rilevando la temperatura esterna, quindi

regolandosi sul clima, modifica i parametri della temperatura dei terminali interni.

È un sistema insufficiente in quanto non verifica le variazioni di temperatura interna

e le reali condizioni di benessere.

• Climatica + Ambiente con regolatore: due sistemi di controllo che lavorano in

sinergia. La centralina climatica rileva la temperatura esterna ed adatta la

temperatura del fluido termovettore alle condizioni esterne ed il termostato di

ambiente mantiene la temperatura degli ambienti entro i valori stabiliti.

• Climatica + Zona con regolatore: Stessa sinergia tra i due sistemi di controllo come

visto in precedenza, solo che la regolazione interna avviene attraverso un termostato

di zona (e non di ambiente).


regolazione

12


regolazione I regolatori invece si dividono in:

• Controllore ON-OFF: il sistema è tutto accesso (100%) o spento. Solitamente per

evitare i continui spegnimenti si attiva una banda di tolleranza intorno al valore

stabilito;

• Regolatore proporzionale (banda proporzionale x°C): il regolatore modula

l’intervento di variazione sulla temperatura in modo proporzionale allo

scostamento tra set point e valore rilevato;

• Regolatore PI o PID: oltre all’azione proporzionale sopra citata, si migliora la

velocita di risposta alla correzione tra oscillazioni e set point, attraverso

un’azione Integrale (I) o Derivata (D)

13


regolazione Il calcolo delle perdite termiche del sottosistema di regolazione si ottiene dalla

seguente equazione:

14

Sottosistema di distribuzione

Il rendimento del sottosistema di distribuzione è funzione:

1. del tipo di distribuzione dell’impianto;

2. dell’altezza dell’edificio;

3. dello spessore dell’isolamento delle tubazioni.

15


1. del tipo di distribuzione dell’impianto;

La distribuzione dell’impianto può essere:

di tipo verticale cioè dal generatore partono tante tubazioni quanti sono i terminali

previsti per ogni piano;

di tipo orizzontale cioè dal generatore parte un unico montante che si dirama, ad

ogni piano, verso i terminali. Questo tipo di distribuzione permette di conoscere il

consumo di energia termica per ogni piano.

Qualora non si abbiano riferimenti di progetto relativi ad edifici esistenti, ci si può

riferire ai valori riportati nel prospetto 21 della norma UNI TS 11300-2, i quali

risultano penalizzanti in quanto non prevedono alcun recupero termico.

16

• In mancanza di dati di progetto si possono utilizzare i rendimenti del prospetto 21 UNI

TS 11300/2. In questo caso, tutte le perdite recuperabili si devono considerare non

recuperate, ossia la quota di recupero viene posta uguale a zero.

N.B. Nel caso di impianti con fluido termovettore aria calda, il calcolo delle perdite deve

essere effettuato in ogni caso utilizzando metodi di calcolo analitici.

Q hr : Fabbisogno energetico utile effettivo che tiene conto delle perdite di emissione e

di regolazione

17


Prospetto 21-

Rendimenti di distribuzione


18


Per edifici di nuova costruzione, invece, è richiesto il calcolo attraverso il metodo

descritto nell’appendice A della UNI TS 11300 o mediante metodi analitici descritti

nelle norme pertinenti attraverso la formula seguente:

19

Sottosistema di accumulo

• sottosistema di accumulo (se esistente)

Le perdite del sottosistema di accumulo vengono calcolate:

= dispersione termica del sistema di accumulo Kboll, [W/K],

valore fornito dal costruttore

20


• In caso di mancanza di dati di progetto, per gli edifici esistenti:

Si fa riferimento a dei valori tabellari che forniscono i coefficienti approssimativi

delle perdite in funzione delle dimensioni dell’accumulo.

In questo caso le perdite si possono calcolare con la seguente equazione:

21

N.B.: Nel caso in cui la distanza tra serbatoio di accumulo e generatore sia

inferiore ai 5 m e le tubazioni di collegamento sono isolate, il valore delle perdite

di accumulo possono essere trascurate.


22

Tipi di generatori

I generatori sono composti da:

il bruciatore che miscela l’aria con il combustibile e alimenta il focolare

dai tubi di fumo che scaldano il fluido termovettore

da un involucro esterno di materiale isolante protetto da una lamiera (mantello

isolante).

Ogni caldaia e caratterizzata da:

• una potenza termica al focolare, che indica la quantità di calore prodotta nel

focolare nell’arco di un’ora;

• una potenza termica utile, cioè la quantità di calore effettivamente trasferita, per

ogni ora, al fluido termovettore

23

I generatori possono essere divisi in 3 macroclassificazioni:

1. generatore monostadio (ON-OFF): (o di tipo tradizionale), oramai poco usati,

funzionano a sistema tutto acceso (100%) e non lavorano a temperature intermedie.

2. generatore modulante: possono lavorare con qualsiasi potenza intermedia

compresa tra il massimo ed il minimo consentito.

3. generatore a condensazione: sono ritenuti ad alto rendimento in quanto sfruttano il

calore latente di condensazione del vapor d’acqua prendendo cosi a riferimento il

potere calorifico superiore e non il PCI.

In queste caldaie la presenza del tiraggio forzato (di fatto obbligatorio) permette di

lavorare a temperature molto basse, gestendo il problema delle condense acide con

l’adozione di scambiatori .

Tipi di generatori

24

I generatori di calore possono essere anche suddivisi a secondo del tipo di

bruciatore installato:

• a bruciatore atmosferico: generatori in cui il bruciatore è integrato nel

generatore.

La quasi totalità delle caldaie murarie a tiraggio naturale sono di questo tipo.

Hanno un rendimento modesto, ma sono di semplice costruzione, manutenzione e

ad alta affidabilità. Usate soprattutto negli impianti autonomi, possono essere di

Tipo B a tiraggio naturale che preleva aria dall’ambiente interno in cui è installata

(ormai poco utilizzata per ragioni di sicurezza), di Tipo C (o a camera stagna) a

tiraggio forzato, installata in ambiente interno ma che preleva aria dall’esterno o

di Tipo B-C a tiraggio naturale ed installata all’esterno;

• Tipi di

generatori

di calore e

rendimenti

Tipi di generatori

25

• con bruciatore separato, di tipo pressurizzato:

Queste ultime si dividono a loro volta in:

caldaie a temperatura costante

caldaie a bassa temperatura o di tipo scorrevole, che vengono

utilizzate sempre più frequentemente nell’ammodernamento

dei vecchi impianti, in sostituzione delle caldaie tradizionali.

Tipi di generatori

sono le caldaie a tubi d’acqua (tipico dei generatori di vapore) e caldaie a tubi di

fumo (la quasi totalità della caldaie ad acqua calda oltre i 100 KWt).

26

Sottosistema di generazione

A seconda del tipo di perdite a cui si fa riferimento, e possibile calcolare 3 tipi di

rendimenti differenti del sistema-generatore:

• Rendimento di combustione che tiene conto delle perdite a bruciatore acceso;

• Rendimento utile (stelle) che tiene conto anche delle perdite al mantello;

•Rendimento di generazione che tiene conto, oltre alle due tipologie di perdite sopra

citate, anche delle perdite a vuoto (bruciatore spento).

27

Legenda dei fattori di correzione:

F1 rapporto fra la potenza del generatore installato e la potenza di progetto richiesta.

F2 installazione all'esterno;

F3 camino di altezza maggiore di 10 m;

F4 temperatura media di caldaia maggiore di 65 °C in condizioni di progetto;

F5 generatore monostadio;

F6 camino di altezza maggiore di 10 m in assenza di chiusura dell'aria comburente all'arresto (non applicabile ai premiscelati);

F7 temperatura di ritorno in caldaia nel mese più freddo.

Ai fini dei calcoli prestazionali si considera il Rendimento medio stagionale (RMS).

La UNI TS 11300 Parte 2 dispone di prospetti (23a-23b-23c-..) con valori pre-calcolati

in funzione delle tipologie più comuni di generatori, della loro dimensione e delle

condizioni d’installazione.


28


29


Qualora vengano utilizzati i valori del prospetto 23, le perdite di generazione si

calcolano con la formula seguente:

Nel caso in cui le condizioni presentate risultano differenti da quelle indicate nei

prospetti, si richiede il ricorso ai metodi indicati dall’appendice B della norma UNI TS

11300 Parte 2.

30


Il Rendimento di generazione considera tre fattori di perdita:

le perdite al camino a bruciatore acceso;

le perdite al camino a bruciatore spento;

le perdite al mantello.

31

le perdite al camino a bruciatore acceso (Qgn,ch,on)

Avvengono per l’elevata temperatura dei fumi. Una riduzione della temperatura di

lavoro diminuisce le perdite limitando tuttavia il funzionamento del tiraggio del

camino. Bisognerebbe proporzionare adeguatamente l’altezza del camino in rapporto

alla dimensione del generatore e della temperatura dei fumi al fine di ottimizzare il

rapporto perdite-lavoro. I valori delle perdite sono deducibili dalla prova fumi o dal

libretto della caldaia (nel caso in cui questa sia nuova e mai usata) o calcolabile

tramite metodo analitico.


32

le perdite al camino a bruciatore spento (Qgn,ch,off) Avvengono quando, malgrado il bruciatore sia spento, il camino ha un effetto di tiraggio dovuto

alla differenza di temperatura, per cui continua ad aspirare l’aria calda verso l’alto (l’esterno).

L’eccessivo sovradimensionamento della caldaia provoca delle perdite notevoli a bruciatore

spento. È possibile ridurre l’effetto-tiraggio con dei bruciatori a serranda che impediscono la

fuoriuscita del calore o abbassando (anche qui) la temperatura dei fumi ed inserendo dei

regolatori di tiraggio (tipo prese d’aria sul camino stesso che bloccano il tiraggio). I valori delle

perdite sono deducibili dal libretto della caldaia (nel caso in cui questa sia nuova e mai usata),

calcolabile tramite metodo analitico o precalcolate .


33


le perdite per trasmissione dal mantello (Qgn,env)

Avvengono tramite irraggiamento e convezione a causa di un inadeguato isolamento

dell’involucro o dimensionamento del generatore.

Anche l’elevata temperatura dell’acqua all’interno del generatore e la sua posizione in

ambiente riparato (piuttosto che non climatizzato) condizionano questo tipo di perdite.

Valori delle perdite per trasmissione attraverso l’involucro o mantello

34


La perdita totale di energia del sistema di generazione può essere calcolata:

35


Le perdite del sistema di generazione possono essere calcolate tramite la seguente

equazione qualora fosse noto il rendimento del sottosistema di generazione:

36

Si rimanda alla lettura completa della norma UNI TS 11300 Parte 2, per il calcolo

puntuale dell’energia elettrica richiesta dagli ausiliari di ogni singolo sottosistema.

L’influenza del calcolo della potenza elettrica necessaria e recuperata nel sistema

impianto è di notevole importanza ai fini del calcolo del fabbisogno di energia

primaria.


37

Fabbisogno di energia primaria per il

riscaldamento Il fabbisogno complessivo di energia primaria per il solo riscaldamento è dato da:

I fattori di conversione sono i seguenti:

•Combustibili fossili fp,i = 1

•Energia elettrica

(il valore di riferimento per la conversione tra kWh elettrici e MJ definito con

provvedimento dell’Autorità per l’energia elettrica e il gas, al fine di tener conto

dell’efficienza media di produzione del parco termoelettrico)

38

Metodo di calcolo semplificato

Il metodo semplificato si applica per determinare il fabbisogno di energia primaria

per il riscaldamento su base stagionale (per il fabbisogno per l’acqua calda sanitaria

su base annua).

Si seguono i passi qui riportati:

1. si calcolano le perdite dei sottosistemi rifacendosi ai prospetti che riporta la norma

UNI TS 11300-2;

2. si trascurano i recuperi di energia termica dal sistema di produzione acqua calda,

dagli ausiliari elettrici del sottosistema di emissione, dagli ausiliari elettrici del

sottosistema distribuzione;

3. la potenza media stagionale è data dal rapporto tra il fabbisogno in uscita al

generatore e il periodo legale di riscaldamento;

4. la potenza nominale richiesta al generatore di calore è data dal rapporto tra il

fabbisogno in uscita al generatore e il fattore climatico di carico medio stagionale

della località considerata definito come rapporto la differenza di temperatura media

stagionale tra interno ed esterno e la differenza di temperatura tra interno ed esterno

di progetto;

5. il fattore di carico medio del generatore è dato dal rapporto tra la potenza media

stagionale e la potenza termica utile nominale del generatore installato;

39

6. il fattore di dimensionamento del generatore f1 è dato dal rapporto tra la potenza

termica utile nominale del generatore installato e la potenza nominale richiesta al

generatore di calore;

7. le perdite di generazione si valutano dal prospetto 23;

8. il fabbisogno stagionale di energia del generatore di calore si ottiene sommando al

fabbisogno in uscita dal generatore le perdite di generazione;

9. la potenza elettrica degli ausiliari del generatore di calore si calcolano l’equazione

B.18 della UNI TS 11300-2, assumendo i valori del prospetto B.4 della UNI TS

11300-2;

10. la potenza elettrica di eventuale pompa primaria si assume pari a 100 W (si veda

prospetto B.18 della UNI TS 11300-2);

11. la potenza complessiva degli ausiliari elettrici è la somma di quelle del

sottosistema di generazione e dell’eventuale pompa primaria;

12. il fabbisogno di energia elettrica degli ausiliari è dato dal prodotto della potenza

complessiva degli ausiliari elettrici, per il fattore di carico medio del generatore e per

il periodo legale di riscaldamento;

13. il fabbisogno globale annuo di energia primaria per il riscaldamento sarà dato

dalla somma del fabbisogno stagionale di energia del generatore di calore e del

fabbisogno di energia elettrica degli ausiliari, entrambi riportati in energia primaria.

Metodo di calcolo semplificato

40

Tipi di generatori

Generatori a bassa temperatura o di tipo scorrevole

Questo tipo di caldaia provvede a regolare la temperatura dell’acqua di mandata in

funzione del carico termico richiesto, utilizzando un bruciatore a temperatura

variabile (a stadi o meglio, a modulazione continua). In questo modo le perdite

passive si riducono proporzionalmente alla temperatura di mandata ed aumentano le

prestazioni ed il rendimento stagionale.

Lavorando inoltre a temperature più basse, diminuiscono le perdite attraverso il

mantello e a bruciatore spento. Questo tipo di caldaia trova ottimo impiego nella

sostituzione di vecchie caldaie tradizionali che, sovente sovradimensionate, lavorano

alla massima potenza indipendentemente dal carico climatico/ termico

effettivamente necessario.

41

Tipi di generatori

Caldaie a condensazione

Le caldaie a condensazione possono ottenere prestazioni elevatissime e ridurre le

emissioni di ossidi di azoto (NOx) e monossido di carbonio (CO) fino al 70%

rispetto alle caldaie tradizionali. Queste infatti, riescono ad ottenere rendimenti

eccellenti grazie al recupero del calore latente di condensazione del vapore acqueo

contenuto nei fumi di scarico prodotti dalla combustione che eventualmente

andrebbero dispersi. Questi, tecnicamente, prima di essere espulsi all’esterno, sono

forzati ad attraversare uno scambiatore nel quale il vapore acqueo condensa, cedendo

parte del calore latente di condensazione all’acqua del circuito. le caratteristiche di

costruzione ed i materiali di quest’apparecchio sono tali da resistere ai danni e agli

acidi prodotti dall’acqua di condensa.

• La caldaia a condensazione, in generale, è ideale se accoppiata con sistemi radianti

a basse temperature, che le permettono di lavorare a temperature ideali di mandata e

ritorno, intorno ai 40/30°C. Lavorando a temperature a basse e producendo fumi non

sufficientemente caldi a garantire un efficace tiraggio naturale, questo tipo di caldaie

ha richiesto l’obbligo del tiraggio forzato.

42

Tipi di generatori

Caldaie a condensazione

• La caldaia a condensazione, può essere anche impiegata con un impianto ad alte

temperature come i termosifoni tradizionali ma, per ottenere rendimenti interessanti, è

necessario che la temperatura di ritorno sia più bassa rispetto ai valori convenzionali

(quindi lavorando con un Δt di mandata/ritorno maggiore). Questo è possibile

riducendo la portata del fluido termovettore.

E’ stato stimato che l’investimento relativo all’installazione di

una caldaia a condensazione possa essere recuperato nel giro di 7 anni. calcolando la

detrazione fiscale del 55% il rientro dell’investimento si ha in soli 3 anni.

43

• Pompe di calore a compressione

• Sono macchine che trasferiscono calore da una sorgente più fredda ad una più

calda utilizzando energia elettrica (sistema a compressione).

• Sistema “reversibile”, cioè può cambiare la sua funzione da elemento riscaldante

(pompa di calore regime invernale) a raffrescante (pompa di calore regime estivo –

macchina frigorifera). Si realizza cosi la possibilità di “climatizzare” un ambiente

per un intero anno (con un unico impianto.

• La prestazione di una pompa di calore, COP (coefficient of Performance), è il

rapporto tra la quantità di calore fornita all’ambiente da riscaldare e il lavoro

speso.

Tipi di generatori

44

In commercio ne esistono 4 tipologie:

• aria-acqua: la pompa di calore preleva calore dalla sorgente fredda costituita dall’aria

esterna al locale da riscaldare, generalmente l’ambiente esterno, e la cede a temperatura

maggiore al pozzo caldo costituito da un circuito d’acqua (di riscaldamento degli

ambienti);

• aria-aria: preleva calore dall’aria esterna per cederla a temperatura maggiore al pozzo

caldo costituito ancora da aria (generalmente quella dell’ambiente riscaldato);

• acqua-acqua: le pompe di calore acqua/acqua ricavano il calore utile dall’acqua di

falda che, anche in pieno inverno, mantiene una temperatura tra i + 7°C e i + 12°C e

quindi non risente delle condizioni climatiche esterne. costi di funzionamento,

pertanto, sono inferiori anche se richiede un costo addizionale dovuto al sistema di

adduzione dell’acqua e al suo trattamento/depurazione;

• acqua-aria: la pompa di calore preleva calore dalla sorgente fredda costituita da acqua

(di lago, fiume o falda) e la cede a temperatura maggiore al pozzo caldo costituito da

aria (quella dell’ambiente riscaldato).

• Altra alternativa interessante e la pompa di calore che sfrutta come sorgente fredda il

terreno (pompe di calore geotermiche).

Tipi di generatori

45

Tipi di generatori

Macchina ad assorbimento

Questo tipo di macchina ha la caratteristica di fare a meno del compressore che

solitamente viene alimentato da energia elettrica.

• L’assenza di compressore è possibile mediante l’impiego di due fluidi frigorigeni –

uno solvente e uno soluto – che si combinano tra loro formando una soluzione che

circola all’interno della macchina.

•Questa viene poi separata nuovamente riattivando il ciclo. Combinazione e

scomposizione alternata dei due fluidi comporta l’innalzamento della pressione,

assolvendo la funzione di un normale compressore. L

•L’assorbitore è la componente impiantistica all’interno della quale avviene la

combinazione dei due fluidi;

•Il generatore è la componente nel quale avviene la dissociazione dei fluidi, rendendo

gassoso il soluto con il conseguente innalzamento della temperatura e della pressione.

•Il movimento del fluido avviene tramite una piccola pompa di circolazione.

• Questa macchina necessita di un input di calore, proveniente da un bruciatore a gas

(metano/gPl).

Le coppie di fluidi generalmente utilizzati sono:

– Acqua-solvente / Ammoniaca-soluto;

– Bromuro di litio-solvente / Acqua-soluto.

46

Macchina ad assorbimento

Tipi di generatori

Fabbisogno di energia primaria per la climatizzazione ... · Nota Bene: Esiste anche un metodo di...

Documents

Transcript of Fabbisogno di energia primaria per la climatizzazione ... · Nota Bene: Esiste anche un metodo di...