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Fabbisogno di energia

termica dell’edificio

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

Fattori dell’involucro che influenzano il

fabbisogno energetico di un edificio

La forma Rapporto di forma S/V

Edificio a forma di igloo (edificio compatto)

L’orientamento e le superfici trasparenti Apporti solari naturali prodotti dal corretto e ragionato

posizionamento della costruzione nel lotto di progetto

La ventilazione

Quantità «n» di ricambi d’aria ad ora minima garantita per legge.

3

Quadro Normativo

4

• D.P.R. 75/2013 in vigore dal 12 Luglio 2013

Decreto legislativo 192/05

5

LINEE GUIDA NAZIONALI PER LA CERTIFICAZIONE ENERGETICA

DEGLI EDIFICI D.M. 26 giugno 2009

Decreti attuativi del

D.lgs 192/05

6



Decreti attuativi del

D.lgs 192/05

7

CHI PUO’ RILASCIARE APE?

8

CHI PUO’ RILASCIARE APE?

9



Decreti attuativi del D.lgs 192/05 -

Allegato A - Linee Guida Nazionali

Dal fabbisogno energetico agli indici di prestazione

10

METODOLOGIE DI CALCOLO

D.P.R. 2 Aprile 2009 n°59

Decreti attuativi del D.lgs 192/05

11

METODOLOGIA SEMPLIFICATA

12

METODOLOGIA SEMPLIFICATA

13

Indice di prestazione energetica relativa alla

climatizzazione invernale- EPi

Ai fini delle verifiche previste dal D.P.R. n. 59/2009, l’indice di Prestazione EP, ovvero

il fabbisogno di energia primaria specifico per la climatizzazione invernale, è uguale a:

nel caso di edifici residenziali della classe E1, esclusi collegi, conventi, case di pena

e caserme:

EPi = Qp,h / Su [kWh / m2 ・ annuo]

dove:

Qp,h è il fabbisogno di energia primaria per la climatizzazione invernale;

Su e la superficie netta calpestabile degli ambienti riscaldati.

per tutti gli altri Edifici:

EPi = Qp,h / V [kWh / m3 ・ annuo]

dove:

Qp,h è il fabbisogno di energia primaria per la climatizzazione invernale;

V e il volume netto degli ambienti riscaldati.

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climatizzazione invernale- EPi

• Fabbisogno di energia termica dell’edificio per l’inverno: è la quantità di calore che deve

essere fornita o sottratta ad un ambiente al fine di mantenere le condizioni di temperatura

prefissate, cioè la temperatura di comfort, durante la stagione invernale ed e data

dall’equazione, nel caso di riscaldamento:

Ql,h e lo scambio termico totale

Qg,h e l’apporto termico totale

ηu,h e fattore di utilizzazione degli apporti termici

.

• Energia Primaria per il riscaldamento: è l’energia effettivamente consumata o che si prevede

possa essere necessaria per il riscaldamento invernale, poichè tiene conto del rendimento

complessivo del sistema edificio-impianto ed e data dall’equazione:

Qp,h = Qh / ηg

Qt,h e lo scambio termico per trasmissione e Qv,h e lo scambio termico per ventilazione

Qs,h sono gli apporti termici solari e Qi,h sono gli apporti termici interni

Qh e il fabbisogno di energia termica dell’edificio per la stagione invernale;

ηg e il rendimento globale medio stagionale dell’impianto

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climatizzazione estiva- EPe

Per la climatizzazione estiva invece, il D.P.R. n. 59/2009 definisce un indice di

prestazione energetica EPe per il raffrescamento dato da:

nel caso di edifici residenziali della classe E1, esclusi collegi, conventi, case di pena

e caserme:

EPe = Qc / Su [kWh / m2 ・ annuo]

dove:

Qc e il fabbisogno energetico stagionale dell’involucro per il raffrescamento;

Su e la superficie netta calpestabile degli ambienti riscaldati.

per tutti gli altri Edifici

EPe = Qc / V [kWh / m3 ・ annuo]

dove:

Qc e il fabbisogno energetico stagionale dell’involucro per il raffrescamento;

V e il volume netto degli ambienti riscaldati.

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climatizzazione estiva- EPe

L’indice di prestazione energetico per raffrescamento, ad oggi dunque, risulta riferito al

solo fabbisogno energetico dell’edificio e NON all’energia primaria.

L’energia termica dell’edificio per l’estate, ovvero il fabbisogno di energia termica

dell’edificio per l’estate, è data dalla seguente equazione:

Nota bene: Il valore della temperatura media mensile stagionale (estiva) θe viene fornito

dalla norma UNI 10349, mentre la temperatura interna θi viene considera costante e pari a

26°C, per tutte le categorie di edifici ad esclusione delle categorie E.6(1), E.6(2), E.87.

Dove:

Qg,c e l’apporto termico totale;

Ql,c e lo scambio termico totale;

Qs,c sono gli apporti termici solari;

Qi,c sono gli apporti termici interni;

ηu,c e fattore di utilizzazione delle dispersioni

termiche;

Qt,c e lo scambio termico per trasmissione;

Qv,c e lo scambio termico per ventilazione.

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Indice di prestazione energetica per la

produzione di acqua calda sanitaria EPacs

EPacs = Qp,W / Su [kWh/m2anno]

Nota bene: L’indice di prestazione energetico ACS (acqua calda sanitaria),

risulta dunque riferito all’energia primaria.

dove:

Qp,W e il fabbisogno di energia primaria del sistema

Su e la superficie utile dell’edificio espressa in m2

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Requisiti di qualità energetica

Riscaldamento

•EPi e EPacs si confrontano con le scale di valori costituenti le classi energiche

espressione della prestazione energetica dell’edificio per la climatizzazione invernale.

Il D.M. del 26 giugno 2009,

nell’allegato 4 definisce il

sistema di classificazione

nazionale concernente la

climatizzazione invernale

degli edifici e la produzione

di ACS.

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Determinato così l’indice di prestazione energetica effettivo, se ne confronta il

valore con i valori limite EPI lim.2010, in funzione del rapporto S/V dei valori di

gradi-giorno e della zona climatica della località.

Determinabile anche per interpolazione, con la tabella sopra riportata in base al DPR

412/93.

Requisiti di qualità energetica.- Verifica Epi lim

20

Requisiti di qualità energetica

Raffrescamento

Sulla base dei valori assunti dal parametro EPe,invol, calcolati la norma tecnica e sue

UNI/TS 11300 – 1 Prestazioni energetiche degli edifici – Parte 1: Determinazione del

fabbisogno di energia termica dell’edificio per la climatizzazione estiva ed invernale

si definisce la seguente classificazione, valida per tutte le destinazioni d’uso:

Decreto Ministeriale 26 giugno 2009. Classificazione degli edifici in base ai

valori assunti dal parametro EPe,invol

21

Fabbisogno termico dell’edificio per la

climatizzazione invernale- UNI TS 11300-1

Periodo di riferimento: I calcoli vanno effettuati su base mensile.

Zona termica: parte dello spazio riscaldato con una prefissata temperatura di progetto,

nella quale si assume che la temperatura abbia variazioni nello spazio trascurabili.

L’edificio può avere diverse zone termiche a differenti temperature di progetto. Una

zona può avere un riscaldamento intermittente.

22

Ai fini della procedura di calcolo si considera:

•Il fabbisogno energetico dell’involucro per la climatizzazione (invernale e estiva) sono

riferiti al funzionamento continuo, cioè al mantenimento di una temperatura interna

dell’edificio costante nel tempo e considerando la durata giornaliera dell’impianto pari

a 24 ore;

•La temperatura interna di progetto degli ambienti a temperatura controllata si assume

pari a 20°C durante la stagione invernale e pari a 26°C durante quella estiva;

•Temperatura di progetto uniforme nei vari ambienti a temperatura controllata .(La

(suddivisione in zone termiche non è richiesta se: le temperature interne di regolazione

per il riscaldamento differiscono meno di 4°C e se gli ambienti sono serviti dallo stesso

impianto di riscaldamento)

•(si effettua un calcolo su base mensile)



23

•La norma UNI TS 11300 viene applicata a tutti i sistemi edifici-impianti.

Sistema edificio-impianto: costituito da un edificio (un involucro edilizio) o da porzioni

di edificio, climatizzati attraverso un unico impianto termico e caratterizzati dalla stessa

destinazione d’uso.



24

Il fabbisogno energetico annuale per il riscaldamento di un ambiente climatizzato viene

determinato sommando il fabbisogno energetico calcolato su base mensile.

• Viene definito un fabbisogno energetico dell’involucro per la climatizzazione invernale,

QNH, calcolato su base mensile e considerando, per l’impianto preposto al riscaldamento

degli ambienti interni, i limiti di esercizio così come stabiliti nel Prospetto 3 della norma

UNI TS 11300-1.

Nota Bene: Nel caso di valutazione adatta all’utenza si adotta la stagione di riscaldamento reale in cui il primo e

l’ultimo giorno sono i giorni in cui l’energia dispersa eguaglia l’energia guadagnata ovvero [(Qt + Qv) = (Qi +

Qs)] e quindi la temperatura interna ottimale e garantita senza l’utilizzo dell’impianto di riscaldamento.



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La quantità di energia mensile scambiata per trasmissione e per ventilazione, Qlh,

espressa in kWh, tra l’ambiente climatizzato e l’ambiente circostante, è data da:

Qlh = Qt,h + Qv,h

Qt,h è l’energia dispersa per trasmissione tra l’ambiente climatizzato e

l’ambiente circostante, espressa in kWh;

Qv,h è l’energia dispersa per ventilazione tra l’ambiente climatizzato e

l’ambiente esterno, espressa in kWh.

26

Scambio termico per trasmissione

dove:

ht e il coefficiente globale di scambio termico per trasmissione (W/°C);

θi e la temperatura degli ambienti interni (°C);

θe e la temperatura media mensile esterna (°C);

fk e il fattore di forma tra il componente edilizio k-esimo e la volta celeste;

Φk e l’extra flusso termico dovuto alla radiazione infrarossa verso la volta celeste dal

componente k-esimo;

τ e il tempo considerato (base mensile) (h);

10–3 e un fattore moltiplicativo per passare dai W ai kW

τ= N *24h = N *86400 s. Dove N è il numero dei giorni del mese considerato moltiplicato per le ore di

un giorno. In questo calcolo si considera dunque, che l’impianto sia a funzionamento continuo;

– θi varia a seconda della categoria di edificio considerata. Per tutte le categorie di edifici, ad

esclusione della E.6(1), E.6(2) e E.812, per la climatizzazione invernale, si assume come temperatura

costante i 20 ° C;

– θe i valori di temperatura media mensile esterna sono forniti dalla norma UNI 10349.

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•I valori medi mensili delle temperature medie giornaliere dell’aria esterna per i

capoluoghi di provincia, θe, sono riportati nel prospetto III.


28

Se il Comune considerato non coincide con il capoluogo di provincia, si applica una

temperatura corretta che tiene conto della diversa localizzazione e altitudine del Comune

considerato rispetto al capoluogo di provincia, applicando il seguente criterio:

•si identifica il capoluogo di provincia di appartenenza del Comune considerato;

•si apporta una correzione al valore della temperatura del capoluogo di riferimento per tenere

conto della differenza di altitudine tra questo e il Comune considerato, secondo la relazione:

−θer è il valore medio mensile della temperatura media giornaliera dell’aria esterna nel

capoluogo di riferimento (Prospetto III), espresso in °C;

−z è l’altitudine s.l.m. del Comune considerato, espressa in m;

−zr è l’altitudine s.l.m. del capoluogo di riferimento (Pr. III), espressa in m;

−δ è il gradiente verticale di temperatura, il cui valore è assunto pari a 1/178, espresso in

°C/m.


29

Scambio termico per trasmissione- UNI TS

11300/1

UNI TS 11300/1 riporta come calcolare il coefficiente di scambio termico per

trasmissione, ht, che è dato da:

Le formule di calcolo dei coefficienti sopra citati differiscono tra loro e fanno

riferimento alle norme UNI EN ISO13370 e UNI EN ISO 13789. Per tener conto della

natura tridimensionale del flusso termico le formule della norma UNI EN ISO 13370

sono espresse in termini di:

– dimensione caratteristica del solaio B’ definita come il rapporto tra l’area totale

netta del solaio A e il suo semiperimetro (lordo) P: B’ = A / . P;

– spessore equivalente definito come lo spessore di terreno avente la medesima

resistenza termica.

scambio verso

l’ambiente esterno verso gli ambienti

non climatizzati

verso gli edifici

adiacenti

verso il terreno

ht = hd + hg + hu + ha

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Scambio termico per trasmissione - Formula

semplificata

Il coefficiente di dispersione termica per trasmissione per i componenti opachi e vetrati,

HT, tiene conto delle perdite di calore attraverso le strutture che separano l’ambiente

climatizzato dall’ambiente circostante.

• AL è l’area lorda di ciascun componente, k, termicamente uniforme, che separa l’ambiente

climatizzato dall’ambiente circostante, espressa in m2;

• UC,k è la trasmittanza termica corretta di ciascun componente, k, termicamente uniforme, che

separa l’ambiente climatizzato dall’ambiente circostante, espressa in W/m2K.

N.B. Il valore cambia a seconda del tipo di edificio: se esistente o di nuova costruzione. Uck = U *(1+ fPT) in cui

il fattore fPT tiene conto dei ponti termici della struttura. Ha un valore in percentuale per gli edifici esistenti, un

valore calcolato puntualmente per edifici di nuova costruzione

• FTk è il fattore correttivo da applicare a ciascun componente, k, così da tener conto delle diverse

condizioni di temperatura degli ambienti non climatizzati con cui essi sono a contatto (se edificio

confina con ambiente esterno Ftk=1).

31

Ai fini del calcolo del coefficiente di dispersione termica per trasmissione dell’edificio

si assume come superficie disperdente la superficie dei componenti opachi e

trasparenti rivolti verso l’esterno, verso il terreno e verso ambienti non climatizzati

tramite lo stesso impianto termico.


semplificata

32

Nel calcolo delle dispersioni termiche si assumono alcune ipotesi esemplificative :

– il regime sia stazionario (grandezze costanti nel tempo)

– l’aria ambiente abbia la stessa temperatura in ogni punto

– le proprietà termofisiche dei materiali e i coefficienti di scambio

termico superficiale non dipendano dalla temperatura

– le pareti siano piane, indefinitamente estese e composte da strati di materiali

diversi fra loro paralleli

– le resistenze di contatto tra materiali diversi siano nulle

– il flusso termico monodimensionale e perpendicolare alle

superfici piane che delimitano la parete stessa.


semplificata

33

In realtà la distribuzione della temperatura per “piani paralleli” non risulta mai

verificata perche la parete

•non è mai completamente omogenea e tantomeno di lunghezza indefinita. In

generale si puo dire che i “PONTI TERMICI” possono essere generati dalle

seguenti circostanze:

– disomogeneita termica dei materiali che compongono uno strato (ad esempio la

composizione di un solaio o la presenza di un pilastro di cemento armato in una

parete di materiale diverso);

– disomogeneita geometrica (angoli di parete o nodi).

Questo si traduce, in generale, in una

perturbazione del flusso termico che provoca

disomogeneità di temperatura sulle superfici

interne delle pareti, con conseguente

diminuzione della temperatura superficiale

interna associate a pericolo di formazione di

condense e muffe, ed un aumento delle

dispersioni termiche difficilmente valutabili.


semplificata

34


semplificata

Un ponte termico viene definito “corretto” dal D.Lgs. n. 192/2005 quando la

trasmittanza termica della parete fittizia, intesa come il tratto di parete esterna in

corrispondenza del ponte termico, non supera per più del 15% la trasmittanza termica

della parete corrente.

35

Negli edifici di nuova costruzione, invece, il calcolo dell’incidenza del ponte termico deve essere

eseguito dettagliatamente, applicando la seguente formula:

ht = Σ Ak * Uk + Σ lk * ψk + Σ χj [W/K]

lk e la lunghezza del ponte termico;

ψk e la trasmittanza termica lineare del ponte termico da norma UNI EN ISO 14683;

χj e la trasmittanza termica puntuale del ponte termico da norma UNI EN ISO 10211-1.


36


semplificata

I valori di U vengono

corretti automaticamente

in funzione della tipologia

edilizia

•UC,k :trasmittanza termica corretta di ciascun componente opaco, k, termicamente uniforme,che separa

l’ambiente climatizzato dall’ambiente circostante, espressa inW/m2K;

•Uk :la trasmittanza termica di ciascun componente opaco, k, termicamente uniforme, che separa l’ambiente

climatizzato dall’ambiente circostante, espressa in W/m2K;

•FPT è il fattore correttivo da applicare al valore di trasmittanza termica di ciascun componente opaco

disperdente, k, così da tener conto delle maggiorazioni dovute ai ponti termici

37

Scambio termico per trasmissione – Componenti

finestrati

La trasmittanza termica delle finestre singole,UW, si calcola in base a quanto

riportato nella norma UNI EN ISO 10077-1, mediante la relazione:

-Uw è la trasmittanza termica della finestra singola, espressa in W/m2K;

- Ag è l’area del vetro, espressa in m2;

- Ug è la trasmittanza termica del vetro, espressa in W/m2K;

- At è l’area del telaio, espressa in m2;

- Ut è la trasmittanza termica del telaio, espressa in W/m2K;

- lg è il perimetro del vetro, espresso in m;

- Ψg è la trasmittanza termica lineare del vetro. E’ un valore tabellare (allegato E

UNI EN ISO 100077 )che dipende dal tipo di distanziatore (vetri camera)

38


finestrati

39

Effetto del distanziatore (contributo stimato pari a 5 – 10 % trasmittanza globale Uw

a seconda della prestazione energetica del telaio)

METODO DI CALCOLO: UNI EN ISO 10077/2


finestrati

40

TRASMISSIONE VERSO AMBIENTI NON

RISCALDATI- Hu

41


42

La presenza di spazi soleggiati non riscaldati prossimi a spazi riscaldati (ad es.verande

e serre adiacenti) può portare, nella stagione invernale, alla riduzione delle perdite per

trasmissione.

• Ovviamente, è buona norma “disattivare” le serre durante la stagione estiva, per

evitare problematiche di surriscaldamento.

•Quello che a noi interessa sono le perdite per trasmissione attraverso lo spazio

soleggiato (QT,S)


43

Scambio termico per ventilazione

Dove:

hv e il coefficiente globale di scambio termico per ventilazione (W/°C);

θi e la temperatura degli ambienti interni (°C);

θe e la temperatura media mensile esterna (°C);

τ e il tempo considerato (base mensile) (h);

10–3 e un fattore moltiplicativo per passare dai W ai kW.

44


•Nel caso di edifici residenziali di nuova costruzione si assume come numero di

ricambi d’aria quello di 0,3 vol/h.

•Per tutti gli altri edifici si assumono i valori tabellari previsti dalla UNI 10339,

considerando gli indici di affollamento al 60% di quelli riportati dalla norma.

Ṽak= V * n

45

n è il numero di ricambi d’aria previsti in funzione della destinazione d’uso,

espresso in h-1;

• Vop è la portata d’aria esterna richiesta nel periodo di occupazione dei locali,

espressa in m3/h per persona;

• ns è l’indice di affollamento, ossia il numero di persone ai fini progettuali per

ogni metro quadrato di superficie calpestabile

• A è la superficie utile di pavimento, espressa in m2;

• V è il volume netto dell’ambiente a temperatura controllata considerato.


46


47

Apporti gratuiti

Gli apporti termici totali:

Qg,h = Qi + Qs

Apporti interni

Per edifici esclusivamente residenziali (categorie E.1(1) e E.1(2)) gli apporti termici

interni Qi si calcolano tramite l’equazione:

Qa e il valore medio globale degli apporti interni;

Δt sono le ore di funzionamento dell’impianto di climatizzazione

Qi = Qa ・ Δt

48

Apporti gratuiti

Gli apporti solari globali sono la somma di due componenti:

– gli apporti solari sui componenti trasparenti Qsi;

– gli apporti solari sui componenti opachi Qse che spesso non

vengono presi in considerazione perche molto piccoli.

Qsi

49

Apporti gratuiti

Qse

50

Non tutti gli apporti gratuiti riescono però ad essere sfruttati.

• Entrano in gioco principalmente:

− Il livello di isolamento dell’involucro

− L’inerzia dell’edificio

•Si tratta di un comportamento dinamico, che può essere rappresentato attraverso un

opportuno parametro:

Il fattore di utilizzazione degli apporti gratuiti (per il riscaldamento)

Apporti gratuiti

51

Il fattore di utilizzazione permette di considerare il calcolo in maniera “quasi”

stazionaria.

• Tiene conto del fattore d’inerzia dell’edificio; esso viene dunque a dipendere dalle

proprietà inerziali dell’edificio (capacità di accumulare apporti gratuiti e rilasciarli

successivamente) [0<η<1]

• Inoltre esso viene a dipendere dal livello di isolamento dell’involucro esterno

(altrimenti tutti gli apporti uscirebbero per trasmissione)

• Il fattore di utilizzazione è definito indipendentemente dalle caratteristiche del

sistema di riscaldamento.

Sono importanti nella sua definizione gli effetti prodotti da un impianto a lenta

risposta e da un imperfetto sistema di controllo.

Si assume che l’impianto di riscaldamento abbia una regolazione perfetta e si

definisce il rapporto γ tra gli apporti interni e le dispersioni e la costante di tempo τ.

Fattore di utilizzazione degli apporti gratuiti

52

Graficamente si ricava il valore dal grafico riportato nella normativa.

(per periodi di calcolo mensili e per diverse costanti di tempo)


Fattore di utilizzazione in funzione di differenti costanti di tempo, valido per il

periodo di calcolo mensile, per edifici riscaldati in continuo

53

• Al crescere del rapporto guadagni/dispersioni, il fattore di utilizzazione decresce

• Fissato il rapporto guadagni/dispersioni, il fattore di utilizzazione cresce con

l’aumentare della costante di tempo

Fattore di utilizzazione in funzione di differenti costanti di tempo, valido per il

periodo di calcolo mensile, per edifici riscaldati in continuo


54

Analiticamente il fattore di utilizzo può essere anche calcolato attraverso le seguenti

espressioni che tengono conto di un parametro aH :

a0,H (parametro adimensionale)

τ0,H (costante di tempo di riferimento).

• Il fattore di utilizzazione si calcola con le seguenti formule:

Dove a è un parametro numerico che dipende dall’inerzia

dell’edificio (dalla costante di tempo τ ) per edifici con funzionamento

continuo dell’impianto sulle 24 ore, calcolo mensile:


55

La costante di tempo τh che caratterizza l’inerzia termica dello spazio riscaldato, è

definita attraverso il rapporto tra la capacità termica interna (C), che può essere

calcolato sommando le capacità termiche effettive di tute le pareti interne in

contatto diretto con l’aria interna della zona considerata, ed il coefficiente di

dispersione termica dell’edificio (H):

– C = effettiva capacità termica interna: il calore accumulato nella struttura

dell’edifico quando la temperatura interna varia in modo sinusoidale con un periodo

di 24h ed un’ampiezza di 1K

– H = Coefficiente di dispersione termica dell’edificio

Fattore di utilizzazione apporti termici: η

Appendice H “Calcolo della capacità termica effettiva”– UNI EN ISO 13790

Per calcoli più dettagliati, vedere norma UNI EN ISO 13786:2008

τ = C / H


56

Il valore della capacità termica effettiva viene determinato a partire dalla

capacità termica volumica:

c è la capacità termica volumica, espressa in Wh/m3K;

•VL è il volume lordo dell’ambiente climatizzato considerato, espresso in m3.

•HT è il coefficiente di dispersione termica per trasmissione tra l’ambiente

climatizzato e l’ambiente circostante, espresso in W/K

•HV è il coefficiente di dispersione termica per ventilazione tra l’ambiente

climatizzato e l’ambiente circostante, espresso in W/K


57

Dopo aver analizzato tutti i fattori dell’equazione per il calcolo del fabbisogno

termico su base mensile, non resta che sommare i valori ottenuti per l’intero

periodo di riscaldamento, per ottenere il fabbisogno Termico Netto Annuale.

Fabbisogno termico netto annuale

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