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ECOABITA Il progetto pilota sulla certificazione energetica degli edifici Corso Progettista Ecoabita III° edizione Introduzione Impianti 1 Dott. Ing. Roberto.

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1 ECOABITA Il progetto pilota sulla certificazione energetica degli edifici Corso Progettista Ecoabita III° edizione Introduzione Impianti 1 Dott. Ing. Roberto Capra ACER RE – UNIVERSITA DI FERRARA

2 PREMESSE Lapproccio 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

3 Introduzione impianti: SISTEMA EDIFICIO-IMPIANTO Involucro edilizio IMPIANTI Elettrici SISTEMA EDIFICIO-IMPIANTO IMPIANTI Meccanici 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 LABITABILITA E IL COMFORT PER GLI OCCUPANTI E A MINIMIZZARE I COSTI ENERGETICI DI GESTIONE

4 Dettagli impiantistici: La potenza misura lattitudine di un sistema a compiere un lavoro (unità di misura kW, J/s) Lenergia è la potenza nel tempo (unità di misura kWh, J) E t

5 La temperatura media radiante ed operante Introduzione impianti 2: Temperatura media radiante (TMR) E la temperatura media pesata delle temperature delle superfici che delimitano lambiente incluso leffetto dellirraggiamento solare incidente. Influisce sugli scambi per irraggiamento. Assieme alla temperatura dellaria, 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 dellaria e quella media radiante proprio per valutare con un unico valore gli scambi termici per convezione e irraggiamento.

6 Dettagli impiantistici: La temperatura operante

7 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 dallambiente dovuto alla differenza tra la tensione di vapore e la pressione dellambiente Condesanzione – passaggio da gas a liquido con cessione di calore allambiente

8 Introduzione impianti: Calore latente e sensibile 10°C… H2H2 O O 70°C…100°C…

9 Introduzione impianti: Pcs e Pci

10 Dettagli impiantistici: Il rendimento di trasformazione Corso Progettista, III° edizione

11 Introduzione impianti 2: la cogenerazione

12 Introduzione impianti 2: la cogenerazione [Carattere testo: Arial Narrow 24, nero]

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

14 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: Levoluzione del quadro normativo Rif 01: Normativa

15 Introduzione impianti: Climatizzazione Climatizzare significa controllare le seguenti grandezze: TEMPERATURA UMIDITA VELOCITA DELLARIA QUALITA DELLARIA Se un impianto controlla solo la temperatura si chiama impianto di riscaldamento Se un impianto controlla la qualità dellaria si chiama impianto di ventilazione

16 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 produzione distribuzione emissione regolazione

17 Introduzione impianti: Le caldaie Rif 02 : Doc. su caldaie

18 Dettagli impiantistici Rendimento di generazione ηp: Corso Progettista, I° edizione Dett. impiantistici, R. Capra 27/10/2007

19 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. Unaltra 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

20 Introduzione impianti: Le caldaie

21 Introduzione impianti: Curva di compensazione T mandata T esterna 15 °C 75 °C -5 °C 40 °C

22 Introduzione impianti: Le caldaie

23 Introduzione impianti: Caldaie a condensazione

24 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)

25 Introduzione impianti: Curva di compensazione T mandata T esterna 15 °C 75 °C -5 °C 40 °C

26 Introduzione impianti: Caldaie a condensazione

27 Dettagli impiantistici: Caldaie a condensazione

28 Introduzione impianti: Caldaie a condensazione

29 Introduzione impianti Caldaie in cascata

30 Introduzione impianti: Le pompe di calore Rif 03: Doc. su pompe di calore

31 Introduzione impianti Pompe 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.

32 Introduzione impianti Pompe di calore Alta pressioneBassa pressione Q fornito serbatoio caldo ad alta temperatura Q sottratto al serbatoio freddo a bassa temperatura (2 kW) L=lavoro in kW (1 kW) (3 kW)

33 Introduzione impianti Pompe di calore

34 Introduzione impianti Pompe di calore C.O.P.= Q t / 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 lassorbimento elettrico dei compressori Lefficienza di una pompa di calore è rappresentata dal coefficiente di prestazione C.O.P. (Coefficient of Performance), inteso come il rapporto tra lenergia termica resa al corpo da riscaldare e lenergia 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).

35 Introduzione impianti Pompe 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

36 Introduzione impianti Pompe di calore La variazione del C.O.P. al variare della temperatura esterna

37 Dettagli impiantistici: Le sonde geotermiche

38 Dettagli impiantistici: La sonda geotermica Le sorgenti di calore – sonda geotermica 0°C -3°C +15°C

39 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 allinfilamento) cautelativamente lesperienza porta a 35 W/m cautelativamente lesperienza porta a 50 W/m

40 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

41 Introduzione impianti: PDC

42 Introduzione impianti: PDC

43 Introduzione impianti: Il sistema di distribuzione (tubazioni ed isolamento) Rif 04: Doc. tubazioni

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

45 Introduzione impianti: η d = Rendimento di distribuzione E il rapporto tra la somma del calore utile emesso dai corpi scaldanti e dal calore disperso dalla rete di distribuzione allinterno dellinvolucro riscaldato delledificio, e il calore uscente dallimpianto di produzione immesso nella rete di distribuzione.

46 Introduzione impianti:

47 Esempio di progetto di impianto (schema a collettore) R1,R2,R3,R4, radiatori C.1 collettore di distribuzione

48 Introduzione impianti: I terminali in ambiente Rif 05: Doc. elementi terminali [1]

49 Introduzione impianti: η e = Rendimento di emissione E il rapporto tra lenergia 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 lenergia richiesta per il riscaldamento degli stessi ambienti con limpianto di emissione reale.

50 INVERNO T alimentazione elevate Introduzione impianti: Radiatori e fan coil (Sistemi convettivi) [1] INVERNO T alimentazione media

51 Dettagli impiantistici: Il radiatore Interno Esterno MURO Esterno

52 Dettagli impiantistici: Il radiatore

53 Introduzione impianti: I ventil convettori (fan coil) CALDO/FREDDO

54 Introduzione impianti: Thermofon

55 Introduzione impianti: Thermofon Temperatura superficiale thermofon Temperatura superficiale radiatore CALDO

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

57 Introduzione impianti: Il pavimento radiante Corso Progettista, I° edizione Dett. impiantistici, R. Capra 27/10/2007 CARATTERISTICHE FUNZIONALI PANNELLI RADIANTI INVERNO T alimentazione inverno da 35 a 45 °C (BT) Resa invernale da 50 a 100 W/mq ESTATE T 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

58 Introduzione impianti: Il pavimento radiante [1]

59 Introduzione impianti: Il pavimento radiante

60 Introduzione impianti: Il pavimento radiante

61 Introduzione impianti: Il pavimento radiante Sezione tipo impianto a pannelli radianti di tipo annegato

62 Introduzione impianti: Soffitto e parete

63 Introduzione impianti: Il soffitto radiante Soffitto radiante Soffitto radiante costituisce un ottimo coibente

64 Introduzione impianti: Il soffitto radiante

65 Criteri fondamentali di progettazione nei climi temperati : Il COMFORT

66 Introduzione impianti: REGOLAZIONE Workstation Supervision and Control System HMI Interface 1 UTA 1 UTA 2 UTA 3 POMPE PRIMARIE/SECON DARIE PLC HARDWIRED I/O Rif 06: Doc. regolazione

67 Introduzione impianti: Rendimento di regolazione E il rapporto tra lenergia richiesta per il riscaldamento degli ambienti con una regolazione teorica perfetta (che non genera quindi oscillazioni di temperatura allinterno dellambiente) e lenergia richiesta per il riscaldamento degli stessi ambienti con limpianto di regolazione reale.

68 Introduzione impianti:

69 Curva di compensazione T mandata T esterna 15 °C 75 °C -5 °C 40 °C

70 Introduzione impianti:

71 Il comfort: Il risparmio energetico e il confort invernale

72 Introduzione impianti: La potenza media W t dispersa per trasmissione è data da: W t = Σ (U x S x (t i – t em )) [W] Dove: W t = potenza media dispersa per trasmissione, [W]; U = trasmittanza media, [W/m 2 K]; S = area della superficie disperdente, [m 2 ]; T i = temperatura interna, [°C]; T em = 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

73 Introduzione impianti: La potenza media W v dispersa per ventilazione è data da: W v = Σ (0,34 x V x n x (t i – t em )) [W] Dove: W v = potenza media dispersa per ventilazione, [W]; 0,34 = calore specifico dellaria, [W/m 3 K]; V = volume degli ambienti, [m 3 ]; N = valore medio mensile di rinnovo dellaria, [Volumi/h]; T i = temperatura interna, [°C]; T em = 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

74 Introduzione impianti: La potenza media fornita dagli apporti solari W S è data da: W s = Σ (q s x A x C i ) [W] Dove: W s = potenza fornita dagli apporti solari, [W]; q s = potenza mensile della radiazione solare differenziata per gli otto orientamenti verticali e per il piano orizzontale, [W/m 2 ]; A = area equivalente delle superfici vetrate e di quelle opache, [m 2 ]; C i = coefficienti riduttivi dovuti a schermature. Nota: si tratta evidentemente del calcolo abitualmente effettuato per valutare i carichi termici estivi secondo il metodo Carrier

75 Introduzione impianti: La potenza media fornita dagli apporti INTERNI W i è data da: W i = Σ (a x A p ) [W] Dove: W i = potenza fornita dagli apporti interni, [W]; a = potenza fornita [W/m 2 ] dagli apporti gratuiti per unità di superficie del pavimento dovuti a: - persone, - illuminazione, - apparecchi elettrici, ecc.; A p = area del pavimento [m 2 ];

76 Introduzione impianti: L energia mensile dispersa per trasmissione Q tg è data da: Q tg = W t x d m [J] Dove: Q tg = energia mensile dispersa per trasmissione, [J]; è comprensiva delle energie disperse dalle strutture: - Verso ambiente esterno Q t - Verso il terreno Q g - Verso locali adiacenti non riscaldati Q u ; d m = 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

77 Introduzione impianti: L energia mensile dispersa per trasmissione Q v è data da: Q v = W v x d m [J] L energia mensile dispersa per trasmissione Q v è data da: Q v = W v x d m [J] L energia mensile fornita dagli apporti interni Q i è data da: Q i = W i x d m [J]

78 Introduzione impianti: E definita come lenergia necessaria per mantenere per tutta la stagione di riscaldamento la temperatura interna dellinvolucro 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 dellinvolucro edilizio Q L : Q L = Q t +Q g +Q v +Q u [J] Dove: Q L = perdite mensili di energia dellinvolucro edilizio, [J]; Q t = perdite mensili per trasmissione verso lesterno, [J]; Q u = perdite mensili per trasmissione verso locali esterno non riscaldati,[J]; Q g = perdite mensili per trasmissione verso il terreno, [J]; Q v = perdite mensili per ventilazione, [J];

79 Introduzione impianti: E, in seguito, calcolare i guadagni mensili di energia dell involucro Q G : Q G = Q s + Q i [J] dove: Q G = totale apporti mensili di energia dellinvolucro edilizio, [J]; Q s = apporti mensili dovuti allenergia solare, [J]; Q i = apporti interni, [J];

80 Introduzione impianti: Infine lenergia utile mensile per il riscaldamento dellinvolucro edilizio è data da: Q h = Q L – η x Q G [J] Dove: Q h = fabbisogno energetico utile mensile; Q L = perdite mensili di energia dellinvolucro edilizio, [J]; Q G = totale apporti mensili di energia dellinvolucro edilizio, [J]; η = fattore di utilizzazione degli apporti gratuiti (compreso tra 0 e 1). Esso, funzione dellinerzia termica delledificio 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 delledificio.

81 Introduzione impianti: Il fabbisogno stagionale di energia utile è invece dato da: Q h stagionale = ΣQ h [J] Tale dato rappresenta una caratteristica dellinvolucro edilizio quando questo è riscaldato in modo continuo.

82 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. Q st = Q h / η c x η e x η p x η c [J] Dove: Q st = fabbisogno di energia primaria del sistema edificio impianto per riscaldamento invernale (consumo); η g = η e x η d x η p x η c = rendimento globale medio stagionale. ηp = rendimento di produzione ηd = rendimento di distribuzione ηc = rendimento di regolazione ηe = rendimento di emissione

83 Introduzione impianti Lanalisi delle due formulazioni Q h = Q L – η x Q G [J] QL = totale perdite mensili di energia dellinvolucro edilizio, [J]; QG = totale apporti mensili di energia dellinvolucro edilizio, [J]; Q st = Σ(Q L - η x Q G )/η c x η e x η p x η c [J] Una limitazione dei consumi Q st può avvenire nei seguenti modi 1.Limitando le perdite Q L 2. massimizzando gli apporti Q G 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.

84 Introduzione impianti: la contabilizzazione Impianto centralizzato distribuzione verticale (edifici vecchi) Contabilizzazione indiretta Impianto centralizzato distribuzione orizzontale (edifici recenti) Contabilizzazione diretta

85 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

86 Misura del consumo di ogni radiatore tramite il ripartitore di calore Valvole termostatiche su ogni radiatore per gestione autonoma Introduzione impianti: la contabilizzazione indiretta

87 Introduzione impiantisti: Il bilanciamento dei circuiti

88 Dettagli impiantistici: il bilanciamento dei circuiti Valvola di taratura Autoflow Misuratore di portata

89 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


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