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

Introduzione impianti: Argomenti trattati 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: SISTEMA EDIFICIO-IMPIANTO SISTEMA EDIFICIO-IMPIANTO IMPIANTI Meccanici Involucro edilizio IMPIANTI Elettrici 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 3

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 4

Introduzione impianti 2: 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. 5

Dettagli impiantistici: La temperatura operante 6

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 7

Introduzione impianti: Calore latente e sensibile H2 O 10°C… 70°C… 100°C… 100°C… 8

Introduzione impianti: Pcs e Pci 9

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

Introduzione impianti 2: la cogenerazione 11

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

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

Introduzione impianti: L’evoluzione del quadro normativo 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 Rif 01: Normativa 14

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 15

Introduzione impianti: Componenti impianti riscaldamento Centrale di produzione del calore Sistema di distribuzione del fluido termovettore (tubazioni e isolamento) 3. Terminali di erogazione negli ambiente climatizzati. Sistema regolazione Componenti caratterizzate da un rendimento termodinamico produzione distribuzione emissione regolazione 16

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

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

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 19

Introduzione impianti: Le caldaie 20

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

Introduzione impianti: Le caldaie 22

Introduzione impianti: Caldaie a condensazione 23

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) 24

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

Introduzione impianti: Caldaie a condensazione 26

Dettagli impiantistici: Caldaie a condensazione 27

Introduzione impianti: Caldaie a condensazione 28

Introduzione impianti Caldaie in cascata 29

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

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. 31

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

Introduzione impianti Pompe di calore 33

Introduzione impianti Pompe di calore 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 impianti Pompe di calore 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. 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 34

Introduzione impianti Pompe di calore Condensate ad aria (COP= 2-3) PDC elettriche C.O.P Geotermiche (3,5-4,5) Condensate ad acqua Pozzo o lago (5) 35

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

Dettagli impiantistici: Le sonde geotermiche 37

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

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/m cautelativamente l’esperienza porta a 50 W/m 39

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 40

Introduzione impianti: PDC 41

Introduzione impianti: PDC 42

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

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

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. 45

Introduzione impianti: 46

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

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

Introduzione impianti: ηe = Rendimento di emissione E’ 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. 49

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

Dettagli impiantistici: Il radiatore Interno Interno Esterno Interno Esterno MURO MURO 51

Dettagli impiantistici: Il radiatore 52

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

Introduzione impianti: Thermofon 54

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

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

CARATTERISTICHE FUNZIONALI PANNELLI RADIANTI Introduzione impianti: Il pavimento radiante 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 Corso Progettista, I° edizione Dett. impiantistici, R. Capra 27/10/2007 57

Introduzione impianti: Il pavimento radiante [1] 58

Introduzione impianti: Il pavimento radiante 59

Introduzione impianti: Il pavimento radiante 60

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

Introduzione impianti: Soffitto e parete 62

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

Introduzione impianti: Il soffitto radiante 64

Il COMFORT Criteri fondamentali di progettazione nei climi temperati : 65

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

Introduzione impianti: Rendimento di regolazione E’ 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. 67

Introduzione impianti: 68

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

Introduzione impianti: 70

Il comfort: Il risparmio energetico e il confort invernale

Wt= Σ (U x S x (ti – tem)) [W] 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 72

Wv= Σ (0,34 x V x n x (ti – tem)) [W] 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 73

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 74

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]; 75

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 76

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] 77

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]; 78

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]; 79

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. 80

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. 81

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 produzione ηd = rendimento di distribuzione ηc = rendimento di regolazione ηe = rendimento di emissione 82

Qst = Σ(QL- η x QG)/ηc x ηe x ηp x ηc [J] 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 Limitando le perdite QL massimizzando gli apporti QG 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. 83

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

Introduzione impianti: la contabilizzazione CONTABILIZZAZIONE DIRETTA Termostato 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 85

Introduzione impianti: la contabilizzazione indiretta 5 4 6 Misura del consumo di ogni radiatore tramite il ripartitore di calore Valvole termostatiche su ogni radiatore per gestione autonoma 86

Introduzione impiantisti: Il bilanciamento dei circuiti 87

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

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 89