Michele Vio

Soluzioni impiantistiche per edifici ad elevato isolamento autore Michele VIO

SOLUZIONI IMPIANTISTICHE PER EDIFICI CON ELEVATO

ISOLAMENTO


87%

Frankfurt Germania (clima freddo) Riqualificazione con tecniche Passive House


Infatti, soprattutto nella valutazione del carico latente, come si vedrà meglio più avanti, sarebbe necessario disporre dei dati climatici per BIN suddivisi tra giorno e notte, anche solo per una valutazione sommaria. Ad esempio, se si deve progettare un impianto per un palazzo per uffici, che lavora solamente di giorno, è sbagliato “sporcare” i dati considerando anche le ore notturne.AiCARR fornisce alcuni software di calcolo che permettono di calcolare questi dati per ogni provincia italiana, a partire dall’anno medio tipo e per qualunque altra località al mondo a partire da alcuni parametri medi mensili, ricavabili dal sito weatherbase.com.La figura mostra la frequenza oraria di Milano suddivisa appunto tra giorno e notte.

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Importanza del clima


Tutte le città italiane sono caratterizzate da profili tra loro simili. Le temperature che si verificano con maggiore frequenza sono quelle comprese tra 5°C e 25°C, con “code” verso il basso nelle città del nord e verso l’alto in quelle del sud.La figura riporta la somma delle temperature diurne e notturne per tre città.

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Completamente diversa è la situazione delle città del nord Europa, caratterizzate da un clima freddo. La figura mostra la frequenza oraria annuale di Berlino confrontata con quelle di Milano e Bari: si può notare quanto maggior peso abbiano le basse temperature.

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Completamente diverso è anche il clima delle città degli USA, altro riferimento storico per i progettisti italiani. La figura riporta il caso di Minneapolis (clima continentale freddo) e Phoenix (clima continentale caldo). I profili sono completamente diversi rispetto a quelli di Milano e Bari..

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Anche New York, che pure è una città di mare alla stessa latitudine di Napoli, presenta delle importanti differenze climatiche con le nostre città..

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Nelle fasce di temperatura tra 6°C e 15°C (azzurra) e 16°C e 25°C (arancione) l’effetto del recupero di calore è nullo o molto limitato. Queste temperature si verificano per il 71% del tempo a Milano e per l’82% sia ad Ancona che a Bari. In tutte le altre località considerate, le frequenze di queste due fasce sono nettamente minori: 60% a New York, 58% a Phoenix, 55% a Berlino e 50% a Minneapolis e la differenza rispetto alle città italiane è distribuita verso le alte o le basse temperature.E’ logico che le strategie di utilizzo dei recuperatori debbano essere necessariamente diverse.

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L’isolamento degli edifici:

- Influisce sul benessere termico

- Influenza le prestazioni energetiche

Effetti dell’isolamento

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Migliora il benessere termico

isolamento e benessere termico

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L’uomo scambia calore sia per convezione, con l’aria,si per irraggiamento, con le superfici che lo circondano.

Pertanto il benessere termico dipende dalla temperatura dell’aria e dalla temperatura delle superfici che compongono l’ambiente.

Più fredde sono le superfici, maggiore è la sensazione di freddo provata


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Se le superfici sono molto fredde, l’ambiente è poco vivibile soprattutto nelle vicinanze di queste.

Un esempio: stanza 6 * 4 con una sola parete esposta verso l’esterno. Isolamento molto scarso (anni 60), temperatura ambiente 20°C, temperatura aria esterna -5°C


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Impianto a fan coil

finestre

Sensazione di freddoClasse B norma UNI 7730

Sensazione molto freddoClasse C norma UNI 7730


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Impianto radiatori AT

finestre

Sensazione benessereClasse A norma UNI 7730

Sensazione di freddo

Classe B norma UNI 7730


Classe B norma UNI 7730

Radiatore

Sensazione di caldo


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Impianto pavimento radiante

finestre




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Isolamento fino al 1976 Isolamento

dal 1976 al 2005

Isolamento attuale


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Cosa succede se si migliora l’isolamento termico.


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Impianto a fan coil

finestre



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Impianto RADIATORE BT

finestre



Radiatore

Sensazione di TEPORE



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Impianto pavimento radiante

finestre


Sensazione di freddo Sensazione di freddo


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Prestazioni energetiche


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L’analisi che segue è semplificata, perché serve solo a far cogliere al lettore, in modo semplice e immediato, l’importanza di ogni singolo fattore nella scelta del recuperatore di calore.

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Il fabbisogno termico richiesto dall’ambiente


Tralasciando per il momento gli apporti solari e gli scambi termici radianti in genere, a parità di isolamento termico la potenza scambiata dall'involucro dell’edificio dipende dalla temperatura dell’aria esterna e si annulla quando il valore della temperatura dell’aria esterna uguaglia quello della temperatura in ambiente.

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Nell’ipotesi che in ambiente si voglia mantenere un valore di temperatura dell’aria pari a 20 °C nella stagione di riscaldamento e a 26 °C in quella di raffrescamento, l’impianto deve lavorare in riscaldamento fino alle condizioni individuate dal punto verde (tE= tA= 20 °C) per poi comincia a lavorare in raffrescamento a partire dalle condizioni individuate dal punto blu (tE= tA= 26 °C). Tra i due punti, l’impianto è disattivo e il valore della temperatura dell’aria in ambiente varia tra 20 °C e 26 °C

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20 °C 26 °C



La curva rossa è relativa a un edificio con isolamento termico scarso. Nel caso di isolamento elevato la potenza termica richiesta diminuisce: la curva si appiattisce (curva blu), ma i punti che indicano la fine del riscaldamento e l’inizio del raffrescamento non cambiano posizione.

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Il contributo dei carichi endogeni sensibili (area grigia) è molto spesso costante nel tempo (come ipotizzato in figura) e fa variare i fabbisogni termici. La curva trasla verso l’alto (curva rossa superiore): la conseguenza è una riduzione delle temperature di fine riscaldamento e di inizio raffrescamento

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Nel caso dell’esempio, in un edificio con scarso isolamento termico, il valore della temperatura dell’aria esterna di fine riscaldamento si riduce da 20 °C (punto verde) a 12,5 °C (punto giallo).

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12,5 °C 20 °C



Il valore della temperatura dell’aria esterna di inizio raffrescamento passa da 26 °C (punto blu) a 19 °C (punto giallo).

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19 °C 26 °C

7.4 Il fabbisogno termico richiesto dall’ambiente


A parità di carichi endogeni, l’effetto è molto più marcato nel caso di edifici con elevato isolamento termico perché le curve sono più piatte, a causa delle minori dispersioni. Di conseguenza, i punti di fine riscaldamento e inizio raffrescamento si allontanano molto di più.

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Nel caso dell’esempio, in un edificio con elevato isolamento termico il valore della temperatura dell’aria esterna di fine riscaldamento si sposta da 20 °C (punto verde) a -10 °C (punto giallo).

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20 °C -10 °C



Il valore della temperatura dell’aria esterna di inizio raffrescamento passa da 26 °C (punto blu) a -3 °C (punto giallo)

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26 °C - 3 °C



Questo andamento dei carichi modifica il profilo di temperatura dell’ambiente. In un edificio con scarso isolamento è possibile mantenere in ambiente un valore di temperatura dell’aria pari a 20 °C fino a che quello della temperatura dell’aria esterna non raggiunge 12,5 °C (punto verde), e uguale a 26 °C a partire da quando quello della temperatura dell’aria esterna supera 19 °C (punto blu).

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12,5 °C

19 °C



In un edificio con elevato isolamento si può mantenere un valore della temperatura dell’aria in ambiente pari a 20 °C fino a che quello della temperatura dell’aria esterna non raggiunge -10 °C (punto verde),e pari a 26 °C a partire da quando il valore della temperatura dell’aria esterna supera -3°C (punto blu).

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7.4 Il fabbisogno termico richiesto dall’ambiente


Queste condizioni sono inaccettabili per il benessere delle persone. In inverno, se si volesse mantenere la classe A secondo la UNI EN 7730 il valore della temperatura dell’aria in ambiente dovrebbe essere rappresentato dalla curva verde. E’ possibile farlo agendo sulla temperatura dell’aria immessa, sfruttando il free-cooling.

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Come detto, finora non sono stati considerati gli apporti solari e gli altri scambi radiativi, ad esempio quello notturno verso il cielo stellato. Entrambi sono difficilmente schematizzabili in una modellazione semplificata come quella che si sta utilizzando.

L’irraggiamento solare influisce molto sulle superfici trasparenti, meno su quelle opache ed è funzione della località, dell’esposizione, degli ombreggiamenti, degli schermi esterni e della massa della struttura.

Il suo effetto è del tutto simile a quello dei carichi endogeni descritti in precedenza. L’unica differenza è che i carichi endogeni sono generalmente costanti, almeno all’interno di medesimi profili di funzionamento, mentre gli apporti solari variano molto di più.

Per semplicità, in questa esposizione gli effetti degli apporti solari si assimilano ai carichi endogeni. Di conseguenza, nell’ottica di una descrizione qualitativa dei fenomeni, la presenza di carichi radianti amplifica l’effetto di traslazione delle temperature di fine riscaldamento e inizio raffrescamento.

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Soluzioni impiantistiche per edifici ad elevato isolamento autore Michele VIO 36

Problematiche legate all’isolamento


In Europa gli interventi si sono basati sull’approccio del

“energy conservation”

ovvero

limitazione della domanda energetica causata dall’involucro, focalizzandosi, per anni sul riscaldamento ambientale e, sulla

massimizzazione degli apporti gratuiti di origine solare.

Ciò ha permesso di migliorare significativamente l’efficienza energetica dei sistemi edilizi, consentendo nell’arco di 20 – 30 anni di abbattere la

domanda energetica per il riscaldamento e di coprire una quota rilevante fonti rinnovabili (prevalentemente solare).

Fonte: prof. Perrino politecnico Torino

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Cosa si è fatto sinora

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??

Cosa si è fatto sinora

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A fronte della diminuzione consistente dei carichi per il riscaldamento questa filosofia può comportare, in molti casi, dei problemi di surriscaldamento

Riduzione della domanda per il riscaldamento, ma aumenti consistenti dei carichi di climatizzazione estiva.

incremento percentuale delle altre voci del bilancio energetico dell’edificio (climatizzazione estiva, illuminazione artificiale e consumi elettrici per le apparecchiature)

I limiti dell’”energy conservation approach”

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= ECBCS

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2 possibili vie:

- Utilizzo del Free-Cooling

- Limitazione dell’isolamento termico

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Soluzioni impiantistiche per edifici ad elevato isolamento autore Michele VIO 43

L’utilizzo del free-cooling


Il free-cooling può essere utilizzato quando l’edificio deve essere raffreddato e le condizioni dell’aria esterna sono favorevoli.E’ particolarmente adatto agli edifici con elevato isolamento, perché il campo dei valori di temperatura in cui si può utilizzare è molto ampio.

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UTILIZZO FC: EDIFICI a eLEVATO ISOLAMENTO

UTILIZZO FC

EDIFICI con

SCARSO ISOLAMENTO


Il free-cooling può essere:

diretto: quando l’aria esterna viene utilizzata direttamente per raffreddare gli ambienti;

indiretto: quando l’aria esterna o un’altra sorgente termica, per esempio l’acqua di falda o il terreno, viene utilizzata per raffreddare l’acqua da inviare ai terminali.

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Il free-cooling diretto a sua volta può essere:

tradizionale: si sfruttano le condizioni dell’aria esterna senza ulteriori trattamenti;

integrato dal raffreddamento adiabatico diretto (RAD): si raffredda l’aria immessa mediante una umidificazione adiabatica diretta, in modo da migliorare le prestazioni;

integrato dal raffreddamento adiabatico indiretto (RAI): si sfrutta il raffreddamento adiabatico indiretto, in modo da migliorare le prestazioni;

integrato da RAD e RAI: si sfruttano entrambe le tecnologie di raffreddamento adiabatico.

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Quando sussistono le condizioni di attivazione del free-cooling, viene prelevata tutta aria esterna, escludendo il ricircolo e by-passando l’eventuale recupero di calore. La batteria fredda, collegata idraulicamente ai gruppi frigoriferi, provvede, se necessario, a raffreddare ulteriormente l’aria.

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Free-cooling tradizionale


Quando le condizioni lo consentono, è possibile utilizzare il Raffreddamento Adiabatico Diretto aggiungendo un umidificatore adiabatico nel condotto di rinnovo, a monte della batteria fredda, per pre-raffreddare l’aria di rinnovo,.Il sistema RAD si ottiene a costo zero se si utilizza l’umidificatore già presente per il funzionamento in riscaldamento, basta avere l’accortezza di installarlo a monte e non a valle della batteria fredda.

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Free-cooling integrato dal RAD


Si aggiunge un umidificatore adiabatico nel condotto di espulsione. Il recuperatore non è mai by-passato e deve sempre essere dimensionato per la portata di aria di rinnovo in condizioni di free-cooling. Il RAD può anche non esserci, ma comunque è sempre consigliato.

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Free-cooling integrato dal RAD e dal RAI


Trieste ha un clima molto adatto all’uso del free-cooling, pur non essendo una città molto fredda, perché ha un clima secco, soprattutto di giorno.Milano, invece, risulta avere un clima molto sfavorevole per il free-cooling, perché molto umido.

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Effetti del Free-cooling


Tutte le città dell’Italia centrale hanno climi adatti al free-cooling.Grosseto è una delle città più favorite perché ha un clima secco, soprattutto di giorno. Roma, invece, è una delle città peggiori, perché ha un clima più umido.

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Che il free-cooling sia più influenzato dall’umidità relativa dell’aria che dalla temperatura è dimostrato dalle città del Sud Italia. Reggio Calabria, Bari e altre hanno climi molto adatti. Palermo, invece, essendo una delle città più umide d’Italia, ha un clima pessimo.

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Design

Michele Vio