La metodologia di calcolo: prospettive ed indicazioni normative in

La metodologia di calcolo: prospettive
ed indicazioni normative in fase di
approvazione nazionale ed europeo
Prof. Piercarlo ROMAGNONI
Università IUAV di Venezia
Dipartimento di Costruzione
dell’Architettura
Dorsoduro 2206 – 30123 Venezia
La Normativa correlata alla Direttiva 2002/91/CE
[Energy Performance of Buildings Directive - EPBD]
Commissione incaricata dal CTI (Sottocomitato 1 , 6 e 5)
Raccomandazione CTI - R 03/3 - Novembre 2003
Climatizzazione invernale e preparazione acqua calda per usi igienico
- sanitari
Implementazione entro il 2007
==> Preparazione dei documenti legali, preparazione
dei progettisti , software, etc.
==> Pubblicazione degli standards
==> molte nuove procedure saranno pubblicate come
Recommended Procedures con futuri incrementi ed armonizzazioni
1
A livello europeo è stato istituito un gruppo di coordinamento tra
alcuni comitati tecnici del CEN per preparare la normativa tecnica
relativa alle prestazioni degli edifici, dei componenti edilizi e degli
impianti.
I comitati coinvolti sono:
CEN/TC 89 ”Prestazioni termiche degli edifici e dei componenti
edilizi”
CEN/TC 156 ”Ventilazione degli edifici”
CEN/TC 169 ”Luce e illuminazione”
CEN/TC 228 ”Sistemi di riscaldamento degli edifici”
CEN/TC 247 ”Sistemi di controllo dei servizi meccanici negli
edifici”
Il CEN ha ricevuto il mandato dalla Commissione Europea per
sviluppare la normativa necessaria al recepimento della EPBD
31 norme in fase di approvazione
Compiti della Commissione CEN sulla EPBD
• Facilitare la discussione sulle parti più importanti del
programma di lavoro di EPBD
• Creare un “umbrella document” (a kind of road map)
al fine di presentare una chiara visione sia dei WI
che degli standards, nonché le loro correlazioni, e le
necessità ai fini della Direttiva
• Facilitare lo scambio di informazioni tra i diversi convenors
dei WG, identificare nuovi documenti necessari all’attuazione
della Direttiva
2
Calculation direction (from the demand to the source)
QS
Final energy
(boundary:building)
QT
Qi
QV
Davi
d
Qc,e
heat demand
Qh
Emission
Distribution
Qd
Storage
Qs
Generation
Primary
energy
Qg
Energy direction (from the source to the demand)
Fonte: Commissione EPBD
L’indicatore della prestazione energetica e la
classificazione degli edifici (pr EN 15217)
L’indicatore deve essere normalizzato per unità di area condizionata
Quali riferimenti?
EPR reference: è il valore che ci si attende abbia un edificio nuovo al
momento dell’entrata in vigore del regolamento (2006)
limite inferiore classe C
Building stock reference: è il valore che ci si attende abbia raggiunto
il 50% del corpo edifici al momento dell’entrata in vigore del
regolamento (2006)
limite inferiore classe E
Zero Reference: edificio a consumo/ emissione nulla
3
Requisito minimo
per edifici nuovi
Valore medio
prestazione fabbricati
esistenti (stock edilizio)
Determinazione dell’indicatore energetico
Il bilancio energetico dell’edificio va eseguito adottando il
singolo mese come periodo di calcolo e considerando come
unica zona termica quelle porzioni di edificio riscaldate da un
sistema unico e aventi la medesima destinazione d’uso.
Il calcolo deve seguire la metodologia descritta in UNI EN
832 ed in EN ISO 13790
4
Certificato energetico
Emissione di
energia primaria
e di CO 2
Fattori di conversione
Energia rilasciata
Produzione di
acqua calda
Illuminazione
Caratteristiche
del sistema di
riscaldamento
Automazione
e controlli
Caratteristiche del
sistema di
condizionamento
Sistema di
ventilazione
Fabbisogno
energetico
Edificio
Dati di partenza
Guadagni
interni
Dispersioni
termiche
Ricambi
d’aria
Condizioni
climatiche
interne ed
esterne
Guadagni
solari e
luminosi
Dati per la determinazione degli indici energetici (involucro)
- dati climatici: temperatura esterna di progetto θest e
temperatura esterna annuale media;
- dati dell’edificio e calcolo della trasmittanza termica dell’involucro:
determinazione delle resistenze interna ed esterna Rs
UNI EN ISO 6946;
conducibilità termica λ di strati omogenei:
valori dichiarati dei materiali
UNI EN ISO 10456
valori di sicurezza
EN 12524
per il terreno
UNI EN ISO 13370
resistenza termica di strati non omogenei:
UNI EN ISO 6946
resistenza di cavità in pareti opache:
UNI EN ISO 6946
resistenza di cavità in pareti trasparenti:
UNI EN ISO 10077-1
5
- determinazione della trasmittanza termica:
metodo generale:
finestre e porte:
telaio:
vetro:
UNI
UNI
UNI
UNI
- coefficienti lineici per i ponti termici
metodo dettagliato (3D):
metodo dettagliato (2D):
metodo semplificato:
UNI EN ISO 10211-1
UNI EN ISO 10211-2
UNI EN ISO 14683
EN ISO 6946
EN ISO 10077-1
EN ISO 10077-2
EN 673
- calcolo delle dispersioni termiche attraverso
UNI EN ISO 13789
l’involucro esterno,
spazi non riscaldati,
terreno e altri spazi confinanti
NORME EN DI RIFERIMENTO GIA’ ATTUALMENTE VIGENTI
CR 1752
Ventilazione degli edifici – Criteri di progettazione per ambienti
interni
EN 13779
Ventilazione degli edifici non residenziali - Requisiti di prestazione
per i sistemi di ventilazione e di condizionamento
Ventilazione degli edifici - Metodi di calcolo per la determinazione
delle portate d'aria negli edifici residenziali
Ventilazione per edifici - Procedure di prova e metodi di
misurazione per la presa in consegna di impianti installati di
ventilazione e di condizionamento dell'aria
Ventilazione degli edifici - Simboli, terminologia e simboli grafici
EN 13465
EN 12599
EN 12792
EN 13187
EN 13363-1
EN 13363-2
EN 13947
EN 13829
Prestazione termica degli edifici - Rivelazione qualitativa delle
irregolarità termiche negli involucri edilizi - Metodo all'infrarosso
Dispositivi di protezione solare in combinazione con vetrate Calcolo della trasmittanza solare e luminosa - Metodo semplificato
Dispositivi di protezione solare in combinazione con vetrate Calcolo della trasmittanza solare e luminosa - Parte 2: Metodo di
calcolo dettagliato
Prestazioni termiche di “curtain wall” – Calcolo della trasmittanza
termica
Prestazione termica degli edifici - Determinazione della
permeabilità all'aria degli edifici - Metodo di pressurizzazione
mediante ventilatore
6
EN ISO 7245
Isolamento termico - Grandezze fisiche e definizioni
EN ISO 9288
Isolamento termico - Scambio termico per radiazione - Grandezze
fisiche e definizioni
EN ISO 9251
Isolamento termico - Condizioni di scambio termico e proprietà
dei materiali – Vocabolario
EN ISO 12569
Isolamento termico degli edifici - Determinazione del cambio
d'aria all'interno degli edifici - Metodo di diluizione di gas
traccianti.
EN ISO 13788
Prestazione igrometrica dei componenti e degli elementi per
l’edilizia – Temperatura superficiale interna per evitare l’umidità
superficiale critica e condensa interstiziale – Metodo di calcolo
EN ISO 13791
Prestazione termica degli edifici - Calcolo della temperatura
interna estiva di un locale in assenza di impianti di climatizzazione
- Criteri generali e procedure di validazione
EN ISO 13792
Prestazione termica degli edifici - Calcolo della temperatura
interna estiva di un locale in assenza di impianti di climatizzazione
- Metodi semplificati
EN ISO 15927-1
Prestazione termoigrometrica degli edifici - Calcolo e
presentazione dei dati climatici - Medie mensili dei singoli
elementi meteorologici
EN ISO 15927-4
Prestazione termoigrometrica degli edifici - Calcolo e
presentazione dei dati climatici - Parte 4: Dati orari per la
valutazione del fabbisogno annuale di energia per il riscaldamento
e il raffrescamento.
EN ISO 15927-5
Prestazione termoigrometrica degli edifici - Calcolo e
presentazione dei dati climatici - Parte 5: Dati per il carico termico
di progetto per il riscaldamento degli ambienti
In attesa dell’emanazione delle norme in preparazione presso il CEN
vi sono alcune norme italiane (UNI) che possono venire utilizzate in
questo ambito
UNI 10347
UNI 10348
Riscaldamento e raffrescamento degli edifici. Energia termica
scambiata tra una tubazione e l'ambiente circostante. Metodo
di calcolo.
Riscaldamento degli edifici. Rendimenti dei sistemi di
riscaldamento. Metodo di calcolo.
UNI 10349
Riscaldamento e raffrescamento degli edifici. Dati climatici.
UNI 10351
Materiali da costruzione. Conduttività termica e permeabilità al
vapore.
UNI 10355
Murature e solai. Valori della resistenza termica e metodo di
calcolo.
UNI EN 410
Vetro per edilizia - Determinazione delle caratteristiche
luminose e solari delle vetrate.
UNI EN 673
Vetro per edilizia - Determinazione della trasmittanza termica
(valore U) - Metodo di calcolo
UNI EN 832
Prestazione termica degli edifici - Calcolo del fabbisogno di
energia per il riscaldamento - Edifici residenziali.
UNI EN ISO
13790
Prestazione termica degli edifici - Calcolo del fabbisogno di
energia per il riscaldamento
7
La metodologia di UNI EN ISO 13790
Bilancio energetico dell’edificio
secondo UNI EN ISO 13790
La
norma
conferma
la
metodologia di bilancio della UNI
EN 832 estendendola agli edifici
non residenziali.
La metodologia di UNI EN ISO 13790
Fattore di utilizzazione per
due
diverse
categorie
di
edifici
- riscaldamento continuo
(p.es residenziale)
- riscaldamento discontinuo
(p. es. scuole)
Metodo di calcolo mensile
8
Il coefficiente di perdita di calore per trasmissione HT e
quindi il flusso termico scambiato tra interno ed esterno è
calcolato tramite le relazioni:
HT = LD + LS + HU
QT = HT (θint - θext) t
in cui la dispersione attraverso gli spazi non riscaldati è
calcolata dal coefficiente di perdita HU
e la dispersione attraverso il terreno determinata dal
coefficiente di accoppiamento LS
Per la determinazione del flusso termico disperso attraverso la
struttura edilizia, è necessario determinare il coefficiente di
accoppiamento (perdita per dispersione) tra lo spazio riscaldato e
l’esterno attraverso l’involucro edilizio LD è calcolato con la
seguente espressione:
LD = ∑i Ai U i + ∑k l k Ψk + ∑ j χ j
Ai = superficie dell’elemento i – esimo dell’involucro edilizio [m2 ];
Ui = trasmittanza termica dell’elemento i-esimo[W/(m2 K)];
lk = lunghezza del ponte termico lineare, [m];
Ψ k = trasmittanza termica lineica del ponte termico lineare k,
[W/(m K)];
χj = trasmittanza termica puntuale del ponte termico j, [W/K]
9
Il calcolo della dispersione termica verso ambienti non riscaldati è effettuato
determinando il coefficiente H U:
H U = LiU b
con b =
H ue
H iu + H ue
LiU = coefficiente di accoppiamento tra lo spazio riscaldato e lo spazio non
riscaldato [W/K];
Hue = coefficiente di perdita di calore dallo spazio non riscaldato all’esterno [W/K];
Hiu = coefficiente di perdita di calore dallo spazio riscaldato allo spazio non
riscaldato [W/K]
Il coefficiente LiU tiene conto delle perdite attraverso le strutture opache e
trasparenti e gli eventuali i ponti termici, secondo un’espressione analoga alla (1).
I coefficienti di perdita di calore invece devono considerare anche le perdite per
ventilazione, secondo le seguenti espressioni:
Hiu = Liu + H V,iu
Hue = L ue + H V,ue
Valore mensile del fabbisogno di energia termica Q h :
Q h = QL - η Q G
Il fabbisogno annuale di energia termica si determinerà sommando il
fabbisogno termico per tutti i mesi per i quali la temperatura e sterna
media è minore di quella di progetto.
Si ricorda che i guadagni QG sono
QG = Qi + Qs
Gli apporti interni Qi includono:
- calore di produzione metabolica;
- calore dissipato dalle luci;
- calore prodotto da sistemi di ventilazione
- calore prodotto da processi
10
spessori s [m];
conducibilità termiche λ [W/(m K)];
conduttanze C [W/(m2 K)];
densità ρ [kg/m3 ];
calore specifico c [J/(kg K)]
La parete ha superficie A [m2 ]
la resistenza totale di scambio Rtot = 1/ U
è la somma delle resistenze termiche definite di seguito:
Rtot = Rt + R't + Rs i + Rse
Rt = resistenza termica di strato omogeneo;
R’t = resistenza termica di strato non omogeneo;
Rs i = resistenza superficiale interna;
Rs e = resistenza superficiale esterna.
Rt = resistenza termica di uno strato omogeneo di
spessore s [m] e conducibilità termica λ [W/(m K)]:
Rt =
s m2 K
[
]
λ
W
λ è ricavata da valori tabulati o secondo UNI EN ISO
10456
R’t = resistenza termica di uno strato non omogeneo
di spessore s [m] e conduttanza termica C [W/(m2
K)]:
R't =
1 m2 K
[
]
C
W
11
Resistenze superficiali Rsi, Rse
[(m2 K)/W]
Rsi
Rse
Ascendente
0,10
0,04
Direzione del flusso termico
Orizzontale
Discendente
0,13
0,17
0,04
0,04
Per pareti verticali, andranno utilizzate le resistenze riportate
nella colonna centrale.
Un flusso termico ascendente è considerato tale su soffitti
disperdenti; un flusso termico è discendente sotto pavimenti
disperdenti.
E' considerato orizzontale anche un flusso termico inclinato fino
a ±30° sul piano orizzontale.
Le prestazioni “termiche” di un sistema vetrato :
Il coefficiente di scambio termico U-value
Uw =
Ug Ag + Uf Af + ψ g Lg
Ag + Af
qg = A g ⋅ Ug(EN673) ⋅ (t ai − t ae )
qw = Aw ⋅ Uw (EN10077−1) ⋅ (t ai − tae )
12
Il calcolo dei flussi termici dovuti ai ponti termici può essere effettuato
con precisione utilizzando metodi numerici dettagliati in accordo con
UNI EN ISO 10211-1
EN ISO 10211-2
UNI EN ISO 14683
flusso termico tridimensionale
flussi termici bidimensionali
consente di calcolare i flussi termici
attraverso metodi semplificati in corrispondenza alle giunzioni tra
elementi di edifici, ma non si applica a ponti termici associati ai telai di
porte e finestre o a facciate continue
UNI EN ISO 14683 consente di calcolare il valore della trasmittanza
termica lineica Ψk
Generalmente l’influenza dei ponti termici puntuali, esplicitata dal
termine χi, può essere trascurata.
Ψ e = -0,05
Ψoi = 0,15
Ψi = 0,15
C1
Ψ e = 0,00
Ψoi = - 0,20
Ψi = - 0,20
e = 1,0
C3
Ψ e = 0,10
Ψ oi = - 0,15
Ψ i = - 0,15
C7
L 2D = 0,70
Ψ e = -0,20
Ψoi = 0,00
Ψi = 0,00
C4
Ψ e = 0,15
Ψoi = - 0,05
Ψi = - 0,05
C8
L2D = 0,81
Ψ e = -0,15
Ψ oi = 0,05
Ψ i = 0,05
C6
L2D = 0,77
L 2D = 0,83
L2D = 0,82
Ψ e = 0,05
Ψ oi = - 0,15
Ψ i = - 0,15
i, oi = 1,3
L 2D = 0,71
Ψ e = -0,10
Ψ oi = 0,10
Ψ i = 0,10
i, oi = 1,0
i, oi = 1,0
C5
e = 1,0
L2D = 0,79
e = 1,3
e = 1,3
L 2D = 0,84
C2
i, oi = 1,0
Parete
Parete leggera
Strato isolante
Soletta/pilastro
13
Scambio termico per ventilazione
QV = ∑k [HV ,k ( θ i − θ s,k )] t
HV,k = coefficiente di ventilazione dell’aria entrante in ambiente a
temperatura θs;
HV ,k = ρa c a V&V
θi = temperatura della zona termica o dell’edificio;
t = durata del calcolo
V&V = portata d’aria determinata in accordo a EN 13465
Le perdite totali Q L saranno quindi:
QL = QT + QV
Gli apporti interni includono:
- Calore di produzione metabolica;
- Calore dissipato dalle luci;
- Calore prodotto da sistemi di ventilazione
- Calore prodotto da processi
Gli apporti interni devono considerare (metodo mensile) anche il contributo
proveniente da spazi non riscaldati
Qi =
∑ k Qi ,k + ∑ l (1− bl )Qi ,u ,l
bl = fattore di riduzione per lo spazio adiacente non condizionato. Si ricava da EN
13789
14
Contributi solari
Q s = ∑ k Qs, k +
∑ j (1− b j )Q s,u, j
Q s,c = ∑k [ I s ,k Fs ,o,k As ,k ]
Q s,u, j = ∑ j [ I s, j Fs,o, j As, j ]
Qs = somma dei contributi solari durante il mese;
Qs,c = somma dei contributi solari nel mese considerato nello spazio condizionato
Qs,u,j = somma dei contributi solari nel mese considerato nello spazio adiacente
non condizionato
bj = coefficiente di riduzione (da EN 13789)
Fs,o,k = fattore di shading per gli ostacoli esterni
Is = irradianza solare sul periodo considerato [MJ/m 2]
As = area effettivamente soleggiata
Area effettiva As di superfici trasparenti
As = Fsh,g gg (1 – FF) Aw,p
Aw,p = totale area dell’elemento vetrato
FF = fattore del telaio
gg = trasmittanza del vetro
Fsh,g = fattore di shading per ostruzioni mobili
15
Area effettiva As di superfici opache
As = Fr α S,c Rse Uc Ac
Ac = totale area dell’elemento opaco
Fr = fattore di correzione
Uc = trasmittanza termica della parete considerata (ISO 6946)
α S,c = assorbimento della superficie
Si trova che:
Fr = 1 −
qt ⋅ t
αS,c Is
qt è l’irradiazione dalla volta celeste = Ff hr ∆θ er
∆θer = differenza media tra la temperatura dell’aria esterna e quella apparente
della volta celeste = 11 K
Ff = fattore di forma verso la volta celeste (=0,5 sup. verticale; = 1 tetto)
hr = 4 ε σ (θss + 273) 4; ε = emissività della superficie
I parametri dinamici
Metodo mensile e stagionale:
gli effetti dinamici devono essere considerati tenendo introducendo
fattore utilizzo dei guadagni (riscaldamento)
fattore utilizzo delle perdite (raffrescamento)
Definizioni
γH = rapporto perdite – guadagni per riscaldamento
ηH = fattore di utilizzo dei guadagni (riscaldamento)
QL,H = perdite totali nel riscaldamento [MJ]
QG,H = guadagni totali nel riscaldamento
aH = parametro adimensionale; a 0,H = parametro adimensionale di riferimento
τH = costante di tempo dell’edificio [h]
τ0,H = costante di tempo di riferimento
16
Valori di riferimento dei parametri adimensionali
Tipo di edificio
a0,H
τ0,H[h]
Edifici riscaldati in modo continuo
per oltre 12 h al giorno (residenze,
hotel, ospedali,…). Calcolo
mensile
1,0
15
Come sopra. Calcolo stagionale
0,8
30
Edifici riscaldati per meno di 12 h
al giorno (negozi, uffici,…)
0,8
70
Costante di tempo dell’edificio
τH =
Cm
3,6 ⋅ H T ,H
Cm = capacità termica interna dell’edifico
Cm = Σ j Σ i ρ ij cij dij Aj
ρ= densità del materiale dello strato i-esimo dell’elemento j-esimo
c = capacità termica specifica del materiale dello strato i-esimo dell’elemento j-esimo
d = spessore dello strato i-esimo dell’elemento j-esimo
A = superficie dell’elemento j-esimo
HT = coefficiente di perdita per trasmissione
Sono considerati tutti gli elementi in contatto diretto con l’aria ambiente interno.
La somma è eseguita partendo dall’elemento interno e fermandosi allo strato
isolante. Il valore massimo dello spessore è 0,10 m (0,03 per effetto
dell’intermittenza) o a metà dell’elemento (a seconda di che dis tanza è più piccola)
17
E’ possibile determinare a H:
e quindi γH:
aH = a0, H +
γH =
τH
τ0,H
QG,H
QL,H
ed infine il fattore di utilizzo:
γH ≠ 1
ηG,H =
γH = 1
ηG,H =
1 − γGaH
1 − γ aGH +1
aH
aH + 1
18
Per il raffrescamento
Definizioni
λC = rapporto perdite – guadagni per raffrescamento
ηC = fattore di utilizzo dei guadagni (raffrescamento)
QL,C = perdite totali nel raffrescamento [MJ]
QG,C = guadagni totali nel raffrescamento
aC = parametro adimensionale; a 0,C = parametro adimensionale di riferimento
τC = costante di tempo dell’edificio [h]
τ0,C = costante di tempo di riferimento
a
1 − λCC
λC ≠ 1
ηL,C =
λC = 1
η L,C =
se λC < 0
ηL,C = 1
1 − λaCC + 1
aC
aC + 1
19
Fabbisogno energetico per il riscaldamento
QNH = QL,H – ηG,H QG,H
Fabbisogno energetico per il raffrescamento
QNC = QG,C – ηL,C QL,C
Si ricorda che i guadagni sono
QG = Qi + Qs
20
Calore per la produzione di acqua calda
Q w = ρ c Vw (θ w – θ0) ngg
Temperatura
dell’acqua entrante nel
sistema di produzione
Volume giornaliero
[l / giorno] d’acqua
calda richiesta
Temperatura dell’acqua calda
prodotta (standard = 40°C)
Per edifici residenziali:
Vw = mw S fbagni
Superficie lorda
Fabbisogno specifico m’w
Q’w
2
[l/(m gg)]
[MJ/(m2 gg)]
S < 50 m2
3
0,314
50 = S < 120 m2
2,5
0,262
120 = S < 200 m2
2,0
0,210
S ≥ 200 m2
1,5
0,157
Numero bagni Fattore fbagni
1
1
2
1,33
3 o più
1,66
21
EDIFICIO
Il calcolo dell’energia primaria
per il riscaldamento secondo UNI 10348
Fabbisogno ideale di energia termica utile Qh (o Qhvs )
-
Energia recuperabile
=
Fabbisogno netto Q’ h
x
Fattore di riduzione per gestione autonoma fcont
=
Fabbisogno netto corretto Q’’h
IMPIANTO
emissione
Fabbisogno netto corretto Q’’h
/
“Rendimento” di emissione ηe
=
Fabbisogno di emissione Qe
MJ
regolazione
Il calcolo dell’energia primaria per il
riscaldamento secondo UNI 10348
Fabbisogno Qe
/
“Rendimento” di regolazione ηc
=
Fabbisogno di regolazione Qc
MJ
Fabbisogno effettivo Qhr
MJ
22
generazione
distribuzione
Il calcolo dell’energia primaria
per il riscaldamento secondo UNI 10348
Fabbisogno Qhr
/
“Rendimento” di distribuzione ηd
=
Fabbisogno di distribuzione Qp
MJ
Fabbisogno Qp
/
“Rendimento” di produzione ηp
=
Fabbisogno di energia primaria per la combustione Q
MJ
Il calcolo dell’energia primaria
per il riscaldamento secondo
UNI 10348
Fabbisogno di energia primaria per la combustione
+
Fabbisogno di energia elettrica (per l’emissione, le pompe
di distribuzione, la pompa primaria e per il bruciatore)
/
“Rendimento” del servizio elettrico nazionale ηsen
=
Fabbisogno totale di energia primaria Q
MJ
Le norme EN 15316 sostituiranno la UNI 10348
23