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Tecnica
ottobre 2012
la termotecnica
Refrigerazione
di Luigi Schibuola, Silvia Martini, Chiara Tambani
61
Valutazione delle prestazioni stagionali
delle macchine frigorifere
nell’ambito della certificazione energetica degli edifici
L’evoluzione della normativa sulla certificazione energetica degli edifici ha esteso la valutazione del fabbisogno energetico del sistema edificioimpianto anche al condizionamento estivo. Conseguente è la necessità di scegliere una procedura semplificata per una valutazione corretta
dell’efficienza stagionale delle macchine frigorifere presenti negli impianti. Viene qui presentato un confronto applicativo tra le possibili alternative
nel caso più impegnativo che è quello delle macchine raffreddate ad aria esterna.
SEASONAL PERFORMANCE ASSESSMENT OF THE REFRIGERATING MACHINES IN THE MAINFRAME
OF THE ENERGY CERTIFICATION OF BUILDINGS
The evolution of the legislation on the energy certification of buildings has estended the assessment of the energy requirement of the building-plant
system to the air conditioning. Consequent is the exigency to elaborate a simplified procedure for a correct evaluation of the seasonal efficiency of the
refrigerating machines installed in the plants. A comparison between the possible alternatives is here presented in the most challenging case which is
that one of the machines cooled by outside air.
Introduzione
La valutazione della prestazione energetica di una macchina frigorifera
consiste essenzialmente nel calcolo del suo rendimento. Per le macchine
frigorifere tale rendimento è oggi ormai universalmente indicato con
EER (Energy Efficiency Ratio) ed è definito come rapporto tra il freddo
fornito e la totale energia assorbita dalla macchina stessa. Per una macchina ad azionamento elettrico, l’energia assorbita è elettrica. Nel caso
del rendimento stagionale, il rapporto considera le energie scambiate
nell’intera stagione.
EER dipende non solo dai livelli termici operativi, ma anche dall’andamento del fabbisogno dell’edificio che comporta, di norma, frequenti
parzializzazioni della potenza resa. Attualmente, è cresciuta la consapevolezza dell’importanza del funzionamento a carico parziale e della sua
influenza sull’efficienza stagionale della macchina. Infatti, le macchine
sono normalmente dimensionate per il carico di picco e quindi durante la
stagione esse funzionano quasi sempre a potenza ridotta. Conseguente è
l’introduzione o la modifica di norme di prova delle macchine per poter
meglio comprendere e quantificare questa influenza. Occorre, quindi,
conoscere sia come si comporta la macchina operante a potenza ridotta,
sia come varia durante la stagione questa potenza ridotta fornita, cioè
il fabbisogno dell’edificio soddisfatto da tale macchina. Quindi, anche
a parità di condizioni climatiche, la stessa macchina posta a servizio
di edifici diversi può avere efficienze stagionali molto differenziate. Di
conseguenza, il calcolo del coefficiente di prestazione medio stagionale
non può prescindere dall’edificio e in particolare da una corretta stima
del suo fabbisogno termico. Occorre, quindi, procedere considerando
il sistema edificio-impianto.
Le specifiche tecniche UNI/TS 11300 sono state previste come riferimento
per le procedure di calcolo semplificate, da utilizzare per la certificazione
energetica degli edifici. Le prime tre parti sono uscite, e quindi in vigore,
ma ora già in fase di revisione da parte del CTI; invece, la quarta parte è
ancora in inchiesta pubblica. La UNI/TS 11300-3 presenta la procedura
per la determinazione del fabbisogno di energia primaria per la climatizzazione estiva che necessariamente comprende anche il metodo di calcolo del rendimento stagionale delle macchine frigorifere per la produzione
del freddo necessario [1]. Il gruppo di lavoro che si sta occupando della
revisione è orientato al superamento del metodo già presente nella prima formulazione di tale specifica tecnica attualmente in vigore e che si
basa su una valutazione del rendimento stagionale partendo da una sua
stima a livello mensile mediante un metodo tabellare. In dettaglio, con i
dati prestazionali forniti dal costruttore della macchina in quattro punti
di prova standard stabiliti dalla norma è possibile, per interpolazione,
ottenere un valore del rendimento, che viene poi corretto in base ad un
coefficiente ricavato da tabelle presenti nella norma stessa in funzione
degli effettivi valori medi mensili dei parametri di funzionamento della
macchina. La procedura prevede ben quattro diversi gruppi di tabelle a
seconda delle quattro possibili combinazioni nell’uso di acqua ed aria
quali fluidi esterni con cui la macchina scambia calore. Ciononostante,
l’impiego generalizzato di un numero necessariamente limitato di tabelle
correttive valide per la grande varietà di macchine esistente sul mercato
si è rivelato inaccettabile per garantire in tutti i casi un adeguato livello di
precisione. Troppe differenze, infatti, possono essere presenti in termini di
caratteristiche di componenti, regolazione, fluido refrigerante per poter
adottare la stessa correzione in conseguenza di questo metodo tabellare.
Si è quindi ritenuto di dover scegliere un’altra procedura semplificata di
calcolo, tra quelle già formulate da tempo. Le alternative individuate dal
Luigi Schibuola, Silvia Martini, Chiara Tambani, Università IUAV di Venezia
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gruppo di lavoro sono essenzialmente due e precisamente il metodo delle
medie mensili già implementato nella norma UNI 11135 [2] e il metodo
Bin [3]. Dopo una breve illustrazione dei due metodi, viene allora qui
presentato un confronto tra i risultati ottenibili con queste due procedure
applicate alla determinazione delle prestazioni estive delle macchine
frigorifere raffreddate con aria esterna, la cui valutazione è senza dubbio
la più impegnativa. L’analisi è svolta considerando edifici diversi per caratteristiche e localizzazione geografica. L’attendibilità dei risultati viene
verificata con riferimento a quelli ottenibili con la simulazione dinamica
del sistema edificio-impianto. Simulazione dinamica ormai riconosciuta
certamente più precisa, ma che non ha ancora sostituito il ricorso alle
procedure in regime stazionario che continuano ad essere richieste sia
nella normativa italiana, sia europea. Lo studio si riferisce a macchine
azionate elettricamente, ma le conclusioni possono essere estese anche
alle macchine ad assorbimento dato che la nuova versione della UNI/TS
11300 - 3, a differenza della precedente, considererà anche questo tipo
di macchine frigorifere.
La norma UNI 11135
Lo scopo del metodo normato è la determinazione dell’efficienza stagionale delle macchine a ciclo inverso a compressione di vapore, quali
condizionatori, gruppi refrigeratori e pompe di calore ad azionamento
elettrico o con motore a combustione interna. È prevista un’applicazione
del metodo nelle procedure di simulazione dinamica del sistema edificioimpianto, che probabilmente rappresentano il prossimo futuro anche
nel campo della certificazione energetica. Il metodo proposto è però
adattabile anche a procedure più semplificate basate sull’analisi in regime
dinamico di un giorno medio mensile o ad approcci stazionari, quale
appunto quello già previsto dalla normativa vigente per la certificazione
energetica. Per evitare equivoci occorre tener ben presente che, attualmente, in questa norma si indica con COP (coefficient of performance)
il coefficiente di prestazione, cioè il rapporto tra la potenza ottenuta e la
potenza fornita (di solito elettrica). Quindi, nel caso delle macchine frigorifere il COP della UNI 11135 coincide con EER. L’impiego del simbolo
COP in luogo di EER nasce dalla circostanza che il metodo normato si
applica anche al funzionamento come pompa di calore della macchina
a ciclo inverso. In questo lavoro, però, faremo sempre riferimento a EER
così come previsto per le macchine frigorifere ad azionamento elettrico
nella UNI/TS 11300-3. SEER (Seasonal EER) è il termine, internazionalmente più usato, anche nella prEN 14825 [4], per indicare il rendimento
medio stagionale della macchina frigorifera. Occorre ricordare che, a
volte, in Italia e anche nell’attuale versione della UNI/TS 11300-3, viene
però confuso, perché ritenuto una sua stima attendibile, con ESEER (European SEER) che è invece un’altra cosa e cioè un indice normalizzato,
introdotto dalla certificazione volontaria Eurovent, che caratterizza il
comportamento della sola macchina nel funzionamento a carico parziale
indipendentemente dall’edificio in cui è installata [5].
Nelle procedure di simulazione dinamica del sistema edificio-impianto al
calcolo con metodo dinamico del carico termico dell’edificio si accompagna usualmente una valutazione della prestazione media del comportamento dell’impianto in regime stabilizzato in un intervallo di tempo pari
al passo di calcolo della simulazione, di solito un’ora. Analogamente,
però, si può procedere anche a livello mensile considerando appunto
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un passo temporale pari ad un mese come previsto nella valutazione
stazionaria utilizzata per la certificazione energetica. In questo caso si
procede allora calcolando:
1. la condizione operativa in base alle temperature medie mensili, di solito le temperature dei fluidi con cui essa scambia calore al condensatore
e all’evaporatore. Utilizzando i dati prestazionali normalmente forniti
dal costruttore e interpolando linearmente tra i due punti caratteristici
più prossimi alla condizione operativa si valuta EER a pieno carico
(EERDC) e la potenza termica massima che può essere fornita;
2. un fattore di carico X medio mensile viene calcolato come rapporto tra
il fabbisogno frigorifero dell’edificio effettivamente coperto dalla macchina e l’energia massima che può essere fornita in un funzionamento
permanentemente a piena potenza nello stesso intervallo di tempo.
Quest’ultima è ottenuta moltiplicando la potenza massima media per
il tempo di accensione previsto nel mese;
3. EER effettivo medio mensile: si ottiene moltiplicando EERDC per un
coefficiente correttivo Y calcolato in funzione del fattore X per tener
conto dell’effetto del funzionamento parzializzato.
Il dato di partenza necessario è il fabbisogno frigorifero dell’edificio Qc
su base mensile. In effetti, utilizzando procedure semplificate in regime
stazionario si può arrivare direttamente ad una sua stima. È quanto
avviene appunto applicando la norma UNI/TS 11300-1 per valutare la
domanda dell’edificio per la climatizzazione estiva ed invernale [6]. Tale
domanda viene poi incrementata con le perdite di impianto relative ad
emissione, regolazione e distribuzione secondo le efficienze dell’impianto
previste nella UNI/TS 11300-3 nel caso estivo.
Per determinare, infine, il rendimento stagionale si calcola l’energia
elettrica assorbita dalla macchina dividendo il fabbisogno frigorifero
mensile dell’edificio fornito dalla macchina per EER. Sommando nell’ambito dell’intera stagione tutte le energie consumate così calcolate, si ottiene
l’energia totale consumata nella stagione Qe,s:
n
n
i=1
i=1
Qe,s = ∑Qe,i = ∑
Qc,i
EERi
(1)
dove n è il numero di mesi compresi nella stagione di condizionamento
estivo.
In modo analogo si ottiene il fabbisogno frigorifero totale dell’edificio
fornito dalla macchina nella stagione Qc,s:
n
Qc,s = ∑Qc,i
(2)
i=1
SEER è pari al rapporto tra il fabbisogno frigorifero fornito e l’energia
consumata entrambi relativi all’intera stagione.
SEER =
Qc,s
Qe,s
(3)
SEER non risulta quindi pari alla semplice media aritmetica degli EER
mensili, bensì è la media pesata in base ai corrispondenti consumi della
macchina conseguenti ai fabbisogni dell’edificio effettivamente forniti nei
relativi intervalli di tempo. Infatti, SEER può anche essere espresso come:
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n
SEER =
Qc,s
=
Qe,s
∑Q
i=1
n
n
c,i
∑Q
i=1
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=
(1a)
e,i ⋅ EERi )
∑(Q
i=1
e,i
(4)
n
∑Q
i=1
e,i
Si sottolinea la necessità di una corretta stima del fabbisogno termico dello
specifico edificio servito dalla macchina.
Calcolo del coefficiente correttivo Y
A titolo esemplificativo, vediamo ora il modello matematico proposto
per le macchine monostadio. Per ottenere tale algoritmo, in grado di
evidenziare l’influenza del solo funzionamento a carico parziale in modo
indipendente dal resto, si utilizzano prove svolte nelle stesse condizioni
operative di temperatura: quella a piena potenza ed altre a potenza
ridotta. Per ogni prova, quindi, risulta Y = EER/EERDC e X = Pc/PcDC. Si
introduce anche il parametro Z definito come rapporto tra la potenza
elettrica assorbita dalla macchina (Pe) a potenza ridotta e quella assorbita
a piena potenza nella condizione ausiliaria (PeDC).
In Figura 1a sono riportati alcuni valori sperimentali ottenuti per i parametri Y e Z in funzione di X per un condizionatore aria-aria di tipo split di
piccola taglia (potenza nominale 6 kW). Tutte le prove svolte suggeriscono
una correlazione lineare tra Z e X e questo fatto permette di elaborare un
semplice modello matematico per Y in funzione di X come segue:
EER =
Pc
Pe
EERDC =
PcDC
PeDC
Z = a⋅ X +b
(5)
pertanto:
Y=
EER
Pc PeDC
X
X
X
=
⋅
=
= =
Pe
EERDC Pe PcDC
Z a⋅ X +b
PeDC
(6)
La fondamentale conclusione è che una sola prova a potenza ridotta oltre
a quella a pieno carico è sufficiente per calcolare la correlazione lineare
tra Z ed X e conseguentemente l’algoritmo di Y in funzione di X. Si osservi
in Figura 1a come questo modello UNI riproduca fedelmente i valori sperimentali di Y. Considerazioni assolutamente analoghe possono essere fatte
anche per le altre macchine con regolazione on-off. Si veda ad esempio
in Figura 1b un analogo confronto tra modello UNI e valori sperimentali
di Y per un refrigeratore aria-acqua da 10 kW con compressore scroll e
regolazione sempre on-off.
A livello europeo semplici correlazioni sono state proposte per valutare
Y in funzione di X in assenza di prove sperimentali a carico parziale nel
caso di regolazione on-off. Ad esempio, per i refrigeratori aria-acqua la
prEN 14825 propone il seguente modello matematico:
Y=
X
CD ⋅ X + (1− CD )
(1b)
(7)
Dove CD è il coefficiente di degrado posto uguale a 0,9 in assenza di
dati sperimentali.
figura 1 - Modelli dei parametri Z e Y in funzione di X ed
alcuni valori sperimentali per una macchina aria-aria (a) ed
una aria-acqua (b).
In Figura 1b è riportata pure la curva del modello EN (con CD uguale a
0,9) il cui scostamento rispetto ad UNI risulta assolutamente accettabile.
È proprio il modello EN che è stato utilizzato per tutte le macchine considerate per le successive valutazioni.
Nel caso di macchine multistadio o con regolazione modulante mediante
inverter, una curva sufficientemente accurata può essere ottenuta per interpolazione tra quattro punti di prova a carico parziale ottenuti proprio
in corrispondenza ai quattro diversi livelli termici già richiesti dalle norme
per caratterizzare le prestazioni della macchina. A tale scopo si possono
utilizzare le quattro prove comunque già svolte dal costruttore per ottenere
l’indice prestazionale ESEER [7].
Applicazione della norma UNI 11135
In Tabella 1 si riporta un esempio di calcolo riferito ad una pompa di calore
aria-acqua prevista per un edificio residenziale a schiera in Venezia. I
dettagli sul sistema edificio-impianto saranno descritti oltre nel paragrafo
dei casi applicativi considerati. Qui invece si riporta in dettaglio la descrizione della procedura.
Anzitutto, la fase di inserimento dei dati noti. Per i quattro mesi della stagione estiva considerata, le ore di funzionamento mensili basate
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tabella 1 - Calcolo secondo UNI 11135 (medie mensili) per edificio a schiera in Venezia
tabella 2 - Calcolo secondo prEN 14825 (metodo Bin) per edificio a schiera in Venezia
sull’orario di funzionamento giornaliero previsto. Le medie mensili delle
temperature esterne ricavate dai dati meteorologici orari usati per la
simulazione dinamica. Infine, il Qc fornito dalla macchina che coincide
con il fabbisogno mensile di energia termica dell’edificio, qui ottenuto
dalla simulazione dinamica invece, nella certificazione energetica sarà
ricavato nella fase precedente del calcolo in base alla UNI/TS 11300-1.
La verifica della procedura di calcolo della domanda dell’edificio non è,
infatti, oggetto di questa indagine. Come previsto dalla normativa, tale
domanda viene incrementata in base ai rendimenti di emissione, regolazione e trasmissione dell’impianto per ottenere, infine, il Qc mensile.
Il successivo calcolo riguarda dapprima il parametro X medio mensile,
calcolato come rapporto tra Qc e l’energia massima Qcmax valutata nel
modo già indicato. Parametro X che inserito nell’equazione (7) fornisce
il valore medio mensile del parametro Y. I dati del costruttore permettono,
per interpolazione, di ottenere EERDC che moltiplicata per Y dà, infine,
EER medio mensile. Con la procedura già vista, questa fornisce il consumo
elettrico mensile Qe e quindi il SEER.
Il metodo Bin e sua applicazione alle macchine frigorifere
Il metodo Bin richiede la disponibilità delle frequenze orarie con cui un
certo valore di temperatura si presenta durante la stagione in una certa
località. In altre parole, il campo di variabilità della temperatura esterna
viene suddiviso in un certo numero di intervalli, di solito 2 °C. Nel nostro
caso, le frequenze orarie sono state ricavate dai dati climatici orari utilizzati per la simulazione dinamica.
In tutte le ore in cui la temperatura esterna ricade in un certo intervallo,
al sistema edificio-impianto viene assegnato il comportamento valutato
in regime stazionario per la temperatura centrale di tale banda. Per
quanto riguarda il fabbisogno dell’edificio, nel nostro caso per il raffrescamento, viene ritenuto funzione della temperatura esterna. Questo
è senza dubbio vero, fissata la temperatura interna, per le trasmissioni
attraverso l’involucro e il carico sensibile legato alla ventilazione che
sono proporzionali al salto termico tra temperatura esterna ed interna.
Considerando i carichi endogeni e la radiazione solare, invece, è subito
evidente la grossolanità della procedura. Analogamente, l’uso di dati di
frequenza oraria disaggregati impedisce di tener conto dell’effetto di un
funzionamento intermittente.
La mancata precisione nel calcolo del carico frigorifero in ciascun intervallo di temperatura comporta l’impossibilità di una corretta valutazione
del fattore di carico e quindi del coefficiente correttivo Y che abbiamo
visto così importante nella valutazione di EER.
Si è quindi cercato di correggere il metodo [8] introducendo per i carichi
endogeni una potenza media distribuita nella giornata, ma soprattutto
con il tentativo di esprimere l’apporto al carico totale della radiazione
attraverso le superfici vetrate e le pareti opache come una funzione lineare
della temperatura esterna. Tale linearizzazione viene considerata tra il
contributo solare al carico in corrispondenza alla temperatura esterna
minima invernale e lo stesso contributo calcolato alla temperatura esterna
massima estiva. I risultati ottenuti non hanno mostrato però un miglioramento nella precisione del metodo, evidenziando l’arbitrarietà di ritenere
la radiazione solare funzione della temperatura esterna [9]. Tale modifica
del metodo è quindi stata abbandonata. Un’ulteriore ipotesi migliorativa
prevede di distinguere tra frequenze nelle ore notturne e quelle diurne
[10]. A parte la difficoltà della loro costruzione per tutte le località in realtà
l’imprecisione resta comunque alta [9].
Attualmente, il metodo Bin viene proposto per valutare le prestazioni stagionali delle pompe di calore sia nella UNI/TS 11300-4, sia nella prEN
14825. Si ritiene, infatti, che il difetto legato all’imprecisione del calcolo
del fabbisogno dell’edificio sia compensato dalla possibilità di valutare
con buona attendibilità il comportamento della macchina tenendo conto
dei necessari sbrinamenti e degli ampi intervalli di funzionamento invernali sia per le temperature esterne che eventualmente lato utenza. Pertanto, nella prEN 14825 lo stesso metodo è stato preso in considerazione
anche per il calcolo in regime estivo. In aggiunta, nella UNI/TS 11300-4
[11], riprendendo quanto riportato nella EN 15316 [12] per le pompe
di calore, si preferisce calcolare l’efficienza mediante una procedura che
parte dalla valutazione del cosiddetto rendimento di secondo principio. In
analogia a quanto previsto per le pompe di calore, si è quindi avanzata
l’ipotesi di utilizzare anche per le macchine frigorifere il metodo Bin e il
rendimento di secondo principio. è quindi questa la procedura che viene
brevemente presentata e poi utilizzata qui di seguito.
Con riferimento al calcolo in Tabella 2 relativo all’edificio già considerato
nella tabella I, si descrivono brevemente i calcoli previsti.
Nelle prima riga si riporta la potenza nominale della macchina prevista
(a 35 °C esterni e 7 °C l’acqua fredda prodotta), invece, nella seconda e
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terza sono riportati rispettivamente i Bin di temperatura e le rispettive
frequenze orarie ricavate dai valori orari delle temperature utilizzati
per la simulazione dinamica di confronto.
Nella riga quattro viene riportato il parametro X, considerato identico
al fattore di carico climatico legato alle temperature:
X=
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mente ottenibile per interpolazione tra i corrispondenti valori forniti
dal costruttore per le quattro condizioni di riferimento. Come si può
osservare questa variante non provoca cambiamenti apprezzabili
nel SEER calcolato.
Casi applicativi considerati
(Te −16)
(Tdee −16)
(8)
Per il confronto dei due metodi semplificati, rispetto ai risultati
ottenibili con la simulazione dinamica, sono stati qui considerati
quattro edifici rappresentativi di tipologie piuttosto diffuse in Italia.
Tre edifici residenziali e precisamente una casa unifamiliare, una
a schiera e un condominio con quattro appartamenti. Inoltre, un
edificio ad uso uffici. In aggiunta, a Venezia si sono considerate
altre tre località distribuite sul territorio nazionale e cioè Milano,
Roma e Palermo.
Nelle figure 2, 3 e 4 si riportano piante e prospetti dei tre edifici residenziali. Sono stati previsti pacchetti edilizi caratterizzanti
l’involucro, tipici nel nostro paese e con trasmittanze termiche nel
rispetto della normativa vigente. Ventilazione naturale costante
pari a 0,3 vol/h. Un affollamento massimo di 4 persone per unità
θ f + 273,16
(9) immobiliare e un carico interno massimo di 8 W/m2 (da UNI/TS
EERmax =
11300-1), entrambi variabili nella giornata secondo gli andamenti
θc − θ f
riportati in Figura 5. Si è considerato il condizionamento in funzione
Il rendimento di secondo principio ηII viene quindi definito come:
da giugno a settembre, tutti i giorni e intermittente dalle 7 alle 24. Si
è supposto in tutti i casi la presenza di un impianto di climatizzazione
EERDC
(10) con mobiletti ventilconvettori alimentati da acqua refrigerata a 7
ηII =
EERmax
°C e comandati ciascuno da un termostato. La macchina frigorifera
calcolando ηII nei quattro Bin in cui EERDC è stato fornito dal costruttore considerata nei vari casi è sempre del tipo aria-acqua con potenze
è possibile poi, per interpolazione, trovare il rendimento in tutti gli altri nominali che variano tra 6 e 17 kW. Con riferimento a macchine
Bin. Sotto i 20 °C e sopra i 35 °C si assumono costanti. Nella riga 10 presenti sul mercato e alle loro caratteristiche fornite dal costruttore,
sono riportati gli EERDC per ciascun bin ottenuti moltiplicando EERmax in tutti i casi sono state previste macchine monocompressore scroll,
per il rendimento. Moltiplicando poi gli EERDC per Y si ottengono infine refrigerante R410a e regolazione di tipo on-off.
gli EER effettivi in ciascun Bin. Nelle righe 12 e 13 in ciascun bin sono L’edificio terziario con tre piani fuori terra è presentato in Figura 6.
successivamente riportati il freddo Qc e il consumo elettrico Qe ottenuti L’affollamento massimo è di 1 persona ogni 10 m2, i carichi interni
moltiplicando per le frequenze orarie rispettivamente Pc e Pc/EER. Qc,s massimi (computers) sono di 15 W/m2 con una distribuzione oraria
e Qe,s rappresentano la somma di tali valori per tutti i Bin e quindi il pari a quella dell’affollamento. L’illuminazione è 20 W/m2.
Le distribuzioni sono riportate in Figura 7. Il condizionamento è attiloro rapporto è il SEER cercato.
Da più parti è stata osservata l’arbitrarietà della prEN 14825 nel cal- vo da giugno a settembre con funzionamento intermittente di 12 ore
colare la potenza Pc in ciascun Bin, utilizzando la potenza nominale al giorno (7-19) dal lunedì al venerdì, ventilazione pari a 2 vol/h.
della macchina dato che i vari Bin sono caratterizzati da temperature Anche in questo caso è previsto l’impianto con ventilconvettori. Le
esterne diverse. Una semplice variante è allora quella riportata in macchine aria-acqua previste sono analoghe a quelle precedenti,
Tabella 3 che consiste nel moltiplicare per X la potenza a pieno carico ma con potenze nominali tra 45 kW (Milano) e 53 kW (Palermo) e
PDC al variare della temperatura per ottenere Pc. Tale potenza PDC è facil- sono con due compressori scroll in tandem.
dove Te è la temperatura esterna nel Bin, Tdes è la temperatura di progetto
(qui 35 °C come in prEN 14825), invece 16 °C è la temperatura di
bilanciamento a cui si ritiene si annullino i carichi frigoriferi. Utilizzando
la formula (7) di conseguenza viene calcolato il coefficiente correttivo Y.
In ogni Bin la potenza frigorifera richiesta Pc è ottenuta moltiplicando
per X la potenza nominale della macchina.
Nella riga 7 sono riportati gli EERDC forniti dal costruttore per i quattro
valori di riferimento previsti per la temperatura esterna. EERmax sono
i rendimenti massimi per il ciclo di Carnot ideale tra le stesse temperature θf del freddo prodotto e θc dell’aria esterna di raffreddamento
coincidente con la temperatura media del Bin:
(
(
)
)
tabella 3 - Calcolo secondo prEn 14825 (metodo Bin) con potenze a pieno carico fornite dal costruttore per edificio a schiera in Venezia
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(5a)
figura 2 - Edificio residenziale a schiera,
superficie 158 m2, volume 427 m3
(5b)
figura 5 - Distribuzione oraria (%) degli apporti interni (a) e
dell’occupazione (b) per i tre edifici residenziali.
figura 3 - Edificio residenziale unifamiliare,
superficie 200 m2, volume 540 m3
figura 6 - Edificio terziario, superficie 1161 m2, volume 4064 m3
figura 4 - Condominio, superficie 384 m2, volume 1037 m3
La simulazione dinamica del sistema edificio-impianto si basa
sull’uso del programma Design Builder [13] interfaccia utente
del motore di calcolo basato sul codice EnergyPlus [14], oggi
considerato il riferimento di calcolo più attendibile a livello internazionale. Alla valutazione oraria del fabbisogno dell’edificio
si è affiancata la simulazione oraria delle prestazioni della macchina frigorifera in condizioni stazionarie (quasi steady-state),
secondo la procedura normalmente prevista nei programmi di
simulazione dinamica. I dati climatici orari utilizzati per le quattro località italiane sono quelli resi disponibili dal sito di Design
Builder.
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(7a)
(7b)
figura 8 - Confronto tra i SEER valutati con la simulazione
dinamica e con le procedure semplificate nei vari casi
considerati
figura 7 - Distribuzione oraria (%) di apporti
interni e occupazione (a), di illuminazione (b) per
l’edificio terziario
Analisi dei risultati
Per tutti i casi considerati nella Figura 8 sono riportati i SEER
valutati con la simulazione dinamica, con il metodo Bin nelle
due modalità descritte e con il calcolo mensile secondo la
UNI 11135. Si osservi come viene confermata la mancanza di un apprezzabile cambiamento in termini di SEER con
la variante che prevede nei vari Bin un calcolo più preciso
della potenza a pieno carico della macchina invece di
usare sempre la potenza nominale. La semplificazione in
tal senso proposta dalla prEN 14825 è quindi giustificata.
Evidentemente l’effetto preponderante resta decisamente
affidato ad EER, che è lo stesso in entrambi i casi. Assunto
allora come riferimento il SEER della simulazione dinamica in Figura 9 sono riportati gli scarti percentuali rispetto
ad esso dei corrispondenti valori valutati con il metodo Bin
prEN 14825 e con la UNI 11135. Con il Bin tale errore
si mantiene inferiore al 10% solo con l’edificio a schiera e
nel caso del condominio a Milano (9%) e presenta punte
spesso superiori al 15%. Viceversa con la UNI 11135 lo
scarto si mantiene inferiore al 5% eccetto il solo caso del
condominio a Roma (5,8%). I risultati risultano quindi
decisamente migliori con il metodo delle medie mensili.
In tutti i casi analizzati è risultato, infatti, fondamentale
il limite rappresentato dall’incapacità del metodo Bin di
valutare correttamente il fabbisogno dell’edificio, come
figura 9 - Errori (%) dei SEER ottenuti con le procedure
semplificate nei vari casi considerati. Lo scarto è riferito al
corrispondente SEER da simulazione dinamica
evidente anche nel caso esemplificativo riportato nelle
Tabelle da 1 a 3. Tale incapacità è accentuata proprio
nel caso del carico estivo dalla forte dipendenza dagli
apporti della radiazione solare e carichi interni che non
sono influenzati dalla temperatura esterna e quindi non
facilmente distribuibili nei Bin di temperatura. Tale errore
non viene evidentemente compensato dalla possibilità
di valutare in maniera più articolata le prestazioni della
macchina frigorifera ai vari livelli termici previsti coi Bin,
piuttosto che ad un unico livello di temperatura medio
mensile. Questo è anche conseguenza del limitato intervallo di temperature esterne in cui la macchina si trova
ad operare, in teoria tra 16 °C e 35 °C. In realtà, poi, la
simulazione dinamica nei casi italiani considerati indica
un intervallo effettivo normalmente minore di funzionamento in presenza di carico, specie per il residenziale
qui tra 18 °C e 33 °C massimi di Palermo, considerando
anche che la temperatura interna di progetto è di 26 °C.
Per lo stesso motivo, il ricorso al rendimento di secondo
principio per aumentare la precisione dell’interpolazione
tra i dati forniti dal costruttore non ha offerto vantaggi che
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giustifichino la maggiore laboriosità dei calcoli. La limitata
differenza tra le temperature esterne cui si riferiscono
questi dati rendono la semplice interpolazione lineare già
sufficientemente adeguata.
In aggiunta, l’introduzione del carico latente legato al
controllo dell’umidità è destinata nel metodo Bin ad incrementare l’errore nella stima del fabbisogno a favore,
quindi, del metodo delle medie mensili. Infatti, questo
carico è certamente semplice da stimare con riferimento
ad un’umidità assoluta media su base mensile, mentre è
decisamente più complicato spalmarlo su una distribuzione stagionale delle frequenze di temperatura.
Conclusioni
Il confronto tra la precisione dei due metodi rispetto ai
valori ottenuti con la più rigorosa simulazione dinamica ha
evidenziato una netta superiorità del metodo delle medie
mensili secondo UNI 11135. D’altronde si tratta di una
procedura certamente più conforme alla modellazione
presente nei moderni codici di simulazione del sistema
edificio-impianto. Viceversa, la più attenta analisi delle
prestazioni delle macchine, legata ad un calcolo distribuito fra i Bin di temperatura in luogo delle medie mensili,
non risulta in grado, per lo meno nel caso estivo qui
considerato, di compensare l’incapacità di una corretta
stima del fabbisogno per il condizionamento. Occorre,
infine, rimarcare che nell’ambito della certificazione energetica un metodo basato su un calcolo su base mensile,
SIMBOLOGIA
EER
SEER
EERDC
X
Y
Qe
Qc
Z
PeDC
Pe
Pc
PcDC
EERmax
ηII
CD
Qcmax
Te Tdes θf
θc
Efficienza frigorifera (Energy Efficiency Ratio)
Efficienza frigorifera stagionale (Seasonal EER)
Efficienza frigorifera a piena potenza
(DC =Declared Capacity)
Fattore di carico (Pc /PcDC)
Coefficiente correttivo (EER / EERDC)
Energia elettrica consumata, (kWh)
Energia frigorifera prodotta e fornita, (kWh)
Fattore di carico elettrico (Pe / PeDC)
Consumo elettrico a piena potenza, (kW)
Consumo elettrico, (kW)
Potenza frigorifera, (kW)
Potenza frigorifera a piena potenza, (kW)
Efficienza frigorifera massima ideale (Carnot)
Rendimento 2° principio (EERDC/ EERmax)
Coefficiente di degrado
Energia frigorifera prodotta a pieno carico, (kWh)
Temperatura esterna, (°C)
Temperatura esterna di progetto (des=design), (°C)
Temperatura freddo prodotto, (°C)
Temperatura raffredddamento condensatore, (°C)
ottobre 2012
la termotecnica
che si appoggia sul dato della domanda appena valutata
nella prima fase della procedura prevista dalla UNI/TS
11300 - 1, è senza dubbio più coerente del metodo Bin
che ricalcola i fabbisogni in modo diverso e oltretutto non
adeguato al fine di ottenere il valore di SEER.
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