PROGETTAZIONE E DIAGNOSI DI EDIFICI A BASSO IMPATTO
4) UNI TS 11300 – 4 utilizzo delle energie rinnovabili e di altri metodi di generazione per il riscaldamento di ambienti e la
5.7 ANALISI DELLA NORMA UNI TS 11300 – 1: la determinazione del fabbisogno di energia termica per la climatizzazione invernale del fabbisogno di energia termica per la climatizzazione invernale
5.7 ANALISI DELLA NORMA UNI TS 11300 – 1: la determinazione
del fabbisogno di energia termica per la climatizzazione invernale
ed estiva
Per compiere un’analisi accurata del comportamento fisico di un edificio, è necessario analizzare in primo luogo i vari ambienti termici di cui lo stesso è composto. L’analisi dei vari fluissi termici che questo ambiente scambia con l’esterno e con altri ambienti contigui, permettono di stabilire il bilancio energetico dell’ambiente privo di sistemi di termica. La discretizzazione spinta di un immobile rispetto agli ambienti che lo compongono, permette un’analisi molto dettagliata del fabbisogno complessivo dell’immobile oggetto di valutazione, ma anche una complessità evidente nel reperire e trattare tutti i dati. Un’analisi così “spinta” potrebbe essere utilizzata in edifici termici all’interno dei cui vani sono, compatibilmente con la destinazione d’uso complessiva, svolte attività o presenza di carichi endogeni differenti tra loro, oppure nel caso si opti per un’analisi dinamica della prestazione energetica.
L’estensione di questo bilancio a tutto l’edificio termico permette di stabilire, sempre senza analizzare eventuali impianti, il fabbisogno di energia utile ideale di un edificio. I fabbisogni di energia termica per la climatizzazione invernale seguono l’equazione di bilancio energetico:
QH, = QH, - ηH, . QH,
= (QH, + QH, ) - ηH, (Q + Q ) Wh Dove:
QH, = fabbisogno ideale di energia termica per il riscaldamento QH, = scambio termico totale per il riscaldamento
ηH, = fattore di utilizzazione degli apporti termici QH, = apporti termici totali nella stagione invernale
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QH, = scambio termico per trasmissione nel caso del riscaldamento QH, = scambio termico per ventilazione nel caso di riscaldamento Q = apporti termici da carichi interni
Q = apporti termici solari
I fabbisogni di energia termica per la climatizzazione estiva, sono contenuti nell’equazione a seguito riportata:
Q , = Q - η ,L . Q ,
= (Q + Q ) - η ,L .(Q , + Q , ) Dove:
Q , = fabbisogno ideale di energia termica dell’edificio per il raffrescamento QC, = scambio termico totale per il raffrescamento
ηC, = fattore di utilizzazione degli apporti termici QC, = apporti termici totali nella stagione estiva
QC, = scambio termico per trasmissione nel caso del raffrescamento QC, = scambio termico per ventilazione nel caso di raffrescamento Q = apporti termici da carichi interni
Q = apporti termici solari
Come precedentemente affermato i fabbisogni di energia termica per ogni zona di riscaldamento, va calcolato ogni mese durante il periodo di riscaldamento, periodo che è normato dal DPR 412/93 e richiamato nella norma stessa.
ZONA CLIMATICA
GG DI RISCALDAMENTO
170 A 105 1 dic. 15 marzo B 121 1 dic. 31 marzo C 136 15 nov. 31 marzo D 166 1 nov. 15 aprile E 183 15 ott. 15 aprile F 200 5 ott. 22 aprile
I dati relativi alla caratterizzazione dei dati tipologici dell’edificio sono: PARAMETRO DESCRIZIONE
Volume lordo dell’ambiente climatizzato
Volume lordo che comprende tutte le parti effettivamente climatizzate e le intercapedini d’aria non ventilate che delimitano verso l’esterno fino ad un massimo di 30 cm.
Volume netto dell’ambiente climatizzato
Volume netto effettivamente climatizzato o asservito dal sistema di ventilazione meccanica controllata
Superficie utile termica Superficie netta calpestabile al netto di sguinci, porte e finestre effettivamente climatizzata
Superficie disperdente Superficie lorda che delimita l’involucro verso l’esterno o verso vani non dotati di impianto di riscaldamento
Caratteristiche
geometriche degli elementi esterni all’edificio che hanno una possibile influenza con l’efficienza dell’edificio stesso
Dati geometrici di oggetti, villette e costruzioni esterne che generano ombre all’immobile oggetto di valutazione
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Dati climatici Dedotti comune per comune dalla norma UNI 10349. Si tratta di conoscere le temperature medie mensili ( c . L’irradiatura solare media sul piano orizzontale ( , ) e l’irradiatura totale media mensile per ciascun orientamento (I )
Temperatura interna ( , )
Temperatura media dell’aria di set point. Tale dato per ogni destinazione d’uso termica è prevista da norma UNI TS 1130-1
Destinazione d’uso termica
edificio termico
Sistema costituito da un involucro edilizio che delimita uno spazio di volume definito dalle strutture interne che ripartiscono detto volume da tutti gli impianti energetici installati stabilmente al suo interno o nelle sue adiacenze, ed asserviti al suo funzionamento standard in relazione alla destinazione d’uso; la superficie esterna che delimita un edificio può confermare con tutti o alcuni di questi elementi: ambiente esterno, terreno, altri edifici. Il termine può riferirsi ad un intero edificio o a parti di edificio progettate o ristrutturate per essere utilizzate come unità immobiliari a se stanti.
Gli edifici termici sono classificati ai sensi dell’art. 3 del DPR 412/93 e sono:
E1 edificio adibito a residenza ed assimilati E.1 (1) abitazioni adibite a residenza con carattere continuativo, quali abitazioni civili e rurali, collegi, conventi, case di pena, caserme; E.1 (2) abitazioni adibite a residenza con
occupazione saltuaria, quali case per vacanze, fine settimana e simili;
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attività similari;
E.2 Edifici adibiti a uffici e assimilabili: pubblici o privati, indipendenti o contigui a costruzioni adibite anche ad attività industriali o artigianali, purché siano da tali costruzioni scorporabili agli effetti dell'isolamento termico;
E.3 Edifici adibiti a ospedali, cliniche o case di cura e assimilabili: ivi compresi quelli adibiti a ricovero o cura di minori o anziani nonché le strutture protette per l'assistenza ed il recupero dei tossico-dipendenti e di altri soggetti affidati a servizi sociali pubblici;
E.4 Edifici adibiti ad attività ricreative, associative o di culto e assimilabili:
E.4 (1) quali cinema e teatri, sale di riunione per congressi;
E.4 (2) quali mostre, musei e biblioteche, luoghi di culto;
E.4 (3) quali bar, ristoranti, sale da ballo; E.5 Edifici adibiti ad attività commerciali e assimilabili: quali negozi, magazzini di vendita all'ingrosso o al minuto, supermercati, esposizioni; E.6 Edifici adibiti ad attività sportive:
E.6 (1) piscine, saune e assimilabili; E.6 (2) palestre e assimilabili;
E.6 (3) servizi di supporto alle attività sportive; E.7 Edifici adibiti ad attività scolastiche a tutti i
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livelli e assimilabili;
E.8 Edifici adibiti ad attività industriali ed artigianali e assimilabili.
Scambio termico per trasmissione
Per ogni zona dell’edificio e per ogni mese, gli scambi termici si calcolano con le seguenti formule:
• Climatizzazione invernale
, = ; · ( , , - )· t + ∑ , · Φ , , ·• Climatizzazione estiva
, = , x ( , , - )· t + ∑ , · Φ , , · Dove:; coefficiente di scambio globale di scambio termico per la zona considerata, corretto per tenere conto della differenza di temperatura tra interno ed esterno;
, , = temperatura interna di regolazione per il riscaldamento della zona considerata;
, , = temperatura interna di regolazione per il riscaldamento della zona considerata;
temperatura media mensile dell’ambiente esterno; durata del mese considerato;
, fattore di forma del componente edilizio k- esimo e la volta celeste Φ , , = extra flusso termico dovuto alla radiazione infrarossa verso la volta celeste del componente edilizio k- esimo, mediato sul tempo.
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I coefficienti di scambio termico globale si ricavano come: H , = HD + H + H + HAH
Dove:
HD = coefficiente di scambio termico diretto per trasmissione verso l’ambiente esterno;
H = coefficiente di scambio termico stazionario per trasmissione verso il terreno;
H = coefficiente di scambio termico per trasmissione verso gli ambienti non climatizzati
H = coefficiente di scambio per trasmissione verso altre zone (interne o meno dell’edificio) climatizzate ad altra temperatura
I coefficienti di scambio a loro volta sono così sintetizzabili: H = ∑ · + ∑ · + ∑
Dove:
= trasmittanze termiche degli elementi di involucro = area lorda dell’elemento k-esimo di involucro = coefficiente lineico di ponte termico
= lunghezza del ponte termico lineico = coefficiente di ponte termico puntuale
Analizzando le equazioni di scambio termico è possibile osservare che tutti i coefficienti contenuti rappresentano i “modi” di diffusione e scambio del calore (conduzione, convezione ed irraggiamento) dell’elemento rispetto all’esterno. Tuttavia tale formulazione e le sue correlate, recano alcune imprecisioni che “modificano” sostanzialmente il fabbisogno dell’edificio.
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La stessa norma 11300-1 prevede che la temperatura esterna di set point in condizioni estive sia sempre di 26°C, per tutti gli edifici ad eccezione degli E6 (1) che è posta a 28°C ed degli E6 (2) che è posta a 24°C.
Analizzando i dati climatici delle diverse località italiane contenute nella UNI 10349, si osserva che la temperatura media mensile esterna, in estate è sempre inferiore a 26°C, pertanto il gradiente termico sempre positivo, fa si che le dispersioni estive siano tanto maggiori quanto il coefficiente di scambio globale per trasmissione e ventilazione sono elevati. (a titolo esemplificativo e non esaustivo, tanto maggiore è la trasmittanza, tanto minore è l’energia necessaria per la climatizzazione). Pur condividendo che si tratta di un calcolo standardizzato il “fenomeno di discomfort estivo” è ben noto. Sempre in riferimento alla formula estiva, non compaiono differenze tra l’involucro soleggiato e quello in ombra. Quello soleggiato, specialmente considerando la forte irradia tura solare, difficilmente avrà una temperatura superficiale esterna tale da permettere un gradiente termico positivo tra interno ed esterno. In tal senso è anche auspicabile che la norma UNI 10349 sia revisionata con i dati climatici più attinenti ali ultimi anni al fine da caratterizzare il clima dei vari comuni che in questo periodo di “riscaldamento globale e cambiamenti climatici”. Il Comitato Termotecnico italiano, ha reso noti alcuni “anni termici” di regioni del nord Italia che opportunamente trattati possono rappresentare una discreta base di lavoro per la revisione della norma sui dati climatici.
Tali dati infatti rappresentano una prima base di lavoro per il sottogruppo CTI, che cura la revisione della norma UNI 10349. Un altro aspetto che caratterizza entrambi i bilanci, riguarda la determinazione della trasmittanza termica dei componenti opachi.
La trasmittanza termica di un componente opaco, si determina con la norma UNI EN 6946 secondo la formulazione:
U 1
h ∑ sλ ∑ 1C h Dove
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R = resistenza termica totale del componente m = superficiale di scambio termico interno
= coefficiente superficiale di scambio termico esterno
C = conduttanza termica equivalente di strati non omogenei (lame d’aria) S = spessore in metri dell’ elemento j-esimo che compone la parete
= conducibilità termica equivalente in opera dell’elemento j-esimo che compone la stratigrafia
La proprietà termo fisica dei materiali è caratterizzata nel 90% dei casi dal certificato di marcatura CE al cui interno, frutto delle norme armonizzate ed attuative circa la marcatura dei prodotti da costruzione (Direttiva 106/89/CE), sono contenute le caratteristiche dei materiali testati in laboratorio.
Tale condizione difficilmente è ottenibile in un ordinario cantiere, cioè il materiale franco azienda ha quelle caratteristiche definibili “medie” del campione poi il trasporto, accatastamento, messa in opera ecc. ne peggiorano le condizioni.
La norma UNI 10351 descrive il coefficiente di maggioranza “m” in condizione media di esercizio, ossia in funzione del contenuto percentuale di umidità, dell’invecchiamento del costipamento dei materiali sfusi, della manipolazione e dell’installazione eseguita a regola d’arte (è impossibile tenere conto dell’influenza di una cattiva manipolazione o di una cattiva installazione), tiene conto anche della tolleranza sullo spessore quando esso è uguale a 10 cm.
Tale norma seppur completa, è datata (1994) e non contempla tutti i materiali, specilmente quelli di nuova creazione.
Per i laterizi “comuni” a tale norma è associata la UNI 10355. I laterizi rappresentano un materiale molto diffuso nella tradizione costruttiva attuale e passata. Sono materiali ancora “vivi” dal punto di vista termico, in quanto possono ancora assorbire notevoli quantità di acqua, la quale modifica le condizioni di conducibilità termica del materiale. Il problema è tanto più “intenso” quanto più bassa è la densità del materiale, e questo diventa molto significativo nei laterizi porizzati; materiali che grazie ai micro vuoti d’aria, uniscono un discreto isolamento termico con una buona massa inerziale.
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Il vapore acqueo e l’eventuale condensazione dello stesso, riempie i vuoti e modifica la conducibilità del materiale.
Le norme UNI che trattano il tema delle maggiorazioni delle conducibilità sono diverse e non sono uniche, pertanto contenendo approcci differenti ai vari punti di vista, e probabilmente rappresentando “interessi” di settore, trattano il problema in modo differente, creando molto spesso confusione tra i tecnici chiamati a progettare o verificare l’efficienza energetica.
Inoltre, la norma UNI TS 11300-1, crea ulteriore confusione in quanto al punto 11.1.1 prevede che sia desunte le conducibilità dai dati di accompagnamento della marcatura CE oppure la norma UNI 10351 o UNI 1745 che tratta di laterizi e calcio silicato oppure della norma UNI 10355.
A livello legislativo, nel compendio delle norme UNI da utilizzare per la valutazione energetica o la certificazione, le norme richiamate per le maggiorazioni sono solamente la UNI 10351 e UNI 10355 e non viene citata la norma 1745. Un’ulteriore norma che non viene citata né dai decreti attuativi (Direttiva 2002/91/CE) né dalla norma UNI 11300-1 è la norma UNI 10456 che rappresenta una parziale evoluzione della norma UNI 10351. Con formulazioni matematiche è possibile con questa norma stimare le condizioni di conducibilità termica nelle varie condizioni di utilizzo, sia di temperatura che di umidità.
Questa norma permette di ottenere dallo stesso materiale almeno due conducibilità che descrivono il comportamento medio invernale e quello medio estivo. Conseguentemente a ciò anche la trasmittanza termica dell’elemento è molto differente. Nella simulazione a seguito riportata è possibile osservare le diverse maggiorazioni desumibili dalle norme sopra analizzate e il loro effetto sulla trasmittanza termica dell’elemento.
Una tale variabilità nella trasmittanza termica impone mediamente valori differenti della prestazione energetica.
Un altro aspetto riguarda l’extra flusso verso la volta celeste. Questo aspetto nella UNI 832, che “anticipava” il calcolo energetico contenuto nella UNI TS 11300, era trattato come un fattore di riduzione degli apporti solari, ed era applicato alle sole coperture orizzontali (specialmente per un aspetto matematico geometrico). Tale aspetto, rappresenta la radiazione solare verso il cielo, ossia il doppio effetto: la radiazione solare che ha effetto solo sulle pareti colpite dal sole e la radiazione della volta celeste che ha effetto solo sulle pareti esposte alla radiazione (il punto di vista è la volta celeste).
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E’ lecito, quindi, supporre che la maggior parte della radiazione della volta celeste ha “effetto” sulla copertura, mas anche una modesta quantità sulle pareti laterali anche se è quasi totalmente compensata dalla radiazione che l’edificio oggetto di valutazione, riceve dal terreno e dagli altri immobili nelle vicinanze, che sono a temperatura più alta.
Da norma UNI 11300, l’extra flusso dovuto alla radiazione solare verso il cielo, per ogni specifico elemento dell’edificio è così riassumibile:
Φ , = · · · · ∆ , Dove
= resistenza termica superficiale esterna dell’elemento [ ] · = trasmittanza termica dell’elemento [ ]
= area dell’elemento [ ]
= coefficiente di scambio radiativo esterno
∆ , = differenza media tra la temperatura esterna e la temperatura apparente In assenza di ostruzioni circostanti (di ombreggiamento) il valore del fattore di forma per lo scambio radiativo tra l’elemento e il cielo , è assunto pari a 1 nel caso di copertura orizzontale, pari a 0,5 nel caso di parete verticale. Per un componente edilizio con inclinazione generica il fattore di forma vale:
= , , ·(1 + / 2) Dove
S = angolo di inclinazione del componente sull’orizzonte
, , = fattore di riduzione per ombreggiatura relativo alla sola radiazione diffusa, pari a 1 sempre in assenza di ombreggiature da elementi esterni
Il coefficiente di scambio radiativo è calcolabile con l’ equazione di Stefan Boltzmann
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= 4· · · ( )³ Dove
= remissività esterna della superficie
= costante di Stefan Bolztmann [5,6710 ]
= media aritmetica delle temperature delle superfici e del cielo in gradi Kelvin In linea di massima la 285,15° k
Quando il valore della temperatura del cielo non è nota, si può considerare una differenza tra temperatura dell’aria esterna e temperatura del cielo pari a 9K nelle regioni sub-polari; 13 K nella fascia tropicale e 11K nelle fasce intermedie (Italia)
Valori di emissività dei materiali comuni
Materiale Emissività* Ferro, lucido,
satinato 0,16 Alluminio, lucidato 0,05 Ferro, battuto, lucidato 0,28 Alluminio, superficie grezza 0,07 Lacca, bachelite 0,93 Alluminio, molto ossidato 0,25 Lacca, nera, opaca 0,97 Pannello di amianto 0,96 Lacca, nera, lucida 0,87 Tessuto con amianto 0,78 Lacca, bianca 0,87 Carta amianto 0,94 Nero fumo 0,96 Tavola di amianto 0,96 Piombo, grigio 0,28 Ottone, opaco, placcato 0,22 Piombo, ossidato 0,63 Ottone, lucidato 0,03 Piombo, rosso, in polvere 0,93
183 Mattone, comune 0,85 Piombo, lucido 0,08 Mattone, smaltato, grezzo 0,85 Mercurio, puro 0,1 Mattone, refrattario, grezzo 0,94 Nichel, su ghisa 0,05 Bronzo, poroso, grezzo 0,55 Nichel, lucidato puro 0,05 Bronzo, lucidato 0,1 Vernice, placcata in argento** 0,31 Carbone, purificato 0,8 Vernice, olio, media 0,94 Ghisa, getto grezzo 0,81 Carta, nera, lucida 0,9 Ghisa, lucidata 0,21 Carta, nera, opaca 0,94 Carbone attivo, polvere 0,96 Carta, bianca 0,9 Cromo, lucidato 0,1 Platino, puro, lucidato 0,08 Argilla, cotta 0,91 Porcellana, smaltata 0,92 Calcestruzzo 0,54 Quarzo 0,93 Rame, lucidato, 0,01 Gomma 0,93 Rame, commerciale brunito 0,07 Gommalacca, nera, opaca 0,91 Rame, ossidato 0,65 Gommalacca, nera, lucida 0,82
184 Rame, ossidato nero 0,88 Neve 0,8 Nastro elettrico, plastica nera 0,95 Acciaio, galvanizzato 0,28 Smalto** 0,9 Acciaio, molto ossidato 0,88 Formica 0,93 Acciaio, laminato 0,24 Terreno gelato 0,93 Acciaio, superficie grezza 0,96 Vetro 0,92 Acciaio, rosso ruggine 0,69 Vetro, satinato 0,96 Acciaio, lamiera, nichelato 0,11 Oro, lucidato 0,02 Acciaio, lamiera, laminato 0,56 Ghiaccio 0,97 Carta catramata 0,92 Ferro, laminato a caldo 0,77 Stagno, brunito 0,05 Ferro, ossidato 0,74 Tungsteno 0,05 Ferro, galvanizzato, brunito 0,23 Acqua 0,98 Ferro, laminato, galvanizzato, ossidato 0,28 Zinco, lamiera 0,2
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Analogamente a quello di trasmissione, le scambio termico per ventilazione viene calcolato nelle due stagioni termiche di riferimento come:
stagione di riscaldamento
, = , · ( , , - )· t Stagione di raffrescamento
, = , · ( , , - )· t Dove
, = coefficiente di scambio globale per ventilazione della zona considerata, corretto per tenere conto della differenza di temperatura interno-esterno
, , = temperatura interna di regolazione per il riscaldamento della zona considerata;
, , = temperatura interna di regolazione per il raffrescamento della zona considerata;
= temperatura media mensile dell’ambiente esterno, t = durata del mese considerato
il coefficiente di scambio globale per ventilazione è rappresentato dall’equazione:
, = · · ∑ , · , , }
Dove
· = capacità termica volumica dell’aria pari a 1200
, = fattore di correzione della temperatura per il flusso d’aria k-esimo ( , 1 se la temperatura d’aria di mandata non è uguale alla temperatura dell’ambiente esterno, come nel caso del pre-riscaldamento, pre-raffrescamento o di recupero termico dell’aria di ventilazione)
, , = portata mediata sul flusso d’aria l-esimo espressa in / si ricava come
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, , = , , · , Dove
, , = frazione di tempo in cui si verifica il flusso d’aria k-esimo (in situazione permanente , , =1
, = portata sul tempo del flusso d’aria
Le caratteristiche delle diverse tipologie di sistemi di ventilazione e aereazione definiscono in modo significativo i ricambi d’aria e conseguentemente il fabbisogno energetico.
In edifici moderni ad elevato grado di isolamento, il fattore preponderante nel dispendio energetico diventa proprio la ventilazione. La norma UNI TS 11300 individua per la valutazione di progetto o di “certificazione” che i tassi di ricambio d’aria siano così trattati:
• Per edifici residenziali dotati di sistemi di ventilazione naturale il
tasso di ricambio aria è pari a 0,3 vol/h,
• Per tutti gli altri edifici con ventilazione naturale, si assumono i tassi
di ricambio aria riportati nella UNI 10339 con i valori degli indici di
affollamento pari al 60%.
Per gli edifici dotati di ventilazione meccanica controllata, i ricambi d’aria e le portate sono da determinare sulla base della uni 10339, ai fini della norma UNI 11300, le portate d’aria devono essere caratterizzate come: