Carichi interni

Il consumo energetico di un edificio non è determinato soltanto dalle caratteristiche termiche del suo involucro e dai dati climatici del luogo ove questo si trovi inserito.

Oltre ai suddetti carichi, che potremmo identificare quali “esterni”, nel bilancio energetico di un edificio interviene un altro gruppo di carichi, questa volta identificati quali “interni”, che tengono conto degli apporti energetici dovuti a sorgenti poste all’interno dell’edificio. Tali sorgenti sono le persone, il sistema di illuminazione e le apparecchiature elettriche. Le tre categorie offrono un contributo variabile in relazione alla destinazione d’uso dell’ambiente.

Nel caso in esame sono stati applicati carichi interni a simulare la condizione d’uso standard di una civile abitazione.

Affinché la simulazione sia il più possibile realistica, il programma di calcolo consente non solo di definire l’entità di ciascuno dei suddetti carichi, quindi il numero di persone e le potenza totale installata di luci e apparecchi elettrici, ma anche, attraverso quelle che il programma definisce “schedule” (ossia schede di programmazione organizzate su tre livelli – il giorno, la settimana, l’anno – che nel loro insieme consentono di definire l’entità dei carichi ora per ora per tutti i giorni dell’anno), di modulare il loro valore a simulare il reale comportamento degli occupanti: ci sarà dunque una schedule che rende conto della reale presenza delle persone all’interno dell’edificio, un’altra che tiene conto della accensione parziale delle luci in casa ed un’altra ancora che simula l’uso degli apparecchi elettrici.

Persone

L’appartamento è abitato da quattro persone la cui presenza contemporanea è prevista soltanto nelle ore notturne dei giorni feriali e nelle festività; nella mattina e nel pomeriggio dei giorni lavorativi la presenza degli occupanti è quella mostrata nella tabella proposta nel seguito.

È stato ipotizzato inoltre che le persone, quando presenti durante il giorno (nelle ore comprese tra le 7 a.m. e le 22 p.m.), si trovino impegnate in attività quali leggere, scrivere, cucinare, pulire la casa e simili. Per quantificare il contributo dato dagli occupanti, si immette un valore che esprime la quantità di calore ceduto all’ambiente da ciascuna

persona che si trovi impegnata in una data attività. I valori del calore ceduto per persona in relazione a varie attività si trovano tabellati nella letteratura tecnica specializzata.

La seguente tabella è tratta dall’ASHRAE Handbook of Fundamentals-2005, uno dei quattro volumi dell’ASHRAE Handbook, il manuale che con i suoi continui aggiornamenti annuali è considerato il miglior compendio delle conoscenze sui vari argomenti inerenti ai settori del riscaldamento, del raffrescamento, della ventilazione e del condizionamento dell’aria.

Attività W/Persona

Riposo

Dormire 72

Stare reclinati 81

Stare seduti, in quiete 108

Stare in piedi, in quiete 126

Camminare (su superficie piana)

3,2 km/h 207 4,3 km/h 270 6,4 km/h 396 Attività d’ufficio Leggere, da seduti 99 Scrivere a mano 108 Scrivere a macchina 117 Archiviare, seduti 126

Archiviare, stando in piedi 144

Spostarsi camminando 180

Movimentare e imballare merci e prodotti 216

Varie attività occupazionali

Cucinare 171 to 207

Fare le pulizie di casa 207 to 360

Fare movimenti pesanti, da seduti 234

Segare 189

Maneggiare borse da 50 kg 423

Lavorare con la pala 423 to 504

Varie attività per il tempo libero

Ballare 252 to 459

Ginnastica ritmica 315 to 423

Tennis 378 to 486

Basket 522 to 792

Combattimento 738 to 909

Un algoritmo interno al programma di calcolo stabilisce in quale proporzione il carico termico totale si divide tra latente e sensibile e, ancora, all’interno di quest’ultima, distingue la quota radiante da quella convettiva.

Illuminazione artificiale

La potenza totale installata per l’illuminazione artificiale degli ambienti è stata ipotizzata pari a 450 W; di questa, una porzione variabile nell’intervallo tra il 30 ed il 60% è quella effettivamente sfruttata durante il giorno (7 a.m. – 10 p.m.) per rendere possibile lo svolgimento delle attività in un giorno tipo; durante la notte (11 p.m. – 6 a.m.) l’impianto di illuminazione resta spento.

L’utilizzatore di EnergyPlus deve poi definire come si distribuisce termicamente il calore proveniente dal tipo di luci impiegate; a tal fine occorre che assegni un valore a tre (Return

GIORNI FERIALI Ora N W/Persona 1 a.m. 4 72 2 a.m. 4 72 3 a.m. 4 72 4 a.m. 4 72 5 a.m. 4 72 6 a.m. 4 72 7 a.m. 4 140 8 a.m. 4 140 9 a.m. 1 140 10 a.m. 1 140 11 a.m. 1 140 12 p.m. 1 140 1 p.m. 4 140 2 p.m. 4 140 3 p.m. 3 140 4 p.m. 3 140 5 p.m. 0 140 6 p.m. 0 140 7 p.m. 3 140 8 p.m. 3 140 9 p.m. 4 100 10 p.m. 4 100 11 p.m. 4 72 12 a.m. 4 72 GIORNI FESTIVI Ora N W/Persona 1 a.m. 4 72 2 a.m. 4 72 3 a.m. 4 72 4 a.m. 4 72 5 a.m. 4 72 6 a.m. 4 72 7 a.m. 4 140 8 a.m. 4 140 9 a.m. 4 140 10 a.m. 0 140 11 a.m. 0 140 12 p.m. 4 140 1 p.m. 4 140 2 p.m. 4 140 3 p.m. 0 140 4 p.m. 0 140 5 p.m. 0 140 6 p.m. 4 140 7 p.m. 4 140 8 p.m. 0 140 9 p.m. 0 100 10 p.m. 4 100 11 p.m. 4 72 12 a.m. 4 72

Air Fraction, Fraction Radiant, Fraction Visible) delle quattro differenti frazioni in cui il

programma di calcolo suddivide questo calore. La quarta ed ultima frazione (Fraction

convected) viene ricavata dal programma una volta definite le prime tre secondo la

seguente relazione:

Fraction convected = 1.0 – (Return Air Fraction + Fraction Radiant + Fraction Visible) essendo:

Return Air Fraction la frazione del calore proveniente dal sistema di illuminazione che va

nella condotta dell’aria di ritorno; deve avere valore diverso da zero solo per apparecchi connessi al canale dell’aria di ritorno

Fraction Radiant la frazione del calore proveniente dal sistema di illuminazione che va

nell’ambiente sotto forma di radiazioni a onda lunga (termiche)

Fraction Visible la frazione del calore proveniente dal sistema di illuminazione che va

nell’ambiente sotto forma di radiazioni a onda corta (visibile)

Fraction convected la frazione del calore proveniente dal sistema di illuminazione che

riscalda l’aria dell’ambiente per convezione

Il manuale d’uso del programma fornisce valori approssimati di detti coefficienti per i tipi di apparecchi di illuminazione più frequentemente impiegati.

Per apparecchi sospesi, la tipologia più impiegata nel residenziale, e per questo quella adottata anche nel caso in esame, è:

Coefficiente Configurazione dell’apparecchio

Sospeso

Return Air Fraction 0.0

Fraction Radiant 0.42

Fraction Visible 0.18

Fraction convected 0.40

Vi è inoltre la possibilità di comunicare al programma se le luci siano dotate o meno di sistema di autoregolazione del flusso luminoso in relazione alle condizioni di luce esterne. Nel caso in esame non è stato previsto un simile sistema di controllo.

Apparecchiature elettriche

Le apparecchiature elettriche previste e la potenza nominale di ciascuna si trovano elencate nella tabella seguente:

Apparecchio elettrico Potenza (W)

Frigorifero + congelatore 1100 Forno 2200 Cappa aspirante 750 Lavastoviglie 2000 Televisore (n. 3) 600 Computer 400 Lavatrice 1850 Phon 1500 TOTALE 10400

L’uso degli apparecchi, evidentemente non contemporaneo, è simulato attraverso la relativa schedule.

L’uso delle apparecchiature elettriche sviluppa calore che contribuisce ai carichi di zona. In EnergyPlus, questo calore è diviso in quattro diverse quote, tre delle quali (Fraction

Latent, Fraction Radiant, Fraction Lost) devono essere definite dall’operatore e servono al

programma per ricavare la quarta ed ultima quota (Fraction convected), che rappresenta la frazione del calore generato dalle apparecchiature elettriche che riscalda l’aria dell’ambiente per convezione.

L’algoritmo che il programma utilizza è il seguente:

Fraction convected = 1.0 – (Fraction Latent + Fraction Radiant + Fraction Lost) essendo:

Fraction Latent si tratta di un numero decimale compreso tra 0,0 e 1,0 che,

moltiplicato per l’energia assorbita dalle apparecchiature elettriche, fornisce la quota di carico latente prodotta dalle stesse

Fraction Radiant si tratta di un numero decimale compreso tra 0,0 e 1,0 che,

moltiplicato per l’energia assorbita dalle apparecchiature elettriche, fornisce la quota di radiazione ad onda lunga prodotta dalle stesse

Fraction Lost si tratta di un numero decimale compreso tra 0,0 e 1,0 che,

moltiplicato per l’energia assorbita dalle apparecchiature elettriche, fornisce la quota di calore che viene “perduto” e, pertanto, che non

interviene ad influenzare il bilancio termico della zona. Corrisponde alla quota di energia elettrica sfruttata per compiere lavoro meccanico;

Fraction convected la frazione del calore generato dalle apparecchiature elettriche che

riscalda l’aria dell’ambiente per convezione

Nel caso in esame, fatto riferimento alla letteratura tecnica specializzata, sono stati adottati i seguenti valori:

Coefficiente Valore adottato

Fraction Latent 0.2

Fraction Radiant 0.3

Fraction Lost 0.3

Fraction convected 0.2

Gas

In cucina è stato previsto un piano di cottura a gas a quattro fuochi (1 bruciatore da 1000 W, 1 bruciatore da 3500 W, 2 bruciatori da 2000 W) per una potenza totale installata di 8000 W.

Anche in questo caso, il funzionamento delle apparecchiature sviluppa calore che contribuisce ai carichi di zona.

Ed ancora, anche in questo caso, su EnergyPlus questo calore è diviso in quattro diverse quote, tre delle quali (Fraction Latent, Fraction Radiant, Fraction Lost) devono essere definite dall’operatore e servono al programma per ricavare la quarta ed ultima quota (Fraction convected), che rappresenta la frazione del calore generato dal piano cottura che contribuisce al riscaldamento dell’aria dell’ambiente per convezione.

L’algoritmo che il programma utilizza è il seguente:

Fraction convected = 1.0 – (Fraction Latent + Fraction Radiant + Fraction Lost) essendo:

Fraction Latent un numero decimale compreso tra 0,0 e 1,0 che, moltiplicato per

l’energia assorbita dal dispositivo a gas, fornisce la quota di carico latente prodotta dallo stesso;

Fraction Radiant un numero decimale compreso tra 0,0 e 1,0 che, moltiplicato per

l’energia assorbita dal dispositivo a gas, fornisce la quota di radiazione ad onda lunga prodotta dallo stesso;

Fraction Lost un numero decimale compreso tra 0,0 e 1,0 che, moltiplicato per

l’energia assorbita dal dispositivo a gas, fornisce la quota di calore che viene “perduto” e che, pertanto, non interviene ad influenzare il bilancio termico della zona. Corrisponde alla quota di energia elettrica sfruttata per compiere lavoro meccanico;

Fraction convected la frazione del calore generato dal dispositivo a gas che riscalda

l’aria dell’ambiente per convezione.

Considerazioni

1. _{Gli orari impostati di presenza, numero e attività delle persone, di uso} dell’illuminazione artificiale e degli elettrodomestici determinano una distribuzione dei carichi prevalentemente diurna con picchi nelle ore centrali del giorno.

2. _{Le schedule impostate sul programma di calcolo relative allo sfruttamento delle} potenze installate di luci e apparecchi elettrici sono state create tenendo conto dei dati statistici dai quali emerge che il consumo energetico per un edificio ad uso residenziale di medie dimensioni è approssimativamente 3600 kWh/anno.

Per effetto delle modeste dimensioni dell’edificio oggetto di studio, il valore proposto al precedente paragrafo è stato ridotto a 3000 kWh/anno.

Quest’ultimo si pone anche in linea con l’indicazione fornita dalla UNI/TS 11300-1 “Prestazioni energetiche degli edifici – Parte 1: Determinazione del fabbisogno di energia termica dell'edificio per la climatizzazione estiva ed invernale”. La norma tecnica, per la valutazione degli apporti interni in edifici residenziali di superficie A, fornisce le relazioni:

VALORE MEDIO GLOBALE APPORTI INTERNI

Categoria di edificio* Destinazione d’uso Apporto medio globale Qa [W]

E.1 (1); E.1 (2) Edifici residenziali con A ≤ 170 m2 _{5,294 ∙ A – 0,01557 ∙ A}2

E.1 (1); E.1 (2) Edifici residenziali con A > 170 m2 ₄₅₀

*

Categorie di edifici classificati sulla base della destinazione d'uso di cui all'articolo 3 del decreto del Presidente della Repubblica 26 agosto 1993, n. 412:

E.1 Edifici adibiti a residenza e assimilabili

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.

La prima delle due relazioni, applicata all’edificio in oggetto, restituisce: Qa = 5,294 ∙ 84 – 0,01557 ∙ 842 = 334,8 W

Tenuto conto del risultato ottenuto, il consumo medio annuo Cm,a risulta:

Cm,a = 334,8 ∙ 24 ∙ 365 ∙ 10–3 = 2933 kWh/anno