La necessità di ridurre lo sfruttamento di risorse e contenere l’emissione di inquinanti ha condotto, nel settore delle costruzioni, ad un sostanziale ripensamento del ruolo dell’involucro edilizio, individuato come uno degli elementi chiave su cui intervenire per conseguire i richiamati obiettivi di risparmio energetico.
Se infatti, fino a qualche decennio fa, l'involucro assolveva soltanto ad un ruolo conservativo mentre il comfort termico e igrometrico degli spazi confinati era affidato completamente ai sistemi impiantistici, oggi nasce un nuovo modello ambientale: l'involucro intelligente, adattivo ed interattivo, progettato e realizzato per mutare esso stesso al variare delle condizioni ambientali esterne.
È proprio questo il filone entro cui si inserisce il dispositivo messo a punto nel presente lavoro di tesi. Come denuncia il nome stesso, WT, acronimo di Wall Thermosyphon letteralmente "termosifone in parete", il dispositivo è progettato per integrarsi nelle pareti opache dell'involucro dell'edificio per permettere che anche queste si avvantaggino della radiazione solare. Anche quando il sole riesce a raggiungere una parete opaca, infatti, il calore riesce difficilmente ad essere trasferito all'interno dell'edificio, per effetto della massa e della resistenza termica dei vari strati che la costituiscono.
Il WT, come mostrato, risolve astutamente la contraddizione tra l'esigenza di un buon isolamento termico dell'involucro edilizio e la possibilità di sfruttare le risorse energetiche naturali per mantenere il comfort termico degli ambienti occupati.
Il dispositivo infatti crea un ponte termico al calore in ingresso nell'edificio mentre non altera il processo di trasmissione del calore nel verso opposto che resta regolato unicamente dalla trasmittanza della parete, peraltro assai ridotta.
Finita la fase di progettazione del WT, il lavoro di tesi ha proceduto alla verifica della prestazione energetica del nuovo dispositivo mediante la sua applicazione ad un edificio prototipo il cui comportamento è stato analizzato attraverso il programma di simulazione dinamica EnergyPlus (EP).
I risultati conseguiti in termini di risparmio sul consumo energetico dell'edificio a seguito dell'istallazione dei WT, sono andati ben oltre le aspettative riposte all'avvio di questo progetto.
Il primo passo è stato controllare che il dispositivo si prestasse allo scopo per il quale è stato progettato: coadiuvare l'impianto tradizionale nel riscaldamento di un edificio residenziale durante la stagione invernale.
Questa necessità deriva dal fatto che il funzionamento del WT è avvantaggiato da una bassa temperatura interna dell'ambiente, mentre il reale utilizzo di un'abitazione da parte degli occupanti inevitabilmente introduce in questa una serie di apporti in calore connessi alla presenza stessa delle persone e alle loro attività, al funzionamento degli elettrodomestici e all’uso dell’illuminazione artificiale.
L’esito di questo primo controllo è stato positivo: nonostante il fabbisogno energetico dell'edificio si sia notevolmente ridotto a fronte dell'introduzione dei cosiddetti "apporti interni gratuiti", il risparmio percentuale resta invece sostanzialmente inalterato, passando dal 53,64% per l'edificio senza carichi interni al 51,87% per l’edificio con i carichi interni.
Stabilito che l'orientamento ottimale del WT è a sud, è stato valutato se l'istallazione aggiuntiva di dispositivi sulle pareti est ed ovest apportasse qualche beneficio.
Da un'analisi che ha consentito di distinguere i contributi offerti da ciascuna parete è emerso che:
• i dispositivi rivolti a ovest sono del tutto inutili: il sole riscalda la superficie della loro parete di installazione quando ormai la temperatura interna, per effetto degli apporti degli altri due gruppi di dispositivi, è troppo elevata perché si possa verificare la condizione per la loro attivazione (che è Tsw,ovest > Tint);
• i dispositivi rivolti a est offrono un loro contributo ma si rivelano comunque non convenienti: nonostante siano installati numero doppio rispetto a quelli a sud, sono responsabili del 19% della risparmio totale, mentre l'80% di detto risparmio è imputabile ai soli dispositivi della parete sud.
Dall'analisi effettuata è emerso, inoltre, che il sistema ben si confà anche a soluzioni architettoniche che prevedono una netta prevalenza dei vuoti sui pieni in facciata: un rapporto del 6% tra la superficie captante, ossia la superficie occupata dai WT, ed il volume riscaldato è sufficiente per più che dimezzare i costi sulla bolletta.
Anzi, è emerso piuttosto che qualora si disponesse di estese pareti opache rivolte a sud, non sarebbe neppure necessario trattarle integralmente.
L'indagine sull'influenza delle condizioni climatiche esterne, condotta entro i limiti del territorio nazionale, ha rivelato una maggiore convenienza nell'istallare l'impianto alle alte latitudini.
Data l'enorme diversità dei consumi iniziali per lo stesso edificio situato dapprima a Milano, poi a Pisa ed infine a Catania, l’osservazione dei dati percentuali è fuorviante. Infatti mentre Pisa e Catania registrano risparmi di 2.738.109 kJ la prima e 675.728 kJ la seconda (corrispondenti ad un risparmio percentuale sui consumi iniziali del 53,64% e del 51,62% rispettivamente), Milano conta 3.324.388 kJ risparmiati (corrispondenti ad un risparmio percentuale del 38,61% sui costi iniziali) superando Pisa per più del 20% e Catania del 390%.
Occorre tenere conto che tutti i risultati discussi finora sono affetti da errori dovuti all’assunzione alla base del calcolo di forti ipotesi semplificative che si sintetizzano nel seguito:
• prima fra tutte, l’aver ridotto il complesso comportamento del WT a quello di una resistenza variabile a seconda della relazione d’ordine che si stabilisce tra la temperatura superficiale esterna della parete (Tsw) e la temperatura interna (Tint):
R = RWT se Tsw > Tint;
R= ∞ se Tsw > Tint.
Il comportamento della parete con dispositivo integrato è stato schematizzato come quello di due resistenze, la resistenza della parete RP e la resistenza del dispositivo
RWT, in parallelo.
Per effetto della variabilità del valore di resistenza del dispositivo, si configurano i due casi:
Tsw > Tint Tsw > Tint
• Il valore stesso assegnato a RWT è affetto da non poche incertezze.
• È stata ipotizzata una superficie captante di 0,8 m2 per ogni WT. La posizione del WT è baricentrica rispetto a detta superficie.
Perciò assai probabilmente, è stato troppo ottimistico ritenere che le zone di estremità del pannello riescano a contribuire all’innalzamento della temperatura del fluido nell’evaporatore. Ricordando la relazione di proporzionalità che lega il calore prodotto dal dispositivo all’estensione della superficie captante, appare evidente che l’efficienza del dispositivo sia stata sovrastimata per effetto di questa ipotesi.
• È stato posto il ∆T di attivazione del dispositivo pari a 0 °C. Anche quest’ipotesi dovrà essere verificata in fase sperimentale.
Tuttavia, l’errore eventualmente introdotto con quest’ipotesi è poco significativo poiché, per effetto della relazione di proporzionalità che lega il calore prodotto dal dispositivo al ∆T di attivazione, a bassi valori del ∆T corrispondono bassi valori del flusso di calore generato dal dispositivo.
Esterno Tsw Esterno Tsw Interno Tint Interno Tint R=RWT Rp R=∞ Rp
• Nel modello, l’edificio è inserito in uno spazio completamente vuoto: una schematizzazione di questo tipo trova corrispondenza nella realtà in ben pochi casi. È assai più frequente che l’edificio si trovi in un contesto urbanizzato, quindi che nell’intorno siano presenti altri edifici, elementi vegetazionali o, più in generale, ostacoli che creano una zona d’ombra sull’involucro dell’edificio.
L’assoluta mancanza di ombreggiamento su un edificio, in linea generale, contribuisce ad accrescere la temperatura dell’ambiente confinato in virtù di una maggior quota di irradiazione solare che penetra all’interno attraverso gli elementi vetrati dell’involucro. Tuttavia, nel caso particolare dell’edificio in esame per il quale i pieni prevalgono nettamente sui vuoti e tutti i componenti d’involucro sono ben isolati, l’effetto maggiore della mancanza d’ombra è quello di accrescere la resa dei WT che risulterebbero invece fortemente penalizzati dalla presenza di zone d’ombra.
Anche questa ipotesi dunque sembra aver condotto ad una sovrastima della resa dell’impianto.
Da tutti i casi analizzati è emerso un valore del rapporto tra l’energia che deve essere smaltita all’esterno per evitare il surriscaldamento dell’edificio e l’energia trasferita all’interno che contribuisce al conseguimento del benessere termico troppo elevato.
La tabella proposta ne rende conto:
Caso analizzato Esmalt/Etrasf
A 45,3% B 95,3% C 131,7% D 144,1% E 63,2% F 291,6%
Questo suggerisce di valutare se, piuttosto che smaltire il calore in eccesso, non sia più conveniente accumularlo all’interno dell’intercapedine per poi reimpiegarlo per altri usi, come per esempio la produzione dell’acqua calda sanitaria.
L’ipotesi introdotta sull’efficienza del sistema di controllo termico diviene di cruciale importanza: in caso di malfunzionamento di tale apparecchiatura, ne deriverebbe un grave discomfort all’interno degli ambienti per effetto del loro surriscaldamento. Qualora nella fase operativa si riscontassero gravi difficoltà connesse con il funzionamento del sistema di controllo della temperatura come progettato, si potrebbe pensare di inserire una elettrovalvola lungo il circuito in grado di bloccare la circolazione del fluido di lavoro al suo interno.
La considerazione seguente serve a proteggere il nuovo dispositivo dall’accusa di
contribuire all’effetto isola di calore, il fenomeno che determina un microclima più caldo all’interno dell’area urbana rispetto alle circostanti zone periferiche e rurali.
A tal proposito si vuol mettere in evidenza che quella che nel presente lavoro di tesi è stata definita “energia da smaltire” è un’energia che, sebbene in altra forma, sarebbe stata già presente nell’ambiente. Il sistema, infatti, non genera energia ma è solamente in grado di sfruttare, a vantaggio dell’ambiente confinato, la radiazione solare e, quando non
necessaria, di “restituirla” all’esterno.
Il sistema si caratterizza per un’enorme versatilità di impiego.
Ricordando che il dispositivo, quando sussistono le condizioni, si comporta come un ponte termico e quindi opera indipendentemente da quali e quanti siano gli strati costituenti la parete, ben si capisce che può adattarsi ad una grande varietà di sistemi costruttivi.
Ma non solo. I WT sono anche indipendenti l’uno dall’altro. Questo offre la possibilità di variarne numero e disposizione a seconda della necessità. Nel caso presentato in questo lavoro di tesi è stata sfruttata tutta la superficie disponibile dell’edificio e tutto lo spazio all’interno del modulo prefabbricato, che si presta per l’installazione al più di tre dispositivi. Nulla vieta però la produzione di moduli contenenti soltanto uno o due WT disposti ad altezze variabili, nel rispetto dell’unico vincolo di distanziare sufficientemente gli evaporatori in modo che ciascuno disponga di una sufficiente superficie captante.
L'uso dei dispositivi, tuttavia, potrà definitivamente dirsi conveniente solo quando sarà tenuto in conto il fattore economico.
La corretta valutazione dei vantaggi economici che si possono trarre dall'istallazione dei dispositivi per ogni caso analizzato potrà aversi solamente quando sarà dimostrato che i tempi di rientro dell'investimento per l'utenza a seguito dell’acquisto dell'impianto siano accettabili a fronte delle riduzioni in termini di consumi sulle bolletta e delle auspicate agevolazioni fiscali previste per quanti si impegnino nella realizzazione di interventi per il risparmio energetico.
Si vuol mettere in luce che non esistono costi di manutenzione dell’impianto.
Certo l’impiego del sistema WT supera le considerazioni puramente economiche per tutte quelle persone che sono coscientemente ecologiste, vale a dire per coloro che antepongono alla logica economica l’importanza dei temi ambientali, ai fini di un contenimento della grave crisi ecologica del nostro pianeta.
Il maggior vantaggio offerto dal dispositivo, infatti, è quello sotto il profilo ecologico: si tratta di un sistema totalmente passivo, fonte di energia rinnovabile ed inesauribile, in grado di ridurre drasticamente i consumi connessi all’uso degli impianti di riscaldamento tradizionali.
Abaco nomenclature
α coefficiente di assorbimento della radiazione solare I irraggiamento solare globale (W/m2)
Cm,a consumo medio annuo (kWh/anno)
ρ densità (kg/m3)
γ peso specifico (kgpeso/m3)
αi coefficiente liminare interno [W/(m2K)]
αe coefficiente liminare esterno [W/(m2K)]
λn conducibilità termica [W/(mK)]
q flusso termico (W/m2)
R resistenza termica m2K/W
Tint temperatura dell’ambiente interno (°C)
Test temperatura dell’ambiente esterno (°C)
Tsw temperatura superficiale esterna della parete (°C)
Tott temperatura di comfort termico negli ambienti interni, 20 °C
Tlim temperatura limite superiore del comfort termico negli ambienti interni,
22°C
RWT resistenza termica totale del WT
Rth resistenza termica del dispositivo bifase
Rair resistenza termica alla sezione condensante
Sc superficie captante
Sd superficie disperdente
nWT numero di dispositivi installati per parete
Q energia prodotta dall’insieme dei dispositivi installati sulla parete nell’unità di tempo
QST spesa energetica che deve essere sostenuta giornalmente senza termosifoni
per avere Tint = Tott
QT spesa energetica che deve essere sostenuta giornalmente con termosifoni per
avere Tint = Tott
QST,h spesa energetica oraria che deve essere sostenuta senza termosifoni per
avere Tint = Tott
QT,h spesa energetica oraria che deve essere sostenuta con termosifoni per avere
Tint = Tott
QR energia risparmiata
R% risparmio percentuale giornaliero
R%,SR risparmio percentuale sull’intero periodo convenzionale di riscaldamento
R%,SR,WT risparmio percentuale conseguito sull’intero periodo convenzionale di
riscaldamento per singolo WT installato
V volume lordo dell’edificio
Eott energia ottenibile: l’energia che l’insieme dei dispositivi installati su una
parete è in grado di trasferire all’interno dell’ambiente durante un giorno tipo se non interviene il sistema di controllo della temperatura
Eott,WT energia ottenibile calcolata su base giornaliera e prodotta dal singolo WT
Eott,SR energia ottenibile calcolata sull’intero periodo convenzionale di
riscaldamento e sviluppata dall’insieme dei WT installati in parete Etrasf energia giornalmente trasferita all’interno dell’ambiente
Etrasf,WT energia giornalmente trasferita all’interno dell’ambiente dal singolo WT
Etrasf,SR energia trasferita all’interno dell’ambiente nell’intero periodo convenzionale
di riscaldamento e sviluppata dall’insieme dei WT installati in parete Esmalt energia da smaltire all’esterno in un giorno tipo
Esmalt,SR energia da smaltire all’esterno durante l’intero periodo convenzionale di
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