I dati output della simulazione corrispondono alle grandezze ed ai parametri utili a valutare l’efficienza di un sistema di riscaldamento e del sistema di controllo ad esso associato. L’efficienza del sistema di riscaldamento può essere quantificata valutando:
L’energia spesa dai generatori di calore per fornire energia termica all’ambiente da riscaldare,
Le emissioni di CO2 nell’ambiente,
Il tempo di funzionamento dei generatori di calore.
Il Decreto Ministeriale “Requisiti minimi” del 26 giugno 2015, che recepisce le direttive europee, indica le modalità di calcolo della prestazione energetica degli edifici. Essa è funzione della quantità di energia necessaria annualmente per soddisfare le esigenze legate a un uso standard dell’edificio, e corrisponde al fabbisogno energetico annuale globale in energia primaria per i diversi servizi energetici (riscaldamento, raffrescamento, ventilazione, produzione di acqua calda sanitaria, illuminazione)
In particolare, il fabbisogno energetico è l’energia primaria utilizzata per produrre l’energia fornita ai sistemi tecnici dell’edificio e si calcola in base alle quantità consegnate ed esportate dei vettori energetici complessivamente impiegati utilizzando fattori di conversione che tengano conto dell’energia necessaria per l’estrazione, la lavorazione, lo stoccaggio, il trasporto, la generazione, la trasformazione, la trasmissione, la distribuzione e le altre operazioni necessarie alla consegna all’edificio in cui viene utilizzata.
Riassumendo, il calcolo della prestazione energetica del sistema edificio-impianto comprende i seguenti passi:
calcolo del fabbisogno di energia utile dell’involucro edilizio;
calcolo dell’efficienza degli impianti: si determina la quantità di energia da fornire all’impianto, sotto forma di vettori energetici (combustibili, energia elettrica, radiazione solare, calore da teleriscaldamento) per soddisfare il fabbisogno di energia utile; conversione dell’energia fornita in energia primaria, cioè energia prelevata dalle fonti
energetiche.
Lo step finale si rende necessario, ai fini della valutazione del consumo di fonti energetiche, per tenere conto di ciò che succede dal punto di prelievo dell’energia fino al punto di consegna all’impianto.
131 Per energia primaria si intende l’energia che non è stata soggetta ad alcuna conversione o processo di trasformazione. Essa può essere a suo volta distinta in:
Energia non rinnovabile: energia prelevata da una sorgente che si esaurisce per estrazione (ad esempio, combustibili fossili);
Energia rinnovabile: energia prelevata da sorgenti che non si esauriscono per estrazione, come avviene per l’energia solare, eolica, idrica, biomasse.
L’energia assorbita dalla pompa di calore per la produzione di energia termica è l’energia elettrica, che per la normativa presenta una quota rinnovabile ed una quota non rinnovabile. Per la conversione in energia primaria dell’energia assorbita dalla pompa, dunque, si farà uso di due diversi fattori di conversione di energia primaria.
Il fattore di energia primaria per un dato vettore energetico, è il rapporto tra l’energia primaria totale (somma dell’energia non rinnovabile e dell’energia rinnovabile) e l’energia fornita. Si definisce fattore di energia primaria rinnovabile il rapporto tra l'energia primaria rinnovabile e l'energia fornita, dove l'energia primaria rinnovabile è quella prodotta e/o fornita all'utenza. Si definisce fattore di energia primaria non rinnovabile il rapporto tra l'energia primaria non rinnovabile e l'energia fornita, dove l'energia primaria non rinnovabile è quella richiesta per produrre un'unità di energia fornita all'utenza 81.
Per la caldaia a condensazione, invece, il consumo di energia primaria prevede la sola quota non rinnovabile, essendo proveniente da una fonte esauribile quale il gas metano.
Al fine di sviluppare un sistema energetico sostenibile, competitivo, sicuro e decarbonizzato, i Paesi dell’Unione Europea si sono impegnati a ridurre ulteriormente le emissioni di gas a effetto serra di almeno il 40 % entro il 2030 rispetto al 1990, da conseguire con l'aumento del consumo di energia da fonti rinnovabili e attraverso un ulteriore incremento dell'efficienza energetica, operando in particolare sulla decarbonizzazione del parco immobiliare, responsabile di circa il 36 % di tutte le emissioni di CO2 nell’UE 82.
La CO2 (anidride carbonica o biossido di carbonio) è un gas inerte, inodore ed incolore, naturalmente presente in atmosfera in concentrazioni limitate e parte dei cicli biogeochimici naturali, quale il risultato della ossidazione delle molecole organiche. Essa contribuisce
81 Cammarata G., Cammarata M., D’Amico A., Gorgone J., Messina G., Russo F., “Progettare e
riqualificare per l’efficienza energetica”, Maggioli Editore, Santarcangelo di Romagna, 2015, pp. 18-19.
82 Fonte ENEA, Agenzia nazionale per le nuove tecnologie, l'energia e lo sviluppo economico
132 all’effetto serra naturale, ovvero il fenomeno di termoregolazione naturale della Terra, che permette condizioni termiche idonee alla nascita ed al mantenimento della vita terrestre. A partire dalla seconda metà del 1700 le emissioni di CO2 connesse con le attività umane durante la rivoluzione industriale hanno fatto sì che questo gas si sia progressivamente accumulato in atmosfera. L’uomo ha infatti man mano accresciuto l’uso di combustibili fossili (petrolio, gas naturale, carbone) a scopo combustivo, decompartimentando il carbonio contenuto nelle molecole organiche di questi combustibili del sottosuolo, bruciandole e reimmettendo così il carbonio in atmosfera in forma ossidata.
La concentrazione di CO2 nell’atmosfera ha attualmente superato la soglia dei 400 ppm (parti
per milione), con un ritmo di crescita di 2,5 ppm annue; la concentrazione di CO2 in condizioni pre-industriali era di circa 270 ppm.
In accordo con gli obiettivi fissati dalle direttive europee e nazionali, verrà dunque valutata anche la quantità di CO2 immessa nell’aria da parte dei generatori di calore dell’impianto di
riscaldamento. La procedura adottata per il calcolo della quantità di CO2 prodotta dai
generatori, corrisponde a quella definita dalla norma UNI/TS 11300-4.
Verranno infine valutate le condizioni termiche garantite dall’impianto di riscaldamento, analizzando l’andamento della temperatura all’interno dell’ambiente da riscaldare e l’andamento della temperatura dell’acqua presente all’interno dell’accumulo termico.
4.3.1 Energia primaria consumata dai generatori
Il sistema di riscaldamento dell’edificio oggetto di studio presenta due generatori di calore, che sfruttano due differenti fonti energetiche per la produzione di calore: la valutazione dell’energia spesa da ciascuna tipologia di generatore è, dunque, differente.
Per quanto riguarda la caldaia a condensazione, l’energia da essa consumata è espressa in termini di energia termica proveniente da gas metano.
La pompa di calore, invece, sfrutta come sorgente termica l’aria esterna, ma necessita di un’alimentazione elettrica per il funzionamento; l’energia consumata dalla pompa di calore si esprime, dunque, come energia elettrica consumata per il suo funzionamento.
Per poter confrontare e sommare le due grandezze, si opera la conversione in energia primaria secondo i fattori di conversione dei differenti vettori energetici definiti dal Decreto Ministeriale “Requisiti minimi” del 26 giugno 2015.
133 I fattori di conversione, riportati in Tabella 1 del D.M. 26-06-2015, sono suddivisi nella quota di energia primaria rinnovabile, quota di energia primaria non rinnovabile ed energia primaria totale, data dalla somma delle prime due.
Tabella 15. Fattori di conversione in energia primaria dei vettori energetici 83
Per quanto sopra esposto, le operazioni da effettuare in ambiente di lavoro Simulink per generare come dato di output l’energia primaria sono differenti per i due generatori di calore.
Pompa di calore
Tutti i dati di output della pompa di calore sono forniti dall’uscita “HPdat” del blocco “Heat Pump”, tra i quali è presente la potenza elettrica assorbita dalla pompa di calore durante il suo funzionamento. È possibile allora ricavare l’energia elettrica consumata dalla pompa di calore
134 integrando, nell’intervallo di tempo relativo al suo funzionamento, la potenza elettrica fornita alla macchina:
𝐸 , = 𝑃 𝑑𝑡
Ottenuta l’energia elettrica consumata, è possibile ricavare l’energia primaria moltiplicando semplicemente per i fattori di conversione dei vettori energetici in energia primaria, forniti dal D.M. 26-06-2015. Tali fattori, per l’energia elettrica da rete, sono pari a (vedi tab.15):
𝑓, = 1,95 per l’energia primaria non rinnovabile
𝑓, = 0,47 per l’energia primaria rinnovabile
𝑓, = 2,42 per l’energia primaria totale
Si ottiene, dunque:
𝐸 , = 𝐸 , ∙ 1,95
𝐸 , = 𝐸 , ∙ 2,42
L’energia primaria ottenuta viene convertita da 𝐽 in 𝑘𝑊ℎ dividendo per un fattore di 3600000, infatti si ha:
1 𝑘𝑊ℎ = 3600000 𝐽 = 3,6 ∙ 10 𝐽
Il consumo di energia primaria viene valutato per un intervallo di tempo corrispondente all’intero anno (166 giorni è la durata della stagione invernale, secondo quanto riportato dalla normativa vigente) e relativamente ad un metro quadro di superficie calpestabile riscaldata. Il valore dell’energia primaria ottenuta in 𝑘𝑊ℎ viene quindi diviso per la superficie totale calpestabile del piano terra dell’edificio oggetto di studio, pari a 𝑆 , = 240 𝑚
Le operazioni vengono eseguite in Simulink tramite i blocchi “Integrator”, “Constant” e “Product”, dopo aver filtrato il dato relativo alla potenza elettrica “Pelec” dal bus in uscita dalla pompa di calore tramite un “Bus selector”.
I risultati vengono diagrammati tramite i blocchi “Scope” e salvati in forma tabellare nello spazio di lavoro Simulink tramite i blocchi “To Workspace”.
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Figura 60. Ramo del modello Simulink per il calcolo dell’energia primaria consumata dalla pompa di calore
Caldaia a condensazione
Operazioni analoghe vengono effettuate sui dati output della caldaia a condensazione. Questa volta la grandezza in uscita dal blocco “Condensing boiler” necessaria al calcolo dell’energia primaria consumata dalla caldaia a condensazione è la potenza termica fornita dalla caldaia, ottenuta dalla combustione del gas metano.
L’energia termica ricavata dalla combustione del gas metano si ottiene come integrale, sull’intervallo temporale di funzionamento, della potenza termica fornita dalla caldaia:
𝐸 = 𝑄̇ 𝑑𝑡
Il fattore di conversione dell’energia termica proveniente da gas metano in energia primaria è il medesimo per l’energia primaria non rinnovabile e l’energia primaria totale, e pari a:
𝑓, = 𝑓, = 1,05
L’energia primaria si ottiene, dunque, come:
𝐸 , = 𝐸 , = 𝐸 ∙ 1,05
Analogamente a quanto fatto per la pompa di calore, l’energia primaria viene convertita da 𝐽 annui in 𝑘𝑊ℎ/𝑚 annui, dividendo per 3,6 ∙ 10 e per 240 𝑚 .
Le operazioni per la caldaia a condensazione vengono effettuate in Simulink tramite le stesse modalità descritte per la pompa di calore, a partire dal valore della potenza termica effettiva fornita dalla caldaia “Qdot_fuel” (vedi fig. 61).
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Figura 61. Ramo del Modello Simulink per il calcolo dell’energia primaria consumata dalla caldaia a condensazione
4.3.2 Emissioni di CO2
La produzione di CO2 di un impianto di riscaldamento può essere valutata mediante la norma
UNI/TS 11300-4, secondo la quale la produzione di CO2 per ciascun vettore energetico risulta
pari a:
𝑀 , = 𝑄 ∙ 𝑘
dove:
𝑀 , è la produzione di CO2 del vettore energetico i-esimo [𝑘𝑔]
𝑄 è il fabbisogno energetico annuo del vettore energetico i [𝑘𝑊ℎ]
𝑘 è il fattore di emissione di CO2 per il vettore energetico considerato [𝑘𝑔 / 𝑘𝑊ℎ]
I fattori di emissione di CO2 per ogni vettore energetico sono precisati nella norma UNI EN ISO
15603/2008, e risultano pari a 277 𝑘𝑔 𝑀𝑊ℎ = 0,277 𝑘𝑔 𝑘𝑊ℎ ; 𝑝𝑒𝑟 𝑙 𝑒𝑛𝑒𝑟𝑔𝑖𝑎 𝑑𝑎 𝑔𝑎𝑠 𝑚𝑒𝑡𝑎𝑛𝑜 617 𝑘𝑔 𝑀𝑊ℎ = 0,617 𝑘𝑔 𝑘𝑊ℎ ; 𝑝𝑒𝑟 𝑙 𝑒𝑛𝑒𝑟𝑔𝑖𝑎 𝑒𝑙𝑒𝑡𝑡𝑟𝑖𝑐𝑎
L’emissione di CO2 per ciascun generatore di calore dell’impianto di riscaldamento, espressa
in 𝐾𝑔/𝑚 annui, viene ricavata in Simulink moltiplicando l’energia fornita dal generatore di calore per il relativo fattore di emissione (vedi fig. 60, fig. 61).
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4.3.3 Temperature e tempi di funzionamento
L’andamento della temperatura registrato all’interno dell’ambiente da riscaldatore è il parametro principale al fine di valutare le condizioni di comfort dell’ambiente. Il dato della temperatura interna è uno degli output in uscita dal blocco “House Simple”, che viene estratto dal bus tramite il blocco “Bus selector” per poi essere diagrammato tramite il blocco “Scope” e salvato in forma tabellare nello spazio di lavoro Simulink tramite il blocco “To Workspace”.
Figura 62. Ramo del modello Simulink per il monitoraggio della temperatura interna all’ambiente
La temperatura del volume d’acqua all’interno del termo-accumulo viene, invece, registrata tramite il blocco CARNOT “Surface temperature sensor”, il quale modella un sensore in grado di registrare la temperatura ad una determinata altezza all’interno dell’accumulo termico. Il sensore è stato posto ad un’altezza intermedia dell’accumulo (posizione relativa pari a 0,5) ed è caratterizzato da tempi di risposta dell’ordine del secondo.
Figura 63. Ramo del modello Simulink per il monitoraggio della temperatura all’interno dell’accumulo termico
Gli intervalli di accensione e spegnimento dei generatori di calore vengono registrati nello spazio di lavoro Simulink, ma prima vengono integrati al fine di poter elaborare i tempi di funzionamento in termini percentuali sulla durata dell’intera simulazione. Il segnale di controllo,
138 consistente in una sequenza di 0 ed 1, che raggiunge ciascun generatore di calore (all’ingresso Ctrl) viene, dunque, integrato e salvato nello spazio di lavoro (vedi fig. 64).
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