Capitolo 3: Il comportamento estivo degli edifici

Capitolo 3: Il comportamento estivo degli edifici

3.1 L’IMPORTANZA DELLA VALUTAZIONE DEL DEGLI EDIFICI AI FINI DELL’

I cambiamenti climatici e le maggiori esigenze di comfort legate al più elevato tenore di vita, hanno reso la climatizzazione estiva degli edifici una delle esigenze energetiche più rilevanti che ormai caratterizzano il nostro Paese.

trascurabili anche sulla dimensione paesaggistica, fortemente compromessa da

di impianti che deturpano gli esterni dei palazzi, sia in periferia che in pregiati centri storici. Impianti di condizionamento e semplici ventilatori rendono il periodo estivo fortemente energivoro, determinando una cronica instabilità del sistem

quindi un pericoloso rischio black

condizionamento negli ultimi anni (9 milioni di impianti venduti tra il 2000 e il 2006) i consumi elettrici sono

kW i consumi elettrici

Figura 7: Proiezioni sul consumo nel settore civile in Italia per impieghi (elaborazione su dati del Ministero dello sviluppo economico, Ene

0 10 20 30 40 50 60 2005 M te p 42

Capitolo 3: Il comportamento estivo degli edifici

MPORTANZA DELLA VALUTAZIONE DEL COMPORTAMENTO ESTIVO AI FINI DELL’ EFFICIENZA ENERGETICA

I cambiamenti climatici e le maggiori esigenze di comfort legate al più elevato tenore di vita, hanno reso la climatizzazione estiva degli edifici una delle esigenze energetiche più rilevanti che ormai caratterizzano il nostro Paese. Fenomeno che ha riflessi non trascurabili anche sulla dimensione paesaggistica, fortemente compromessa da

di impianti che deturpano gli esterni dei palazzi, sia in periferia che in pregiati centri Impianti di condizionamento e semplici ventilatori rendono il periodo estivo fortemente energivoro, determinando una cronica instabilità del sistem

quindi un pericoloso rischio black-out. A causa della notevole diffusione del condizionamento negli ultimi anni (9 milioni di impianti venduti tra il 2000 e il 2006) i consumi elettrici sono notevolmente cresciuti. Considerando solo gli impian

elettrici hanno prodotto emissioni pari a 6 milioni di tonnellate di CO

: Proiezioni sul consumo nel settore civile in Italia per impieghi (elaborazione su dati del Ministero dello sviluppo economico, Enea, Istat e Terna)

2010 2015 2020 2030 riscaldamento acqua calda illuminazione aria condizionata applicazioni elettriche usi cucina

Capitolo 3: Il comportamento estivo degli edifici

COMPORTAMENTO ESTIVO

I cambiamenti climatici e le maggiori esigenze di comfort legate al più elevato tenore di vita, hanno reso la climatizzazione estiva degli edifici una delle esigenze energetiche Fenomeno che ha riflessi non trascurabili anche sulla dimensione paesaggistica, fortemente compromessa da migliaia di impianti che deturpano gli esterni dei palazzi, sia in periferia che in pregiati centri Impianti di condizionamento e semplici ventilatori rendono il periodo estivo fortemente energivoro, determinando una cronica instabilità del sistema energia, e A causa della notevole diffusione del condizionamento negli ultimi anni (9 milioni di impianti venduti tra il 2000 e il 2006) i cresciuti. Considerando solo gli impianti sotto i 7 hanno prodotto emissioni pari a 6 milioni di tonnellate di CO2.

: Proiezioni sul consumo nel settore civile in Italia per impieghi (elaborazione su dati del

riscaldamento acqua calda illuminazione aria condizionata applicazioni elettriche usi cucina

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La domanda di punta estiva è aumentata tanto da superare quella invernale. Il 27 giugno del 2007 ad esempio, sono stati toccati 55.619 MW, 80 MW in più rispetto al record dell’inverno precedente. E’ quindi chiaro che lo sviluppo di nuove tecnologie di controllo dei parametri climatici, nonché il miglioramento delle modalità applicative delle tecniche esistenti, per esempio attraverso l’integrazione con meccanismi passivi di raffrescamento, sono sempre più aspetti chiave di una progettazione tesa a conciliare il conseguimento degli standard di comfort desiderati e l’ottenimento di una buona efficienza energetica. In questa prospettiva sarebbe opportuno che la considerazione dei consumi estivi venisse assunta all’interno del quadro di riferimento normativo e nelle metodologie e negli strumenti di calcolo del fabbisogno energetico di un edificio. Nonostante nella Direttiva Europea 2002/91/CE si faccia esplicito riferimento alla “crescente proliferazione degli impianti di condizionamento dell’aria nei paesi del sud dell’Europa” e conseguentemente si indichi che “dovrebbe essere accordata priorità alle strategie che contribuiscono a migliorare il rendimento termico degli edifici nel periodo estivo”, la normativa italiana fornisce solamente delle metodologie di calcolo per la stima della temperatura interna degli ambienti durante il periodo estivo, ma non prevede delle limitazioni ai consumi, come invece accade per il comportamento invernale. Solamente il più recente DLgs 311/2006 introduce per la prima volta delle indicazioni, seppur limitate, sul contenimento dei consumi energetici per la climatizzazione estiva. In attesa dei decreti attuativi del Dlgs 311, l’Allegato I di tale norma “Regime

transitorio per la prestazione energetica degli edifici” prevede che il progettista, “per

tutte le categorie di edifici, ad eccezione delle categorie E6 ed E8 (attività sportive e edifici industriali)”, operi al fine di limitare i fabbisogni energetici per la climatizzazione estiva e contenere la temperatura interna degli ambienti, nel caso di edifici di nuova costruzione e nel caso di ristrutturazione di edifici esistenti.

In particolare l’allegato in oggetto prescrive quanto segue:

• Che si valuti puntualmente e si documenti l’efficacia dei sistemi schermanti delle superfici vetrate, esterni o interni, tali da ridurre l’apporto di calore per irraggiamento solare;

• Che si verifichi, in tutte le zone climatiche (ad eccezione della zona F e per le località nelle quali il valore medio mensile dell’irradianza sul piano orizzontale,

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nel mese di massima insolazione estiva, Ims, sia maggiore o uguale a 290 W/m2) che il valore della massa superficiale Ms (esclusi gli intonaci) delle pareti opache verticali, orizzontali o inclinate, sia superiore a 230 Kg/m2;

• Che si utilizzino al meglio le condizioni ambientali esterne e le caratteristiche distributive degli spazi per favorire la ventilazione naturale dell’edificio. Nel caso il ricorso a tale ventilazione non sia efficace, si può prevedere l’impiego di ventilazione meccanica nel rispetto del comma 13, art. 5 del DPR 26 Agosto 1993, n.412 (Obbligo del recuperatore di calore per determinate portate e ore di funzionamento).

• Che gli schermi delle superfici vetrate siano esclusivamente esterni per tutte le residenze e per gli edifici con superficie inferiore a 1000 m2.

Gli effetti positivi che si ottengono con il rispetto dei valori di massa superficiale delle pareti opache previsti, possono essere raggiunti, in alternativa, con l’utilizzo di tecniche e materiali innovativi, che permettano di contenere le oscillazioni della temperatura degli ambienti in funzione dell’andamento dell’irraggiamento solare. In questo caso, deve essere prodotta un’adeguata documentazione e certificazione delle tecnologie e dei materiali che ne attesti l’equivalenza con le predette disposizioni.

L’attenzione da parte della maggior parte degli stati europei si è incentrata sulla riduzione dei consumi invernali, trascurando la verifica che le scelte tecnico-costruttive vantaggiose in periodo invernale siano efficaci in periodo estivo (sia sotto il profilo dei consumi energetici, sia sotto il profilo del comfort termico). La procedura di calcolo prevista per la verifica del fabbisogno energetico per il riscaldamento invernale contenuta nella norma UNI EN 832 conferisce un ruolo fondamentale alla trasmittanza termica dell’involucro, non tenendo in debito conto il contributo della massa termica e dell’inerzia nella riduzione dei consumi energetici. Questo approccio privilegia soluzioni tecniche di involucro leggere molto isolate, a scapito di soluzioni con resistenza termica magari inferiore ma dotate di elevata capacità termica, il cui effetto volano contribuisce non solo al comfort termico, ma può contribuire anche al contenimento dei consumi energetici (in particolare estivi). Nella UNI EN 832 la massa viene considerata per determinare il fattore di utilizzazione degli apporti di calore interni (guadagni dovuti alle sorgenti di energia interne e guadagni solari recepiti

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attraverso le superfici trasparenti dell’involucro) ma non viene debitamente computata in termini di controllo dei flussi di calore esterni all’involucro (riconducibili alle variazioni della temperatura dell’aria e dell’intensità di radiazione solare incidente sulle superfici opache).

Un sistema di certificazione energetica che non considera i consumi estivi, che fa riferimento a modalità di calcolo in regime stazionario basate solo sulla trasmittanza termica e trascuranti la massa e che non prevede verifiche di comfort termico appare uno strumento di certificazione poco adeguato rispetto al contesto climatico italiano. Per tenere in debito conto il ruolo della massa termica e per valutare i consumi energetici estivi occorre quindi fare riferimento a procedure di calcolo “in regime dinamico”, attraverso l’uso di adeguati strumenti informatici. Questa tesi ha tra gli obiettivi quello di illustrare e utilizzare alcuni metodi di calcolo oggi a disposizione dei tecnici europei per valutare in maniera adeguata il comportamento estivo degli edifici in regime dinamico, nell’ottica di un risparmio energetico che si possa apprezzare durante tutta la vita dell’edificio.

3.1.1 Il “regime dinamico”

Nelle condizioni naturali la temperatura dell’ambiente esterno varia durante la giornata, e questa variazione è spesso più sensibile nella stagione estiva che in quella invernale. Di conseguenza è errato, o quanto meno insufficiente, basare i ragionamenti in materia di isolamento esclusivamente sulla trasmittanza che parte dal presupposto di un teorico ma inesistente regime stazionario di trasmissione del calore. E’ necessario quindi estendere l’analisi termica delle strutture nelle ben più realistiche condizioni di dipendenza dalla variabile tempo. In quest’ottica, il comportamento termico di un edificio deve essere studiato limitatamente agli elementi opachi analizzando l’accoppiamento tra l’involucro edilizio e l’insieme delle strutture interne (orizzontamenti e parete verticali). La trattazione analitica del “regime dinamico” si riferisce alla risposta “passiva” dell’edificio all’azione variabile nel tempo del campo termico esterno (regime transitorio). Risposta passiva, cioè in assenza di impianto di climatizzazione, per sfruttare adeguatamente i benefici che il comportamento dell’involucro può portare in termini di benessere e comfort abitativo oltre che di risparmio energetico (è infatti fuorviante demandare interamente all’impianto il

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desiderato livello di comfort, oltre che irresponsabile nell’ottica di ottenimento di un significativo risparmio energetico).

In regime transitorio il solo parametro della conducibilità termica k di un materiale non è sufficiente a caratterizzarne in modo esaustivo il comportamento termico: è necessario assegnare anche il valore di un’altra grandezza che può essere, per esempio, il prodotto della densità
per il calore specifico _ , che rappresenta la capacità termica per unità

di volume  
· _  ⁄  o più spesso la diffusività termica  definita da:     ⁄ _{⁄ ). }

Nella letteratura tecnica e nella normativa difficilmente si trovano riportati i valori di : per esempio nella UNI 10351 si forniscono i valori della conducibilità termica, della densità e della permeabilità al vapore dei materiali edili ma non quelli della diffusività termica, e ciò è indicativo della scarsa considerazione con la quale ancora oggi sono tenuti i problemi relativi al regime termico non stazionario negli edifici.

Tuttavia per i materiali edili il calore specifico  varia poco e può ritenersi generalmente compreso (ad eccezione dei materiali plastici e del legno) tra 0.80 e 1.1 kJ/KgK, per cui il valore della diffusività termica  dipende essenzialmente dalla densità
e dalla conducibilità termica k. Per molti materiali l’aumento della densità è ben compensato dall’aumento di k per cui i valori di  sono contenuti in un campo molto ristretto; per esempio: 0.40÷0.55· 10 ⁄ per i laterizi, 0.30÷0.90· 10 _{⁄ per i calcestruzzi. }

La capacità termica di una parete di volume V e massa M=
V è data da: CV=M ·cp. Per i materiali edili, dato il ristretto campo di variabilità di cp, la capacità termica dipende essenzialmente da M: la capacità termica di una parete è tanto maggiore quanto più la parete è ‘pesante’. Assai significativa è la capacità termica per unità di superficie c; per una parete di spessore d risulta:  
· ·    · /.

Per chiarire il concetto di capacità termica, si consideri di fornire ad un corpo di capacità termica Mcp la potenza termica ; il corpo inizierà a a scaldarsi e la temperatura (T) al suo interno dipenderà in generale dal tempo () e dalla posizione. Si supponga, per semplicità, che la temperatura possa considerarsi uniformemente distribuita all’interno del corpo e sia dT l’incremento di temperatura subito dal corpo nell’intervallo di tempo d ;

47 per il bilancio energetico deve risultare:

   da cui

:

  

_

 .

Dall’espressione precedente risulta chiaro che, a parità di potenza termica fornita, la variazione di temperatura nell’unità di tempo subita dal corpo (dT/d) è tanto più piccola quanto più grande è la capacità termica (Mcp); si può allora dire, con linguaggio mutuato dalla dinamica, che la capacità termica misura l’inerzia termica di un corpo rispetto a variazioni temporali della temperatura.

Lo studio del comportamento termico degli edifici in condizioni non stazionarie viene sviluppato con tecniche analitiche diverse secondo il tipo di dipendenza dalla variabile temporale () delle funzioni di ingresso. Per esempio, in molti problemi, il dato di ingresso è rappresentato dal campo termico esterno Te variabile nel tempo Te=Te(. Più precisamente si possono distinguere due casi:

1. Le funzioni di ingresso presentano una dipendenza periodica dal tempo (regime termico periodico);

2. Le funzioni di ingresso dipendono dal tempo in modo comunque articolato. Nel primo caso la soluzione del problema può essere ottenuta con il metodo delle matrici e la trasformata di Fourier; mentre il secondo caso presenta maggiori difficoltà. Le procedure di calcolo che verranno analizzate e utilizzate nel caso studio (metodi semplificati della UNI EN 13792) contemplano entrambi i casi.

49 3.2 LA NORMA UNI EN ISO 13792:

CALCOLO DELLA TEMPERATURA ESTIVA DI UN LOCALE IN ASSENZA DI IMPIANTI DI CLIMATIZZAZIONE: METODI SEMPLIFICATI

3.2.1 1ntroduzione

Conoscere la temperatura interna di un locale nella stagione estiva è necessario per molti motivi, tra i quali:

a) definire le caratteristiche di un locale in fase progettuale, in modo da prevenire o limitare il surriscaldamento nella stagione calda;

b) valutare la necessità di installare un impianto di climatizzazione .

La temperatura interna è influenzata da molti parametri quali i dati climatici, le caratteristiche dell’involucro e delle strutture interne, la ventilazione e le sorgenti di calore interne. La temperatura interna di una stanza nella stagione calda può essere determinata usando dettagliati metodi di calcolo. La norma EN ISO 13791 fornisce le ipotesi e i criteri che devono essere seguiti per valutare le condizioni interne di un locale nella stagione estiva in assenza di impianti di climatizzazione. Tuttavia, per numerose applicazioni il metodo di calcolo basato sulla EN ISO 13791 risulta troppo dettagliato. Sono stati pertanto proposti dei metodi semplificati di calcolo. Ogni metodo di calcolo ha le proprie semplificazioni, ipotesi, invarianti, condizioni al contorno e campi di validità. Un metodo semplificato, inoltre, può essere implementato in vari modi. In generale le massime semplificazioni concesse del metodo di calcolo e dei dati di ingresso dipendono dal grado di accuratezza richiesto dei dati di uscita.

La norma EN ISO 13792 definisce il grado di accuratezza dei dati di uscita e le semplificazioni concesse dei dati di ingresso.

Nessun metodo in particolare è incluso nel testo base della normativa. Tuttavia, due metodi di calcolo sono descritti nell’appendice A della norma. Questi metodi sono basati sui processi di trasferimento termico semplificati che garantiscono il grado di

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accuratezza dei risultati e la semplificazione dei dati di ingresso richieste dalla norma stessa. L’uso di questi metodi semplificati non implica che altri metodi di calcolo siano esclusi dalla standardizzazione, e non ostacola futuri sviluppi in questo senso.

Il capitolo 6 infatti descrive i criteri che deve soddisfare qualsiasi metodo di calcolo basato su questa norma.

3.2.2 Ipotesi di base

Per gli scopi di questa norma le ipotesi di base assunte sono:

- il locale è lo spazio chiuso delimitato dagli elementi dell’involucro; - la temperatura dell’aria è uniforme nel locale;

- le varie superfici degli elementi dell’involucro sono isotermiche;

- le proprietà termofisiche dei materiali che compongono gli elementi dell’involucro sono costanti;

- la conduzione del calore attraverso ogni elemento dell’involucro è unidimensionale;

- intercapedini d’aria tra diversi elementi dell’involucro sono considerate come strati d’aria delimitati da due superfici isotermiche;

- la temperatura media radiante è calcolata come media pesata delle temperature radianti di ogni superficie interna;

- la temperatura operante è calcolata come media aritmetica della temperatura dell’aria interna e della temperatura media radiante;

- la distribuzione della radiazione solare sulle superfici interne della stanza è indipendente dal tempo;

- la distribuzione spaziale della componente radiante del flusso termico dovuto alle sorgenti interne è uniforme;

- la radiazione a onde lunghe e i fenomeni convettivi di ogni superficie interna sono valutati separatamente;

51

- le dimensioni di ogni componente sono misurate nel lato interno dell’elemento dell’involucro;

- gli effetti di eventuali ponti termici sul trasferimento di calore vengono trascurati;

3.2.3 Condizioni al contorno

Gli elementi di involucro si dividono in elementi esterni e interni.

Elementi esterni. Gli elementi esterni sono quelli che separano la stanza dall’ambiente esterno e dalle altre zone che hanno differenti condizioni termiche (sottotetto, terreno, scantinati, ecc..). Le condizioni al contorno consistono nei valori orari di:

- temperatura dell’aria esterna;

- intensità della radiazione solare per ogni orientamento; - temperatura radiante del cielo;

- temperatura dell’aria delle zone adiacenti che non possono essere considerate con le stesse condizioni della stanza considerata.

Per gli elementi in contatto col terreno la temperatura esterna è assunta come media mensile della temperatura dell’aria esterna.

Elementi interni. Gli elementi interni includono gli elementi (verticali e orizzontali) che

separano l’ambiente interno dalle altre stanze che possono essere considerate aventi le stesse condizioni termiche. Questi sono considerati adiabatici, cioè i valori delle seguenti grandezze sono considerati gli stessi su tutti lati dell’elemento:

- temperatura dell’aria; - temperatura media radiante;

52

Coefficienti di scambio termico. Per gli scopi di questa norma possono essere usati i

seguenti valori :

- coefficiente convettivo interno di scambio termico hci W m K

2 / 5 , 2 =

- coefficiente radioattivo interno di scambio termico dovuto alle onde lunghe

K m W h_ri =5,5 / 2

- coefficiente convettivo esterno di scambio termico hce W m K

2 / 0 , 8 =

- coefficiente radioattivo esterno di scambio termico dovuto alle onde lunghe

K m W h_re =5,5 / 2

- coefficiente superficiale interno di scambio termico

K m W h h hi ci ri 2 / 0 , 8 = + =

- coefficiente superficiale esterno di scambio termico

K m W h h h_e = _ce + _re =13,5 / 2

3.2.4 Parametri termofisici e geometrici dell’involucro

Elementi opachi

Per ogni elemento sono richiesti i seguenti dati:

- area calcolata usando le dimensioni interne; - trasmittanza termica estiva (U*);

- caratteristiche di inerzia termica (vedi EN ISO 13786);

53 La trasmittanza termica estiva, U*, è data da:

e i h h U U 1 1 17 , 0 1 1 * + + − = (1) Dove:

U è la trasmittanza termica convenzionale con le resistenze superficiali definite più avanti;

0,17 è la somma delle resistenze liminari convenzionali interne e esterne definite nella EN ISO 6946;

La trasmittanza termica, U, può essere determinata per:

- elementi in contatto con l’aria esterna: EN ISO 6946; - elementi in contatto con il terreno: EN ISO 13370.

Le caratteristiche di inerzia termica possono essere determinate seguendo la EN ISO 13786.

Il fattore solare (che differisce dal fattore correttivo di schermatura, definito nella ISO 13790, che include la radiazione solare diffusa), è dato da:

A A

fs = s (2)

dove

As è l’area della parte irraggiata dell’elemento; A è l’area totale dell’elemento.

- La trasmittanza solare, g, è la quota del flusso termico attraverso l’elemento dovuto alla radiazione solare assorbita, sulla radiazione solare incidente totale.

54

E’ descritta analiticamente nella normativa per elementi senza cavità aperte o chiuse e per elementi con cavità aperte (con aria esterna).

In assenza di valori attuali misurati, l’assorbimento diretto solare della superficie esterna può essere ricavato dalla tabella 2 in funzione del proprio colore:

Tab. 22: Assorbimento diretto solare della

superficie esterna

COLORE CHIARO COLORE MEDIO COLORE SCURO

α

0,3

0,6

0,9

Elementi vetrati

Per ogni elemento vetrato sono richiesti i seguenti dati:

- area calcolata includendo il telaio; - trasmittanza termica estiva (U*);

- trasmittanza solare totale (g) (

τ

nella EN410)

- guadagno termico solare secondario (qi) per convezione e per irraggiamento da onde lunghe dovuto alla radiazione solare assorbita;

- fattore di scambio termico terziario (Sf3) della vetratura, dovuto alla radiazione solare assorbita;

- fattore solare dovuto alle ostruzioni esterne fs (la procedura per valutare tale fattore potrà essere definita in sede di normativa nazionale, in assenza della quale può essere usata la procedura suggerita nell’allegato C della presente norma).

La trasmittanza termica estiva, U*, è data dall’equazione (1).

55

La trasmittanza solare diretta (

τ

), e i fattori di scambio termico secondario e terziario 2

f

S e S_f3 sono determinati con la EN 13363-1.

a) Fattore sole-aria

Il fattore sole-aria, f_sa, è la frazione del calore solare entrante nella stanza attraverso il vetro che è immediatamente trasferito all’aria interna.Questa frazione dipende dalla presenza di elementi interni con molto bassa capacità termica, come tappeti e arredi. Viene assunto come indipendente dal tempo e, a meno di ulteriori specificazioni, definito dall’allegato G della EN ISO 13791:2004.

b) Fattore di perdita solare

Il fattore di perdita solare, f_sl, è la frazione di radiazione solare entrante nella stanza che viene riflessa all’esterno. Questa dipende dalla posizione del sole, dalle proprietà del sole, da dimensione ed esposizione del sistema vetrato, dalla geometria della stanza e dalla riflettività delle superfici interne della stanza. Viene assunto come indipendente dal tempo. A meno di ulteriori specificazioni, i valori di tale fattore sono descritti nell’allegato G della EN ISO 13791:2004.

Elementi speciali

a) Sottotetti

L’elemento formato dal soffitto, dall’aria e dalla copertura è considerato come un singolo elemento orizzontale con flusso termico unidimensionale. L’aria viene considerata come cavità areata, secondo la EN ISO 6946.

56 b) Solaio su terreno

L’elemento formato dal solaio e dal terreno è considerato come un singolo elemento orizzontale, che può includere uno strato d’aria. Il flusso termico attraverso l’elemento è la somma di un valore medio mensile e di un termine variabile. Il valore medio mensile è calcolato usando le temperature medie interne e esterne, e (considerata costante e uguale al valore medio mensile) la trasmittanza termica determinato secondo la EN ISO 13370. Il termine variabile è calcolato assumendo la differenza media di temperatura pari a zero. Lo spessore del terreno viene assunto pari a 0,5m.

c) Cantina

L’elemento ‘cantina’ può essere considerato come un locale adiacente a temperatura fissata.

d) Scannafosso

Lo scannafosso viene considerato come solaio su terreno seguendo la EN ISO 13370.

3.2.5.Ricambi d’aria

Il numero di ricambi d’aria orari dipende dallo spessore dell’involucro e dall’apertura di porte e finestre. In fase progettuale il numero di ricambi d’aria orari è espresso come funzione di:

- posizione geografica dell’edificio; - tipo di ventilazione;

57 La posizione può essere una tra:

- centro città; - area suburbana; - spazio aperto.

Il tipo di ventilazione è relativo al programma giornaliero delle aperture e chiusure delle finestre e al fatto che le finestre stesse sono dislocate su una o più facciate. Possono essere considerati i seguenti programmi giornalieri delle aperture:

- finestre aperte giorno e notte; - finestre chiuse giorno e notte;

- finestre chiuse durante il giorno e aperte durante la notte.

Nota: Ulteriori programmi giornalieri di apertura e chiusura delle finestre possono essere definiti a livello normativo nazionale. L’allegato B di questa norma fornisce alcuni esempi appropriati .

3.2.6 Sorgenti interne

Delle sorgenti interne fanno parte apparecchi d’illuminazione, elettrodomestici, apparecchi elettrici e gli occupanti. Il tipo di flusso termico dovuto alle sorgenti interne dipende dalle abitudini degli occupanti e dal tipo di utilizzo del locale.

Nota: Dati relativi alle sorgenti interne possono essere definiti a livello normativo nazionale. L’allegato D di questa norma fornisce alcuni esempi appropriati .

58

3.2.7 Risultati

I risultati del calcolo sono i valori minimo, medio e massimo giornalieri della temperatura operante del locale considerato sotto condizioni esterne e interne fissate.

3.2.8 Procedura di calcolo

La procedura di calcolo è basata sui seguenti passi (step):

a) definizione dei dati climatici della località;

b) definizione della stanza di cui è richiesto il controllo;

c) definizione degli elementi dell’involucro che racchiudono il locale (area, esposizione, condizioni al contorno);

d) calcolo dei parametri termofisici (in stato permanente e variabile) e della trasmittanza solare di elementi opachi e trasparenti;

e) definizione del tipo di ventilazione; f) definizione delle sorgenti interne;

g) valutazione dei valori minimo, medio e massimo giornalieri della temperatura operante.

Il livello di accuratezza della procedura di calcolo utilizzata può essere verificato usando la procedura di validazione descritta nel capitolo 6 della norma, permettendo di classificare il metodo di calcolo in tre classi di accuratezza (1, 2 e 3).

L’allegato A della EN ISO 13792 fornisce due esempi di metodologia semplificata di calcolo per la determinazione della temperatura di una stanza in base al tipo di dati di ingresso definiti nella norma stessa.

I metodi di calcolo sono basati sulle rappresentazioni seguenti del processo di trasferimento del calore:

a) una rete di resistenze e capacità (modello RC “dei 3 nodi”) del trasferimento termico tra ambiente interno ed esterno;

b) separazione tra contributo statico e contributo variabile descritta da parametri armonici prefissati di scambio termico (modello dell’ammetenza).

59

LA NORMA UNI 13792: IL MODELLO RC “DEI 3 NODI”

Il metodo di calcolo è basato sulla modellazione del trasferimento termico tra ambiente interno ed esterno riportata nella Fig. 9.

Figura 9: Schema del modello RC dei 3 nodi

In base a tale modello i componenti l’involucro possono essere distinti tra:

- componenti esterni leggeri opachi; - componenti esterni pesanti opachi; - componenti vetrati;

- componenti interni.

I nodi rilevanti sono definiti relativamente a:

i a,

θ temperatura dell’aria interna;

s

θ

temperatura star;

m

60

ei

θ

temperatura dell’aria esterna;

es

θ

θ

em temperatura esterna equivalente dell’aria e dei componenti esterni.

Le resistenze equivalenti (K/W) e le capacità termiche (J/K) tra ambiente interno ed esterno sono:

ei

R resistenza termica dovuta alla ventilazione;

es

R R_em resistenza termica dei componenti esterni tra esterno e interno;

is

R Rms resistenza termica dovuta agli scambi termici tra superfici interne e aria

interna;

m

C capacità termica degli elementi dell’involucro.

I flussi termici (W) considerati sono:

i

Φ flusso termico verso il nodo

θ

i s

Φ flusso termico verso il nodo

θ

s m

Φ flusso termico verso il nodo

θ

_m

3.3.1 Determinazione delle temperature dell’aria e di quella operante

Il modello risolutivo è basato sullo schema di Crank-Nicolson, che considera step orari di un ora.Le temperature sono la media tra il tempo t e quello t-1 ad eccezione di Φ_m,t e

1 , −

61

Per uno step fissato, Φm,t è calcolato a partire dal valore precedente Φm, −t 1 secondo la:

(

)

(

)

      + +             Φ + + − = − em m mtot em m t m t m H H C H H C 3 3 1 , , 5 , 0 3600 5 , 0 3600

θ

θ

(A.1)

Per lo step considerato, i valori medi delle temperature nodali sono dati dalle:

(

)

2 1 , , + − = mt mt m θ θ θ (A.2)

(

)

[

]

(

1

)

1 H H H H H H H es ms ei i ei es es s m ms s + + Φ + + + Φ + =

θ

θ

θ

θ

(A.3)

[

]

(

is ei

)

i ei ei is is i H H H H + Φ + + =

θ

θ

θ

(A.4)

E la temperatura operante (media tra l’aria e la temperatura media radiante) risulta:

(

)

[

]

2 1 _{ci rs s ci i rs} i op h h h h

θ

θ

θ

θ

= + + − (A.5) con ri rs h h =1,2

(

Hei His

)

H₁ =1 1 +1 es H H H₂ = ₁+

(

H Hms

)

H₃ =1 1 ₂ +1

62

(

)

[

₁

]

₂ 3 H H H / H H H_{em em s es es i ei ei} m mtot =Φ +

θ

+ Φ +

θ

+ Φ +

θ

Φ dove ei

H è il coefficiente di scambio termico dovuto alla ventilazione (equazione A.6);

is

H è il coefficiente di scambio termico dovuto agli scambi interni per convezione e irraggiamento (equazione A.7);

es

H è il coefficiente globale di scambio termico tra ambiente interno ed esterno (equazione A.8);

ms

H è il coefficiente interno convenzionale di scambio termico (equazione A.9);

em

H è il coefficiente interno convenzionale di scambio termico tra ambiente esterno e superfici interne dei componenti pesanti (equazione A.10);

m

C è la capacità termica dell’involucro (equazione A.11);

es

θ

è la temperatura equivalente dell’aria esterna dei componenti leggeri (equazione A.13);

em

θ

è la temperatura equivalente dell’aria esterna dei componenti pesanti (equazione A.14);

i

Φ è il flusso termico al nodo aria dovuto alle sorgenti interne o alla radiazione solare diretta o ad aumenti termici derivanti da camere d’aria (equazione A.21);

s

Φ è il flusso termico al nodo star dovuto alle sorgenti interne o alla radiazione solare diretta (equazione A.22);

m

Φ è il flusso termico al nodo massa dovuto alle sorgenti interne o alla radiazione solare diretta (equazione A.23).

Il calcolo deve essere ripetuto finchè la convergenza sulla temperatura interna non viene ottenuta. La convergenza ha luogo se la differenza tra le temperature orarieθ_m,24h di due cicli conseguenti è meno di 0,01°C.

I termini delle equazioni A.1, A.2, A.3, A.4, A.5 sono descritti analiticamente nell’esempio presente in normativa.

63

3.4 LA NORMA UNI 13792: IL METODO DELLE AMMETTENZE

3.4.1 Parametri termofisici degli elementi dell’involucro

I parametri di trasmissione termica degli elementi necessari al calcolo sono :

- per i muri esterni:

o trasmittanza termica !"

o fattore di attenuazione #_$ e sfasamento ϕ della densità di flusso termico dovuto alle superfici interne risultante da una variazione armonica della temperatura sulla superficie esterna

o fattore di superficie #_% o ammettenza &_'

- per i muri interni:

o fattore di superficie #_% o ammettenza &₍

I parametri di trasmissione solare necessari al calcolo sono:

- per i componenti opachi: o fattore solare )_*

o fattore solare dovuto alle ostruzioni esterne +_%

- per i componenti trasparenti:

o trasmittanza solare diretta )*, -.//0 12 410

o fattore secondario di trasferimento termico verso l’interno )_* o fattore terziario di trasferimento termico )_*

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I parametri transitori dei componenti opachi sono determinati dai 4 elementi della matrice di trasferimento Z determinati seguendo la EN ISO 13786 per un periodo temporale di 24 h, utilizzando i seguenti valori di resistenze termiche:

- per i componenti esterni:

o superficie interna 4_%(  0,22  /7 o superficie esterna 4%'  0,075  /7 - per i componenti interni:

o superficie ‘interna’ 4%(  0,22  /7 o superficie ‘esterna’ 4%( 0,22  /7

Nota: i valori descritti si riferiscono ad un locale con due muri esterni ed un tetto. Questa geometria è assunta come riferimento per il calcolo dei parametri transitori.

La normativa descrive inoltre le procedure per la determinazione dei parametri transitori, richiesti dal metodo di calcolo :, #_%, &_', &₍.

3.4.2 Determinazione della temperatura dell’aria interna

La temperatura dell’aria interna nell’istante t viene determinata con l’espressione:

;$(,<  =,<> &? @ · ;$(,A &>  · < Dove:

= è il carico termico del locale (espresso in W); & è l’ammettenza totale dell’involucro , in W/K;

@ è il fattore di trasmissione totale dell’involucro, in W/K ; ;$(,A è il valore medio giornaliero della temperatura interna, in °C ;  è il calore specifico dell’aria di ventilazione ( 1000 J/Kg) ; è il flusso d’aria, in Kg/s .

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Il carico termico totale del locale è ottenuto come somma corretta dei contributi termici dovuti alla trasmissione termica attraverso le pareti dell’involucro e alla trasmissione solare, oltre che del carico termico dovuto alla ventilazione, alle sorgenti interne e alla ventilazione da radiazione solare attraverso gli elementi vetrati.

La norma descrive dettagliatamente le espressioni delle grandezze sopra riportate.

3.4.3 Determinazione della temperatura media radiante

Il valore della temperatura media radiante, pesata su tutte le superfici interne (valore orario), è descritta dall’espressione:

θ

_BC,D

₌

∑ AG

H

I ·JKG·θL,MNO·BM·PθL,MθLQ,MR=GS,M=ST,M

∑ AHI G·JKG

Dove:

- è il numero di componenti l’involucro ; U è l’area di ogni componente ;

VW( è il coefficiente di trasferimento termico convettivo ; ;$,< è la temperatura media dell’aria interna oraria ; ;$',< è la temperatura media dell’aria esterna oraria ; =(%,< è il flusso termico dovuto alle sorgenti interne ;

=%X,< è il flusso termico dovuto alla ventilazione da radiazione solare attraverso gli elementi vetrati.

3.4.4 Determinazione della temperatura operante

Infine, la procedura di calcolo consente di determinare la temperatura media operante oraria, come media tra la temperatura dell’aria interna e di quella superficiale media, con l’espressione:

;Y,<  ;$,<> ;AY,< 2