PROGETTO DI RIQUALIFICAZIONE ENERGETICA DELLA SEDE
CENTRALE DEL WWF A ROMA
La Sede Centrale del WWF Italia si trova nella zona centrale di Roma, in via Po, n° 25. Questo edificio, costruito agli inizi del secolo scorso, è destinato agli uffici del WWF ed è composto da sette piani, uno in parte interrato, e un sottotetto. Vi è inoltre un piccolo giardino esterno.
Come effettuato nel caso degli edifici dell’oasi della Laguna di Orbetello, la diagnosi degli edifici prende avvio dal calcolo del fabbisogno di energia primaria per riscaldamento e per produzione di acqua calda sanitaria nella stagione di riscaldamento, secondo la normativa vigente (Appendice A).
Tale calcolo è stato effettuato con il software di calcolo BESTClass [33] sviluppato dall’ente di certificazione energetica Sacert in collaborazione con il Politecnico di Milano. Tale procedura di calcolo si basa moltissimo sui dati desunti dalle Raccomandazioni CTI 3/03 [39]. Come si vede più avanti, sono state però fatte adeguate correzioni ai dati dell’edificio assunti dal programma, per renderlo maggiormente veritiero e corretto.
1. Raccolta dati e descrizione del sistema edificio-impianto
Dati generali e climatici del sito:
Il luogo appartiene alla zona climatica D: i gradi giorno (GG) sono pari a 1415. L’edificio appartiene alla categoria E2 , (edifici adibiti ad uffici ed assimilabili).
Il periodo di riscaldamento va dal 1 novembre al 15 Aprile, ovvero consiste di 166 giorni. La temperatura esterna media nel periodo di riscaldamento è di 9,4 °C.
La temperatura interna di progetto è assunta pari a 20°C.
I dati solari e climatici ricavati dalla norma UNI 10349 si trovano nell’appendice D nel caso studio 1.
Dati caratteristici dell’occupazione dell’edificio
Tabella 1-1 : Prospetto della caratteristica occupazionale dell’edificio
Mese Giorni mensili di occupazione
Gennaio 10 Febbraio 20 Marzo 22 Aprile 18 Maggio 22 Giugno 22 Luglio 22 Agosto 10 Settembre 22 Ottobre 22 Novembre 20 Dicembre 10
Totale giorni nella stagione di riscaldamento 91
Totale annuo 220
Il numero di persone presenti in media nell’edificio sono 105.
L’edificio è aperto dal lunedì al venerdì compresi, dalle 7 del mattino alle 20 di sera, tutto l’anno eccetto un periodo di chiusura estivo di 20 giorni in agosto.
L’impianto di riscaldamento viene acceso nei giorni freddi per circa 10-12 ore, ma in generale rimane spesso spento. Si ha quindi riscaldamento intermittente con interruzione notturna. Il numero totale teorico di ore di accensione nel periodo di riscaldamento è di 910.
Acquisizione dei dati storici di spesa di energia primaria
In questa fase ho riscontrato molte difficoltà nel reperire i dati di spesa elettrica, perché è stato fatto recentemente un cambio di fornitore (da ACEA a ENEL) e perché viene attribuita una spesa fissa elettrica in bolletta che non corrisponde al reale fabbisogno; il conguaglio inoltre non è ancora pervenuto. Per questo ho cercato di stimare in base agli apparecchi elettrici presenti, il consumo mensile medio, come si dice più avanti.
Riporto comunque i dati ricevuti:
Tabella 1-2 : Prospetto dati di consumo di energia elettrica e di combustibile Spesa di energia elettrica Spesa per periodo
(kWh/periodo)
Spesa mensile media stimata (kWh/periodo)
06/2004-06/2005 192150 14780
05/2004-03/2006 326860 14968
2007 Non si sa 12980
Spesa media annuale e mensile
Spesa di gas naturale
Consumo stagionale
(m3/stagione)
Consumo medio mensile (m3/mese)
2005 7480 Variabile
2006 11748 -
2007 8236 -
Spesa media stagionale 9154 -
Quindi il fabbisogno di energia primaria annuale è il seguente, con le seguenti ipotesi: ho attribuito tutta la spesa per riscaldamento all’anno successivo, ovvero la spesa del 2007 comprende anche i mesi novembre e dicembre 2006; ho inoltre fatto un calcolo medio dell’energia elettrica negli anni, per il 2007 fino a fine anno.
Tabella 1-3 : Fabbisogno di energia primaria totale Fabbisogno medio di energia primaria per energia elettrica Fabbisogno di energia primaria per riscaldamento Fabbisogno di energia primaria totale
(MJ/anno) (MJ/anno) (MJ/anno)
2005 1799856 271788 2971644
2006 1799856 387684 2187540
2007 1557475 246840 1804315
Analisi dei consumi elettrici garantiti
Poiché i dati del consumo elettrico sono poco precisi e viene imputata una spesa energetica costante mensilmente, allora si è provato a stabilire una quota di consumo di base per l’alimentazione dei computers presenti e per gli apparecchi di illuminazione.
Le ipotesi fatte sono basate sui dati di potenza installata forniti dal WWF riguardo gli apparecchi illuminanti e i PC presenti: la potenza installata totale per illuminazione è globalmente, dai dati forniti, pari a circa 9700 W. Invece la potenza installata ad uso computer, assumendo 150 W di potenza installata per computer e 119 postazioni (di cui in uso al massimo 105 e al massimo per 10 ore giornaliere), è di circa 17850 W. La potenza installata per condizionare i locali ammonta invece a 52,8 kW, ma è attribuibile soltanto al periodo estivo e non rientra nel periodo di riscaldamento.
Quindi, in base ai dati di occupazione prima riportati si ha la seguente spesa elettrica annua.
Tabella 1-4 : Prospetto della spesa elettrica per illuminazione e alimentazione PC mese Giorni lavorativi mensili Spesa massima per illuminazione mensile Ore illuminazione giornaliera Spesa per alimentazione PC Spesa totale elettrica minima garantita
kWh/mese kWh/mese kWh/mese
1 10 985,5 10 1575 2560,5 2 20 1971 10 3150 5121 3 22 2168,1 10 3465 5633,1 4 18 1419,12 8 2835 4254,12 5 22 1084,05 5 3465 4549,05 6 22 1084,05 5 3465 4549,05 7 22 1084,05 5 3465 4549,05 8 10 492,75 5 1575 2067,75 9 22 1084,05 5 3465 4549,05 10 22 1734,48 8 3465 5199,48 11 20 1971 10 3150 5121 12 10 985,5 10 1575 2560,5
Come si nota, siamo lontani dall’effettivo consumo mensile riportato in bolletta elettrica, sia perché mancano molte voci di spesa elettrica, sia perché la bolletta è calcolata non sulla base dei reali consumi, bensì su una stima (infatti risulta una spesa costante di energia elettrica).
Ad ogni modo è opportuno che l’impianto fotovoltaico che verrà progettato fornisca la quota di energia mensile costantemente spesa, ovvero la base. Ciò che viene eventualmente prodotto in più dall’impianto, è probabile che in alcuni mesi non venga utilizzato dall’edificio, e andrebbe quindi venduto. Come vedremo ciò non accadrà, data la disponibilità di area di installazione dei collettori e la producibilità dell’impianto.
Acquisizione dei dati dimensionali rilevanti ai fini del calcolo del fabbisogno energetico dell’edificio
I principali dati dimensionali dell’edificio, necessari per una corretta valutazione dei flussi energetici in ingresso e in uscita dall’edificio sono i seguenti:
- L’altezza complessiva dello stabile è di circa 26 m.
- Lo stabile è totalmente riscaldato (vano scale incluso), eccetto che il locale della centrale termica e dei quadri elettrici situati nel sotterraneo, e i locali ovest del superattico, in cui sono ubicati delle cisterne di acqua e il boiler elettrico per l’ACS.
- La superficie totale lorda riscaldata è di 2235 m2 (come si ricava dalla tabella 0-1) e lo spessore medio delle pareti esterne è di 47 cm; quindi, secondo la tabella A-1 dell’appendice A, la superficie utile riscaldata è di 1861 m2.
- Il volume lordo dell’ambiente riscaldato 7951 m3; il volume netto utile riscaldato è di 5565 m3
- La superficie totale del tetto è di 375 m2, mentre la superficie disperdente del tetto verso l’esterno è di 350 m2 (bisogna considerare che una parte del soffitto dell’attico disperde verso i locali non riscaldati del superattico)
-La superficie totale del pavimento è di 410 m2, conteggiata come la superficie totale in pianta del sotterraneo, mentre la superficie disperdente del basamento verso il terreno esclude la quota in pianta dei locali non riscaldati e quindi misura 346 m2.
-La superficie laterale disperdente si ottiene dal perimetro in pianta dei vari piani e dall’altezza dei vari piani. Per quanto riguarda il piano sotterraneo, la superficie laterale disperdente totale è di 317 m2. Di questa, la quota disperdente verso il terreno (ovvero la zona interrata) è di 184 m2, la quota disperdente verso i locali non riscaldati è di 54 m2; inoltre vi è una quota di superficie laterale che scambia con l’ambiente esterno che misura 79 m2. Inoltre una quota pari a 64 m2 del pavimento del piano terra confina con i due locali non riscaldati del sotterraneo (c.t. e sala quadri). La superficie disperdente laterale totale è di 2262 m2 (si può ricavare dalla tabella sotto).
-La superficie disperdente totale che divide l’ambiente riscaldato dall’esterno (laterale, del tetto e del pavimento) e di 3047 m2
-Rapportando la superficie totale disperdente e il volume lordo riscaldato si ottiene il rapporto di forma (S/V) pari a 0,38 m-1
Tabella 1-5: Prospetto dati dimensionali delle pareti opache Slorda (m2) Spessore pareti esterne (m) Sutile (m2) Altezza piani riscaldati (m) Perimetro che divide spazio riscaldato e non. (m) Superficie laterale disperdente (m2) Piano sotterraneo 408,5-64 =344 0,75 286 3 105 317 Piano terra 390 0,6 308 3,4 100 340 Primo piano 354 0,6 280 3,9 101,8 397 Secondo piano 386 0,35 332 3,7 103,2 382 Terzo piano 386 0,35 332 3,7 103,2 382 Piano attico 340 0,3 300 3,7 99 366 Piano superattico 35 Media 0,2 32 2,8 28 78 Totale 2235 0,47 1861 24,2 2262
Tabella 1-6: Prospetto dato dimensionale delle pareti finestrate Piano sotterran eo Piano terra Primo piano Second o piano Terzo piano Piano attico Piano superatti co Superfici vetrate totali m2 m2 m2 m2 m2 m2 m2 SW 8 6,12 16,8 17,3 17,3 16,4 1,32 84 NW 5 11,9 17,56 19 19 25,4 1,32 99,3 NE 1,5 12,24 19,2 23,31 23,31 24,3 0,5 104,36 SE 0 11 14 28,3 28,3 21,6 1 104 Porte 5,5 15 0 0 0 0 0 Numero finestre 3 21 24 26 26 14 4 118 Numero portefinestr e 1 0 2 3 3 11 0 20 Totale 19,25 56,25 67,56 88 88 88 4,14
2. Calcolo del fabbisogno di energia primaria dell’edificio
Riporto in questo paragrafo gli ulteriori dati di ingresso per il calcolo del fabbisogno di energia primaria dell’edificio e i risultati della procedura adottata dal programma BESTClass. In coda inoltre vengono fatte alcune correzioni ad esso e vengono quindi forniti i valori finali e definitivi delle prestazioni energetiche dell’edificio.
Calcolo della trasmittanza delle pareti opache e delle porte
Il programma di calcolo si basa, nel valutare la trasmittanza delle pareti esterne, sui prospetti dati dalle Raccomandazioni CTI [39]. Invece per quanto riguarda le porte e i sottofinestra sono state fatte delle stime da me, perché non vi sono nella procedura del programma dei valori consigliati. Inoltre per tener conto dei ponti termici, in questa struttura non isolata, sono state maggiorati i valori di trasmittanza del 5% e del 10%, in base alle percentuali riportate in appendice A.
Quindi riporto un prospetto dei valori utilizzati per il calcolo.
Tabella 2-1: Prospetto dei valori di superficie e trasmittanza delle pareti esterne verso l’ambiente esterno Tipologia della parete esterna Superficie (m2) Dettagli Trasmittanza (W/m2K) Muratura in mattoni pieni intonacata sulle due facce
1195 Propria dei piani terra, primo, secondo e parte del sotterraneo. Spessore medio 48 cm. 0,9 incrementata del 5%= 0,94 Parete a cassa vuota di mattoni forati
334 Propria dei piani attico e superattico. Spessore medio 25 cm. 1,2 incrementata del 10%= 1,32 Cassonetti non isolati 66 La superficie è ottenuta
assumendo come dimensioni 1,2x0,4 mq. Le finestre che hanno i cassonetti sono tutte (come riferito) 138. 6 Sottofinestra (vano per alloggiare il corpo scaldante) 59 La superficie è ottenuta
assumendo come dimensioni medie del sottofinestra 1x1 m2. Ho ipotizzato che la metà delle finestre abbia il sottofinestra.
1,54 (spessore pareti di 25 cm)
Porte d’ingresso 20,5 Sono tutte situate al piano terra e sono di diversa tipologia: portefinestre in metallo (ma non tanto vetrate da esser considerate finestre) e in legno.
1,8 (per porte di legno) 3 (per porte legno vetro) 2 (per porta metallo/vetro) 5,8 (per porta in metallo).
Tabella 2-2: Prospetto dei valori di superficie e trasmittanza delle pareti esterne verso gli ambienti non riscaldati
Tipologia della parete
Superficie (m2) Ambiente confinante Trasmittanza (W/m2K) Muratura di mattoni
forati (sup.
pavimento sotto il piano terra)
64 Centrale termica e sala
quadri. Fattore correttivo (b) = 0,5
0,8 (corrispondente a pareti di 30 cm)
Muratura di mattoni forati (sup. laterale del sotterraneo)
54 Centrale termica e sala
quadri. Fattore correttivo (b) = 0,5
0,8 (corrispondente a pareti di 30 cm) Muratura di mattoni
forati (sup. del soffitto dell’attico)
25 Locali del superattico.
Fattore correttivo (b) = 0,5 0,93 (corrispondente a pareti di spessore 25 cm) Muratura di mattoni pieni
184 Terreno. Fattore correttivo (b) = 0,45
0,7 (corrispondente a pareti di spessore 75 cm)
Copertura:
Soletta piana non coibentata in laterocemento di superficie 350 m2, di spessore 30 cm e di trasmittanza pari a 1,06 W/m2K
Basamento:
Nella realtà il basamento ha una struttura a doppio igloo che giace sul tufo sottostante. Ho però scelto tra le proposte del programma quella di soletta in laterocemento su vespaio o pilotis di spessore 35 cm, con trasmittanza di 1,06 W/m2K. La superficie è di 346 m2. Fattore correttivo (b) = 0,85.
Superfici finestrate:
La tipologia di finestre è a vetro doppio (6-8-6), a taglio termico, con orientamento e superfici già specificate in precedenza. La trasmittanza è di 3,3 W/m2K e la superficie totale (di finestre e portefinestre) è di 392 m2.
Coefficiente di trasmissione per ventilazione
Poiché i serramenti sono certificati a tenuta d’aria, allora la procedura del programma Best prevede un numero di ricambi d’aria pari a 0,3 h-1.
La procedura del programma di calcolo assume come valore di apporti termici interni dovuti alla presenza di apparecchiature elettriche e a persone, per uffici, un valore di 6 W/m2. Questo è il valore riportato dalla UNI EN ISO 13790.
Invece per gli apporti solari assume dei valori fissi dei fattori di tendaggio, di telaio e di ombreggiamento esterno (vedi appendice A per tali definizioni), che successivamente verranno messi in discussione.
Riporto quindi i risultati del calcolo, con l’interfaccia grafica del programma: Tabella 2-3 : Rendimenti dei sistemi di riscaldamento e di produzione di ACS
Tabella 2-4 : Fabbisogno di energia primaria dell’edificio calcolato dal programma BESTClass
Qm Qf Qv Qs Qi Qtr QACS Fabbisogno di
energia primaria totale
kWh/stagione kWh/stagione m2
108115 50377 22145 29280 44477 57,74 21,45 109
Figura 2-1 : Interfaccia grafica del programma BESTClass : dati generali
Rendimenti del sistema di riscaldamento Rendimento del sistema di produzione di ACS
ηr ηe ηd ηpr ηwer ηwd ηwpr
Figura 2-2 : Interfaccia grafica del programma BESTClass : calcolo dispersioni dell’involucro
Approssimazioni e correzioni del calcolo effettuato dal programma BESTClass
Ci sono varie approssimazioni nel calcolo adottato dal programma BESTClass:
1) La stagione di riscaldamento viene considerata come continuativamente occupata. Continuerò ad adottare tale ipotesi, anche se non corrisponde perfettamente al vero, dati i periodi di interruzione, cosicchè i valori di fabbisogno energetico trovati saranno
confrontabili con i valori della normativa.
2) Per le superfici finestrate, viene assunto come coefficiente di correzione dovuto all’ombreggiamento 0,9 o 0,3, se l’aggetto è maggiore di 50 cm. Come fattore di correzione per tendaggi viene assunto 0,6. Come fattore di telaio 0,7. Come coefficiente di trasmissione totale dell’energia solare per vetro doppio 6-8-6 un valore di 0,64.
Per quest’ultimo sono d’accordo. Per gli altri bisogna fare delle considerazioni. Infatti ho in media un fattore di telaio pari a :
Ft =0,35x2x1,7m2/(2x1,1 m2) = 0,54 per la tipologia di finestre della facciata ovest Ft =1,15x1,05 m2/(1,3x1,4 m2) = 0,66 per la tipologia di finestre delle altre facciate Per tutte le porte finestre il fattore di telaio è maggiore di 0,7.
Lascerò quindi in media Ft = 0,7.
Per quanto riguarda il fattore di tendaggio, l’ho assunto pari a 0,85 perché nella maggior parte dei casi non vi sono tende interne; in alcune finestre vi sono tendaggi interni bianchi, per cui il fattore è variabile a seconda della trasmissione ottica del tendaggio. Ho assunto quest’ultimo come medio tra i valori più alti per cui il fattore di tendaggio è risultato di 0,85. All’esterno vi sono dappertutto avvolgibili di colore marrone, ma non sono tendaggi permanenti e quindi non sono conteggiati entro il fattore correttivo di tendaggio.
Come fattore di ombreggiamento dovuto ad ostruzioni esterne ho in media (prendo a riferimento i fattori della normativa UNI EN ISO 13790 per pareti a sud, ovest, est e nord, sebbene quelle reali siano a sud-est, sud-ovest, nord-est e nord-ovest):
Tabella 2-5 : Prospetto dei valori del fattore di ombreggiamento dovuto ad ostruzioni esterne
SUD OVEST EST N
Piano terra 0,46 0,61 0,61 0,94 Primo piano 0,46 0,61 0,82 0,98 Secondo piano 0,62 0,61 0,95 1 Terzo piano 0,97 0,61 1 1 Attico 1 0,70 1 1 Superattico 1 0,95 1 1
Tali valori sono dovuti sia all’edificio vicino, che agli alberi, presenti sul lato nord-ovest, su quello sud-est (in entrambi i casi alti), e su quello nord-est (alberi bassi), sia al fatto che nella facciata nord-ovest le finestre e portefinestre che danno sul lastricato interno sono ombreggiate dall’edificio stesso e dai balconi del secondo e terzo piano.
I balconi misurano 2 metri di profondità. L’angolo di ombreggiamento dell’aggetto è quindi di 53° e il fattore di correzione per aggetti orizzontali è 0,72 per le finestre e portefinestre a nord-ovest. Per le altre, che si affacciano sul lastricato ma rivolte a sud-ovest o nord-est i fattori di correzione per ombreggiatura dovuta all’edificio stesso sono in qualche modo compresi nei fattori sopra scritti.
Inoltre al primo piano lato sud-est ho un aggetto orizzontale di circa 1,2 m rispetto ad una finestra alta 2 m. Prendendo il punto medio di essa e contando che ho un’aggiunta in alto di circa 20 cm, dovuta al fatto che è un arco, allora l’angolo di ombreggiamento è circa 45°. Quindi il fattore di correzione per ombreggiatura dovuta ad aggetti orizzontali è 0,76.
All’interno delle superfici finestrate sono state considerate anche le portefinestre di tutti i piani eccetto il piano terra. In verità esse avrebbero un fattore di telaio più alto e una trasmittanza più alta. Ma considerarle come porte d’ingresso avrebbe fatto sì che non venissero computati gli apporti solari. Per quanto riguarda le porte vere e proprie, ho considerato un valore di trasmittanza di 5 W/m2K, un po’ alto. Come irraggiamenti medi ho preso quelli della normativa UNI 10349 per orientamento sud-est, sud-ovest, nord-est, nord-ovest.
Gli apporti solari gratuiti con un calcolo manuale risultano di circa 38437 kWh/stagione, il 23% maggiori rispetto al calcolo con BEST.
3) Il fattore di utilizzazione riportato in appendice A non è pari a 0,99, come segnato. Tale valore si ricava perché la procedura BESTClass assume come costante di riferimento (τo) di 28 h, e invece la normativa UNI 13790 impone per edifici adibiti a uffici un valore di 70 h. Quindi il coefficiente di utilizzazione diminuisce molto:
γ = 0,45 Hv = 567 W/K Ht = 4389 W/K Htot = 4956 W/K C = 66,7*8145 = 543271,5 KJ/K τ =109 h
a = 2,36
ηut= 0,91
4) I rendimenti calcolati dal programma si discostano molto da quelli da me valutati che sono:
Rendimento di distribuzione:
La distribuzione delle tubazioni è a due tubi non isolati con colonne montanti situate nei muri esterni entro il tamponamento esterno. La distribuzione orizzontale è nei locali del cantinato ed non è isolata neanche nel locale caldaia.
Il volume riscaldato è di 8145 m3. Inoltre poichè l’altezza dell’edificio è di 25 m, si assume come rendimento di distribuzione 0,93.
Rendimento di emissione:
I corpi scaldanti sono costituiti da termosifoni alimentati a temperatura media di 60°C (temperatura di entrata 65°C e temperatura di uscita di 55°C). Essi sono posti in prevalenza sotto le finestre sulle pareti perimetrali esterne non isolate e sono privi di pannelli riflettenti.
Il rendimento di emissione è quindi di 0,93.
Rendimento di regolazione:
La regolazione nonostante sia presente la centralina climatica dotata di sonda esterna su parete non a nord e riparata avviene manualmente. Il termostato di caldaia è prevalentemente regolato su temperatura di mandata di 70°C. I termosifoni sono dotati di regolazione manuale. L’impianto funziona con uno spegnimento notturno di circa 10 ore, con accensione alle sei del mattino e spegnimento alle 18, con sospensione nel fine settimana (sabato e domenica chiuso). Vengono quindi sottratti due punti percentuali all’espressione per regolazione manuale presente nel prospetto della UNI 10348.
ηr = 0,94-(0,6*γ*ηut) = 0,6943
Rendimento di produzione medio stagionale:
L’impianto di riscaldamento è centralizzato e costituito da un generatore di calore a gas tipo PEGASUS F3 289 di Ferroli. E’ una caldaia a basamento con corpo in ghisa, con
espulsione dei fumi a tiraggio naturale e a camera di combustione aperta. E’ solo per produzione di acqua calda per riscaldamento.
Le caratteristiche tecniche più importanti, riportate brevemente, sono le seguenti: Potenza termica nominale utile di 289 kW, portata termica di 317 kW.
Funzionamento modulare in cascata in moduli in batteria.
Portata termica variabile con funzionamento bistadio (portata termica 1° stadio di 188 kW).
Bruciatore ad aria aspirata a 17 rampe. Massima potenza elettrica assorbita = 60W
Rendimento a carico nominale (diff T 80/60)= 92% Rendimento a carico minimo (diff T 80/60) = 91,1% Rendimento a carico ridotto (30% Pnom) = 91,7%
Differenza di temperatura fumi-ambiente a Pmax = 112°C Percentuale di CO2 nei fumi a Pmax = 6,2%
Rendimento di combustione a Pmax =92,4% Perdite al mantello rilevate a Pmax = 0,4%
Perdite al camino a bruciatore spento a Pmax = 0,55% Perdite al camino a bruciatore acceso a Pmax = 7,6%
Classe di rendimento (secondo la direttiva 92/42/EEC) = due stelle Classe di emissioni Nox (secondo la direttiva EN 297/A5) = 1 Rendimento medio stagionale = 87,2%
Tabella 2-6 : Prospetto dei valori di rendimento allo stato attuale
ηr ηe ηd ηpr ηg
0,6943 0,93 0,93 0,872 0,524
Calcolo del fabbisogno di energia primaria per riscaldamento:
Quindi, considerando le correzioni 1) e 2) il fabbisogno di energia primaria per riscaldamento (Qtr) è:
(
)
(
)
2 180638 0, 91 38437 44477 105186 200736 / 0,524 0,524 107,8 / tr Q kWh stagione kWh m stagione − ⋅ + = = = =In verità per edifici non appartenenti alla classe E1, occorre misurare l’indice di prestazione in base al volume lordo dell’edificio. Quindi:
Qtr = 25,24 kWh/annom3
Calcolo del fabbisogno di energia primaria per produzione di acqua calda sanitaria
Anche per quanto riguarda il calcolo del fabbisogno di energia primari a per la produzione di ACS mi discosterò dal calcolo del programma secondo le seguenti considerazioni: Il programma BESTClass [33] assume una richiesta di ACS per gli uffici pari a 280 Wh/persona/giorno che corrispondono a 9,7 l/giorno/persona di acqua a 40°C. Il documento Raccomandazioni del CTI, invece assume che il consumo giornaliero pro capite di ACS negli uffici si attesti intorno ai 20 l/giorno/persona a 40°C. Inoltre il programma di calcolo BESTClass considera una spesa di ACS continua in tutti i 166 giorni dell’anno e questo non è vero, data la caratteristica occupazionale in tabella 0-3. In questo caso considero come periodo di utilizzo dell’edificio quello reale, e non l’intera stagione di riscaldamento.
Quindi si adotterà la stima di spesa di ACS giornaliera pro capite dettata dalle Raccomandazioni CTI e in aggiunta considererò il fabbisogno di ACS per le docce effettuate dal personale, come calcolato al capitolo 6.2. Inoltre si hanno nell’80% dei dispositivi sanitari presenti (rubinetti e lavabi, non nelle docce) degli economizzatori idrici che riducono il flusso di acqua fornita all’utenza. Non si hanno dati precisi, perché non è reperibile la scheda tecnica dei dispositivi rompigetto, quindi si stima una riduzione del flusso idrico, dove vi sono riduttori, di una quota percentuale pari al 40%. Rimando per i dettagli al capitolo 6.2.
Oltre alla stima del fabbisogno termico utile per la produzione di ACS, per il calcolo del fabbisogno di energia primaria vengono coinvolti anche i rendimenti di erogazione (convenzionalmente 0,95), di distribuzione (per sistemi autonomi con Pn<35 kW si assume 0,85) e di produzione (0,333) di questa tramite l’impianto a resistenza elettrica . In quest’ultimo rendimento è compresa anche l’efficienza dello scambiatore a resistenza elettrica, stimata pari a 0,9. Bisogna ricordare che per la produzione di ACS vi sono dappertutto scaldabagni elettrici singoli e uno centralizzato.
Il fabbisogno di energia primaria per produzione di ACS risulta quindi per il periodo stagionale e annuale rispettivamente:
QACS = 9271 /(0,85*0,95*0,33)= 34791 kWh/anno = 4,37 kWh/anno/m3
Si può quindi riportare in una tabella i valori corretti del fabbisogno energetico dell’edificio.
Tabella 2-7: Prospetto del fabbisogno di energia primaria dell’edificio allo stato attuale Fabbisogno di
energia primaria per riscaldamento
(Qtr)
Fabbisogno di
energia primaria per produzione ACS (QACS)
Fabbisogno di
energia primaria totale
kWh/stagione m3 kWh/stagione m3 kWh/stagione m3
3. Confronto tra i risultati ottenuti e i limiti di legge
Secondo legge (D. Lgs. 311/06) i valori di trasmittanza dei vari elementi dell’edificio sono:
Trasmittanza delle strutture opache verticali U =0,4 W/mqK Trasmittanza del pavimento verso l’esterno U = 0,41 W/mqK
Trasmittanza delle coperture orizzontali o inclinate U = 0,35 W/mqK
Trasmittanza delle chiusure trasparenti comprensive degli infissi U = 2,8 W/mqK Trasmittanza delle chiusure trasparenti della centrale termica U = 2,1 W/mqK
Inoltre, poiché questo edificio ha superficie utile > 1000 m2 , vi è l’obbligatorietà di schermi esterni alle finestre.
Obbligatorietà di avere massa superficiale delle pareti opache verticali, orizzontali o inclinate maggiore di 230 kg/m2, poiché nel mese di massima insolazione si ha irraggiamento su piano orizzontale maggiore di 290 W/m2, come riportato in appendice D. In questo caso, le pareti opache verticali al di sotto del piano attico hanno tutte massa frontale di 630 kg/m2 o più, mentre quelle in mattoni forati dei piani attico e superattico hanno massa frontale di 280 kg/m2. L’unico elemento che potrebbe non rispettare i limiti imposti è il tetto, di cui però non sappiamo bene la composizione.
Valore limite dell’indice di prestazione energetica dell’edificio per sola climatizzazione invernale, calcolato tramite interpolazione lineare rispetto ai valori riportati nell’Allegato C del D.Lgs. 311/06, è quindi:
EPlim = 0,36*(20-6,5)+6,5 = 11,36 kWh/m3anno (arrotondato per eccesso perché i GG sono 1415 e non 1401)
Invece i rendimenti globale medio stagionale (per potenza di caldaia <1000 kW), e termico utile a carico nominale (100%), anch’essi riportati nell’Allegato C del D.Lgs. 311/06, sono:
ηg = 75+3log(Pnom) = 82,38%
ηtut = 93+2log(Pnom) = 97,9%
4. Considerazioni preliminari sullo stato esistente dell’edificio
Possono essere individuate alcune criticità dell’impianto e dell’edificio:
Non è presente alcun isolamento delle pareti esterne.
Non ho potuto verificare il corretto intelaiamento delle finestre entro la struttura
muraria, ma penso che questo non ci sia e quindi i ponti termici in corrispondenza delle finestre e dei cassonetti sono ingenti, poiché la superficie vetrata è notevole in questo edificio.
I corpi scaldanti sono posti in una posizione che non permette che ci sia un buono
scambio termico e un buon gradiente di temperatura all’interno del locale. Sono infatti collocati generalmente sotto la finestra ma incassati entro la parete e sotto il davanzale in modo tale che il calore trova in alto uno schermo alla corretta distribuzione dell’aria. Ciò fa sì che una buona parte del calore vada a riscaldare davanzale e pareti esterne, che non isolate, lo bypassano direttamente all’esterno. Alcuni poi sono proprio coperti anche sul davanti, non permettendo neppure lo scambio radiativo.
Il condizionamento estivo avviene tramite condizionatori per singolo ambiente e
per più ambienti, senza un impianto centralizzato.
L’impianto di riscaldamento è una caldaia a due stelle.
La regolazione avviene soltanto con termostato di caldaia senza usare la centralina
climatica centralizzata presente. Inoltre, data la diversa esposizione dei locali e le diverse temperature interne dovute agli apporti solari ed interni (questi peraltro abbastanza costanti in tutto l’edificio) sarebbero opportune le termostatiche di locale.
Le tubazioni di adduzione dell’acqua calda sanitaria che partono dal sottotetto e
giungono al sotterraneo e al piano terra sono esterne e necessiterebbero di un nuovo isolamento, o di manutenzione.
Le finestre a sud non sono schermate, sebbene il Decreto Legislativo 311/06 li
5. Ipotesi di intervento
Nel valutare gli interventi da fare adotterò la stessa classificazione usata nel caso precedente, ovvero suddividerò gli interventi in due prime aree che riguardano la messa in efficienza dell’involucro e degli impianti elettrico e termico, e poi nello sfruttamento della risorsa solare: trascuro la “risorsa territorio” poiché non si possono attuare interventi in tal senso essendo in città e la risorsa “acqua” perché già sono presenti alcuni accorgimenti per la riduzione del flusso idrico consumato (vedi il Documento di efficienza energetica della
sede WWF in coda al presente paragrafo)
5.1 Messa in efficienza dell’involucro
Gli interventi che rientrano in questa area riguardano la coibentazione delle pareti esterne, la sostituzione di infissi e quant’altro.
Alcuni di questi interventi nel caso in questione sarebbero auspicabili (nessuna parete è isolata), altri sono già stati attuati (tutte le finestre hanno vetri doppi e sono a tenuta d’aria), in ogni caso sono caratterizzati dal fatto di essere molto invasivi e complicati. Quindi ne propongo uno soltanto, di particolare semplicità, ma che vedremo porta ad un buon miglioramento delle prestazioni.
Questo primo intervento prevede l’isolamento dei cassonetti degli infissi: la trasmittanza di essi varia da 6 W/m2K a 1 W/m2K secondo [39]. Tale intervento è abbastanza circoscritto e facilmente realizzabile. Occorre verificare quanti cassonetti vi sono. Secondo le informazioni ricevute, tutte le superfici finestrate hanno serranda e cassonetto. L’intervento comporta una diminuzione della dispersione dell’involucro da 180638 kWh a 167748 kWh l’anno; d’altra parte il rendimento di produzione medio stagionale diminuisce fino al valore di 86,5%, e il rendimento di regolazione pure passa ad un valore di 67,6%. Tabella 5.1-1 : Risultati del primo intervento
Situazione prima dell’intervento Situazione dopo l’intervento Risparmio percentuale di energia primaria ηg 0,524 ηg 0,505 9% Qtr 25,2 kWh/m3anno Qtr 23 kWh/m3anno
Il risparmio annuo non si può stimare con una proporzione inversa rispetto al rendimento, perché il rendimento globale non cambia, ma si calcola in base alla percentuale di diminuzione (9%) del fabbisogno di energia primaria:
Il risparmio stimato conseguibile è di circa 9154*0,09 = 824 Nm3/anno.
5.2 Messa in efficienza degli impianti elettrico e termico
Le tipologie di intervento sotto questa area di pertinenza consistono, riguardo la messa in efficienza dell’impianto termico, nel miglioramento dei rendimenti dei sottosistemi di produzione, regolazione e emissione, ovvero possono consistere nel cambiamento del sistema di riscaldamento, nella contabilizzazione del calore, nel miglioramento della regolazione dell’impianto e altro.
Un secondo intervento, quindi, peraltro non molto invasivo e neppure risolutivo, prevede l’installazione di pannelli riflettenti nella parete retrostante il radiatore, riducendo così lo scambio termico per irraggiamento tra corpo scaldante e parete. In tal modo migliora il rendimento di emissione (passa da 0,93 a 0,95) e quindi quello globale.
Si può quantificare la diminuzione del fabbisogno con la tabella seguente (nella stima del risparmio, non ho considerato la quota di fabbisogno dovuta alla produzione di ACS, perché non è funzione del rendimento medio stagionale, e quindi rimane costante):
Tabella 5.2-1 : Risultati del secondo intervento Situazione prima dell’intervento Situazione dopo l’intervento Risparmio percentuale di energia primaria ηg 0,524 ηg 0,535 2% Qtr 25,24 kWh/m3anno Qtr 24,7 kWh/m3anno
Ho ipotizzato un potere calorifico inferiore del gas naturale pari a 47 MJ/kg, con densità di circa 0,81 kg/Nm3: il PCI è quindi 38 MJ/Nm3 ovvero 10,54 kWh/Nm3.
In base ai consumi effettivi per riscaldamento (molto minori del fabbisogno riportato) si stima un risparmio calcolabile in base al miglioramento del rendimento globale:
1 1
: 9154 :
0, 519 =0, 53 x
Nuova spesa = 8960 Nm3/anno 3
Bisogna sottolineare che l’utilità di questo intervento attuato singolarmente non è rilevante: i corpi scaldanti andrebbero proprio cambiati e cambiata la loro disposizione entro i locali.
Il terzo intervento riguarda invece il rendimento di regolazione.
Prima di tutto deve essere messa in uso la regolazione centralizzata già presente, ma non attiva. Inoltre si potrebbe prevedere l’installazione di valvole termostatiche di locale giacchè gli apporti interni dovuti alla presenza di persone, ad apparecchiature di ufficio come pc ed altro sono rilevanti.
Il rendimento di regolazione passerebbe in quest’ultima condizione da un valore di 0,69 a 0,97 (ipotizzo non un regolatore modulante bensì differenziale).
Nel caso venisse messa in funzione soltanto la centralina climatica già presente, allora il rendimento di regolazione passerebbe da 0,69 a 0,735, conseguentemente il rendimento globale medio stagionale passerebbe da 0,524 a 0,554 e il fabbisogno di energia primaria passerebbe da 25,24 kWh/m3 a 23,8 kWh/m3; il nuovo consumo sarebbe di 8691 Nm3 e il risparmio stimabile è di 462 Nm3.
I calcoli seguenti sono per il caso (migliore e auspicabile) in cui vengano installate le termostatiche e venga attivata la centralina climatica, quindi per un doppio e contemporaneo intervento.
Tabella 5.2-2 : Risultati del terzo intervento Situazione prima dell’intervento Situazione dopo l’intervento Risparmio percentuale di energia primaria ηg 0,524 ηg 0,73 28% Qtr 25,24 kWh/m3anno Qtr 18,12 kWh/m3anno
In base ai consumi effettivi si stima un risparmio:
1 1
: 9154 :
0, 524 =0, 73 x
Nuova spesa = 6570 Nm3/anno
Risparmio stimato conseguibile = 2583 Nm3/anno
Un quarto intervento ancora da sviluppare accuratamente consiste nella sostituzione della caldaia presente con una pompa di calore/macchina frigorifera e di tutti i corpi scaldanti con fancoil e nello smantellamento dei condizionatori per singolo/i ambienti. Tale soluzione, sebbene complicata da un punto di vista impiantistico, permetterebbe con una
sola macchina sia il riscaldamento che il raffrescamento dell’edificio. Sono da valutare sia i problemi impiantistici che quelli di efficienza dell’impianto (sicuramente maggiore dell’attuale caldaia a due stelle e dei condizionatori “split”). Si può ipotizzare l’uso di una pompa di calore aria-acqua Robur in cui il calore necessario al generatore sia fornito da un bruciatore a gas e in cui la sorgente fredda sia l’aria esterna.
In prima approssimazione per dimensionare la pompa di calore, manterrei la stessa potenza di riscaldamento della precedente caldaia (289 kW), anche se è sovradimensionata, e invece si stima molto grossolanamente una potenza massima di condizionamento di circa 200 kW. Inoltre c’è da valutare bene il posizionamento di tale macchina, e se installarla nell’attuale centrale termica o meno.
Per quanto riguarda invece la messa in efficienza dell’impianto elettrico, gli interventi attuabili possono consistere nella gestione e ottimizzazione del contratto di fornitura, nell’applicazione dei principi della domotica, nell’installazione di sistemi di illuminazione ad alta efficienza…Molti di questi temi sono stati già affrontati da WWF per la sede centrale in questione come riportato nel “Documento di efficienza energetica della sede centrale WWF” e comunque molti di questi sono di facile e semplice realizzazione. Quindi non ne prevedo uno studio in questa sede.
Documento di efficienza energetica della sede WWF: accorgimenti adottati per il risparmio energetico:
• Raccolta differenziata
• Utilizzo in larga parte di carta da fotocopie e per stampa fsc come da indicazione
WWF Internazionale
• Riciclo e rigenerazione toner
• Utilizzo macchine multifunzione con conseguente riduzione impatto ambientale
• Sensibilizzazione attraverso le procedure ad un comportamento ecocompatibile e alla
riduzione dei consumi
• Contratto per fornitura energia "enel energia pura"
• Utilizzo di lampade a basso consumo per l'illuminazione esterna
• Utilizzo di lampade a risparmio energetico per stanze lavoro
• Luci a sensori temporizzate su corridoi.
• Timer per impianti illuminazione
• 85% degli impianti di climatizzazione centralizzati
• 70% dei climatizzatori a basso consumo di energia
• 90% dei climatizzatori utilizzano gas ecologico r 407 - 410
• Timer climatizzatori
• Installazione rompigetto rubinetti per riduzione flusso acqua
6. Risorsa “sole”
Analizzo qui i due progetti ipotizzati, inerenti lo sfruttamento della risorsa solare.
6. 1. Progetto dell’impianto fotovoltaico
A fronte di un ingente consumo di energia elettrica e alla disponibilità di una superficie piana del tetto di grande ampiezza (circa 175 m2 esclusa la zona tetto dei locali del superattico) è stata ipotizzata la realizzazione di un impianto fotovoltaico per la produzione di energia elettrica.
Tale impianto si suddividerà in due parti: quella installata sul tetto piano e quella realizzata tramite frangisole.
Nel primo caso l’obiettivo da perseguire è la massimizzazione dell’energia solare raccolta e quindi dell’energia elettrica prodotta.
Nel secondo caso invece l’obiettivo primario è quello di schermare l’energia solare entrante dalle pareti finestrate (finestre e portefinestre). Come conseguenza, se lo schermo è fotovoltaico, la radiazione schermata è convertita in energia elettrica.
Inoltre l’intero impianto sarà certamente connesso alla rete, e non isolato, in quanto, con l’area a disposizione, non si riesce assolutamente a coprire completamente il carico richiesto, per cui non vi sono vincoli di copertura di carico di alcun tipo.
Per quanto riguarda l’angolo di inclinazione dei moduli, si stabiliscono dei valori fissi di questo, ovvero quello che massimizza l’energia annuale captata.
L’altro vincolo di cui tener conto è l’esposizione dei moduli: poiché l’edificio non ha alcuna parete rivolta perfettamente a sud, allora i moduli (che siano frangisole o installati su tetto piano) saranno preferibilmente orientati secondo l’esposizione delle pareti dell’edificio, quindi o a sud-ovest, o a sud-est, a scapito dell’energia solare captata che diminuisce inevitabilmente. Vedremo poi che per l’impianto installato su tetto si potrebbe orientare i moduli precisamente a sud, ma in tal caso si hanno minori aree a disposizione e maggiori ombreggiamenti reciproci che infine fanno sì che l’energia annua capata sia minore.
Analisi dei dati solari
Questa è la prima valutazione indispensabile per determinare la producibilità di un impianto.
Come trattato nell’appendice D, l’angolo ottimale per massimizzare l’energia raccolta annualmente ha valore di 28°. Inoltre l’area col lettrice non sarà rivolta a sud, ma a 40° verso ovest rispetto all’asse sud. Riporto quindi la radiazione solare captata ottenuta da tutti calcoli effettuati i appendice D.
Figura 6.1-1: Dati solari ricavati dall’appendice D, caso studio 1 Energia diffusa media mensile D (MJ/m2) Energia diretta media mensile B (MJ/m2) Energia diretta media mensile Eb (Wh/m2) Energia diffusa e diretta media mensile Eb+Ed (Wh/m2) Energia globale media mensile Eglob (Wh/m2) 15/01 2,9 3,4 1968,142 2726,612 2747,098 15/02 3,9 5,3 2499,255 3519,267 3549,183 15/03 5,3 8,4 3202,095 4588,265 4632,813 15/04 6,7 12,2 3779,011 5531,338 5592,796 15/05 7,3 16,3 4366,908 6276,16 6352,9 15/06 7,5 18,2 4542,805 6504,366 6587,935 15/07 6,6 20,5 5264,164 6990,337 7078,459 15/08 6,2 17,1 4948,605 6570,162 6645,927 15/09 5,3 12,3 4286,123 5672,293 5729,523 15/10 4,1 8,1 3525,192 4597,512 4637,183 15/11 3,1 4,2 2289,946 3100,724 3124,462 15/12 2,6 2,8 1726,568 2406,576 2424,135 Energia annua a sud (kWh/m2) 1291,968 1781,625 1800,493 Energia annua 40° sud-ovest (kWh/m2) 1236 1705 1724
6.1.1 Impianto installato su tetto piano
I fattori da valutare, fin dall’inizio, sono:
1. L’area a disposizione per i moduli:
La tipologia di tetto, piano e calpestabile, ben si presta all’installazione di stringhe di pannelli fotovoltaici.
La superficie a disposizione è, come segue, ripartita in cinque terrazzi, di cui quello a est appartiene al piano sottostante ed è dotato di tavolino perché spesso frequentato dai dipendenti (un eventuale uso per l’impianto fotovoltaico comprometterebbe tale funzione); mentre quello a ovest è soprastante i locali del superattico e verrà adibito all’alloggiamento dei collettori solari termici:
Figura 6.1.1-1 : Schema del tetto piano
2. Le ombre di alberi o altri edifici che vanno ad incidere sui pannelli nel corso
dell’anno: in tutto il tetto non vi sono ombre rilevanti, eccezion fatta per i comignoli e le parabole presenti nel terrazzo a nord, di cui terrò conto nel calcolo delle ombre. Ovviamente bisogna tener conto della balaustra, che è alta ovunque 860 cm eccetto nel caso della balaustra a sud-ovest nel terrazzo nord alta 1,02 m.
3. Occorre stabilire se collocare i moduli rivolti verso sud-est o verso sud-ovest. Il criterio di scelta sarà basato su una maggiore numero di moduli installabili e una
maggiore praticità per la manutenzione. Inoltre dovrò tener conto di tutti i possibili ombreggiamenti. Verrà svolto il confronto successivamente.
4. La resistenza meccanica della superficie di installazione: non vi sono dati certi, ma tutti terrazzi sono calpestabili e quindi presumo che abbiano la resistenza meccanica sufficiente per l’installazione delle zavorre necessarie ai pannelli.
Inoltre per valutare la producibilità di un impianto occorre innanzitutto effettuare alcune scelte dei componenti. Vi sono molte tipologie di moduli presenti in commercio, principalmente della tipologia monocristallina e policristallina. Ogni tipologia, in base alla potenza di picco e alla grandezza e ad altre caratteristiche della casa costruttrice, fornisce valori delle caratteristiche elettriche e dei parametri caratteristici. Riporto ora le caratteristiche dei due moduli adottati per l’impianto su tetto e per i frangisole. Tali dati sono stati desunti dalle schede tecniche e dai calcoli riportati in appendice E.
Tabella 6.1.1-2 : Dati tecnici dei moduli fotovoltaici adottati Tipologia e nome del modulo SUNTECH STP175-24
Policristallino
SUNERG XP 60/156 Policristallino
Numero di celle e loro dimensioni
72 celle con dimensioni 125x125 mm2
60 celle con dimensioni 156x156 mm2
Dati di costruzione Rivestimento posteriore in tedlar;
Incapsulamento EVA; Cornice in alluminio anodizzato. Peso di 15,5 kg Peso di 16 kg Cornice in alluminio anodizzato. Dimensioni totali 1,580x0,808x0,035 m3 1,653x0,990x0,045 m3 Potenza di picco 175 Wp 210 Wp Rendimento STC 13,3% 14% Tolleranza di potenza ± 3% ± 2,5%
Tensione alla massima potenza
34,2 V 29,47 V
Corrente alla massima potenza
5,12 A 7,12 A
Tensione a circuito aperto 43,2 V 36,1 V
Corrente di corto circuito 5,4 A 7,91 A
Coefficiente di temperatura (∆V) -0,36%/°C -0,337%/°C Coefficiente di temperatura (∆I) -0,06%/°C -0,07%/°C Coefficiente di temperatura (∆P) -0,47%/°C -0,43%/°C Tensione massima a –10°C 48,94 V 40,35 V Tensione minima a 70°C 28,35 V 25 V
Si ipotizza che venga adottato il primo modulo per l’istallazione su tetto piano e che l’orientamento dei moduli sia verso sud-ovest.
1) Calcolo dell’ombra dovuta alla balaustra e ad altri ostacoli:
Occorre verificare che nel giorno dell’anno in cui il sole ha minore altezza solare (21/12) le balaustre a sud-ovest (i terrazzi hanno balaustra alta 0,86m eccetto che quella a sud-ovest del terrazzo nord alta 1,02 m) e a sud-est non ombreggino i moduli più vicini (vedi Appendice E).
Si usa in proposito il diagramma delle traiettorie solari, per una latitudine pari a 41°, perché non sono disponibili a valori intermedi.
Si nota che nella data prescelta, la massima altezza solare, corrispondente al mezzogiorno, è di 25°. Nelle ore precedenti e successive l’altezza solare diminuisce. Prenderò a riferimento le dieci di mattina per calcolare l’ombra della balaustra.
La balaustra ombreggia fino a 2,8 metri, per cui entro quella distanza non è opportuno avere pannelli. Includiamo poi in tale conto l’altezza della zavorra (ipotizzata alta 0,3 m), che va a diminuire tale distanza (se ombreggio la zavorra non c’è problema).
Tabella 6.1.1-3: Prospetto delle distanza tra modulo e balaustra del tetto piano Altezza della balaustra
=1,02 m
Altezza della balaustra =0,86 m Muro del superattico = 2,8 m Ora solare Altezza solare (α) Senza zavorra Con zavorra di 0,3 m Senza zavorra Con zavorra di 0,3 m Con zavorra di 0,3 m 10 20 2,8 1,978184 2,3 1,538587 6,868694 11 23 2,4 1,696214 2 1,319277 5,889631 12 25 2,18 1,544045 1,8 1,200924 5,361267 13 23 2,4 1,696214 2 1,319277 5,889631 14 20 2,8 1,978184 2,3 1,538587 6,868694
A tutti questi conti bisogna aggiungere che le balaustre e il muro del superattico non sono precisamente a sud, ma tale ombra sarà maggiormente presente nel pomeriggio se si tratta di muri e balaustre a sud-ovest o nella mattina se si tratta di elementi a sud-est. Ciò sarà considerato nella disposizione dei pannelli.
2) Calcolo delle ombre reciproche tra pannelli:
La disposizione classica dei pannelli è a stringhe parallele e noi calcoleremo quindi la distanza necessaria perché non si ombreggino, prendendo a riferimento il giorno 21/12, quando l’altezza solare è minore. Effettuando i calcoli riportati nell’appendice E, si
ottengono i seguenti risultati in termini di distanza reciproca minima. Mi riferisco a questa anche per i simboli adottati.
Riporto in tabella la distanza minima (Dtot) tra modulo e modulo, nelle due possibili disposizioni del pannello, verticale ed orizzontale, considerando che la zavorra necessaria per l’installazione abbia altezza di 30 cm.
Tabella 6.1.1-4: Prospetto delle distanze minime tra modulo e modulo
D1 Hm D’ D2 Dtot
cm cm cm cm cm
L = 808cm (orizzontali) 713,42 379,33 642,7662 825,8679 1539,29
L = 1580 cm (verticali) 1395 740,2 642,7662 1589,2 2984,32
3) Calcolo del numero di pannelli e stringhe da collocare in ogni terrazzo
Ipotizzo di lasciare uno spazio laterale alla stringa per agevolare il montaggio e la manutenzione. Studio adesso come detto nel punto i diversi scenari nel caso si orientino i moduli verso sud-est, sud-ovest o sud, come
Orientamento dei moduli verso sud-ovest
Nel terrazzo nord è possibile in base allo studio delle ombre fatto, collocare:
-una stringa da 14 moduli posti in verticale e addossati alla balaustra a nord-est: non posso metterne di più perché sono presenti due parabole nell’angolo nord.
-due stringhe da 8 moduli posti in orizzontale: ciò perché in base alle ombre non avrei potuto mettere altre due stringhe con moduli verticali.
-due stringhe (separate dal comignolo) da 3 e da 4 moduli. Per un totale di 37 moduli.
Nel terrazzo piccolo a nord-ovest è possibile collocare:
-una stringa da 6 moduli posti verticalmente e addossati al muro a nord-est.
-una stringa da 3 moduli posti orizzontalmente: purtroppo molto spazio rimane inutilizzato perché si ha ombra d’inverno a causa del muro a sud-ovest alto 2,8 m.
Per un totale di 9 moduli.
Nel terrazzo a sud è possibile collocare:
-O 5 stringhe da 4 moduli posti verticalmente, o 1 stringa da 5 addossata alla balaustra a nord-est e 4 stringhe da 3 moduli posti orizzontalmente .
E’ da preferire la prima disposizione poiché il numero totale di moduli risulta maggiore (20 contro 17) e perché ho minor rischio che i pannelli siano ombreggiati dalle balaustre
laterali, e lascio maggior spazio laterale (0,6 m a lato). Inoltre, i moduli sarebbero troppo addossati alla balaustra a sud-est e verrebbero ombreggiati da essa.
Questa è la disposizione globale ipotizzata:
Figura 6.1.1-3 : Ipotesi di disposizione dei moduli sul tetto piano verso sud-ovest
Il numero totale di pannelli è 66. La superficie totale risulta di 84,25 m2. La potenza di picco installata è di 11550 Wp.
Tale disposizione va verificata in base alla possibilità di collegare tra loro un certo numero di moduli e di avere un certo numero di stringhe.
Orientamento dei moduli verso sud-est
Nel terrazzo ad sud si può collocare una sola stringa per lasciare lo spazio dalle due balaustre e per non ostacolare il passaggio al tetto soprastante il superattico. Avrei potuto collocare anche un’altra stringa addossata a nordovest, ma allora la stringa centrale avrebbe dovuto essere di 7 moduli orizzontali.
Nel terrazzo a nord si possono collocare o, come è segnato, 3 stringhe da 8 e una da 7 perché c’è un comignolo; o 6 stringhe da 4 moduli orizzontali e 2 da 3 per il suddetto comignolo e la parabola nell’angolo nord.
Tutto ciò porta ad avere 53 moduli. E quindi viene scartata l’opzione.
Figura 6.1.1-3 : Ipotesi di disposizione dei moduli sul tetto piano verso sud-est
SUD-OVEST
NORD-OVEST
SUD-EST
Orientamento dei moduli verso sud
Un’altra possibilità potrebbe essere quella di posizionare le stringhe precisamente rivolte a sud. Ma ciò permette di installare molti meno moduli, per cui, anche se l’irraggiamento è un po’ maggiore (di circa il 4%) comunque non ne vale la pena. Precisamente il numero di moduli che è possibile installare è 43.
6.1.2 Impianto integrato come frangisole
Procedo quindi con il dimensionamento del secondo impianto fotovoltaico.
Dal momento che il d.lgs. 311/06 obbliga nel caso di ristrutturazioni o interventi ingenti sull’edifico, l’installazione di frangisole che diminuiscano l’apporto solare dannoso in estate e non lo ostacolino d’inverno, ne prendo in considerazione la progettazione.
Tale impianto può essere pensato per le due facciate a sud-ovest e a sud-est.
Facciata sud-ovest:
Occorre prima di tutto verificare che le finestre presenti sulla facciata sud-ovest non siano già ombreggiate da edifici vicini. Infatti nel nostro caso, ad una distanza di circa 8,7 m si ha un edificio alto circa 17,4 m, delle stessa dimensioni e nella stessa posizione di quello nostro in questione.
1) Studio delle ombre portate:
Si può quindi studiare le ombre portate sulle finestre e porte finestre della facciata sud, con il modello delle ombre provocate da un ostacolo. Occorre poi ricordare che la facciata in considerazione non è precisamente a sud, bensì a 40° sud-ovest. Una volta calcolati gli angoli di altezza solare limite e fatta la maschera d’ombra, basterà semplicemente shiftarla verso ovest di 40°.
Inoltre nella parete sud dell’edificio, ci sono le seguenti finestre o portefinestre: Tabella 6.1.2-1 : Prospetto delle finestre e portefinestre ombreggiate dall’edificio di fronte
Numero Larghezza e
altezza della finestra
Distanza del punto base della finestra da terra
Angolo solare oltre il quale ho soleggiamento
m2 m
Piano terra 2 finestre 1,2x1,7 1 62°
Primo piano 5 finestre 1,2x2 5 55°
Secondo piano 5 finestre 1,2x2 9 44°
Terzo piano 5 finestre 1,2x2 13,4 24,69°
Attico 3 portefinestra 1,1x2,9 Superattico 1 finestra 1,1x1,7
Le finestre e portefinestre poste al piano attico e superattico non vengono ombreggiate dall’edificio di fronte, mentre quelle al terzo, secondo, primo e piano terra sì.
Si può fare un calcolo del periodo dell’anno in cui sono ombreggiate in base allo studio delle altezze solari proprie dell’ostacolo, che sono funzione della distanza del punto
considerato dagli estremi laterali e superiori dell’ostacolo (l’edificio di fronte) secondo le seguenti relazioni, in cui
a = altezza dell’edificio di fronte a quello WWF b = semilarghezza dell’edificio WWF
c = distanza normale edificio-edificio
y = posizione della base della finestra rispetto a terra
d = distanza tra il punto medio della finestra e l’estremo est(sud-est).
Per la finestra centrale:
− = c y a arctg ost α = − = c b arctg az
azmaxest maxovest
Per le finestre laterali:
+ − = ) ( 1 tg2 az c y a arctg ost
α
dove: − = c b d arctg azmaxcentro − = c d b arctg azmaxsud 2 = c d arctg azmaxovestCosì facendo trovo tre valori delle altezze solari con cui posso tracciare il digramma delle traiettorie solari e la maschera d’ombra. Riporto qui la tabella degli angoli limite ricavati.
Tabella 6.1.2-2 : Prospetto degli angoli azimutale e solari di ombra da parte dell’edificio di fronte Posizione della finestra Angolo azimutale centrale Altezza solare limite centrale Angolo azimutale ovest Altezza solare limite ovest Angolo azimutale est Altezza solare limite est Piano terzo Centrale 0° 24,69° -45,97° 17,7° 45,97° 17,7° 2 W 13° 24,1° -38,82° 19,7° 51,65° 15,9° 1 W 24,6° 22,7° -29,88° 21,7° 56,20° 14,3° 3 E 13° 24,1° -51,65° 15,9° 38,82° 19,7° 4 E 24,6° 22,7° -56,20° 14,3° 29,88° 21,7° Piano secondo Centrale 0° 43,99° -45,97° 33,9° 45,97° 33,9° 2 W 13° 38,11° -38,82° 37° 51,65° 30,9° 1 W 24,6° 33,51° -29,88° 39,9° 56,20° 28,2° 3 E 13° 38,11° -51,65° 30,9° 38,82° 37° 4 E 24,6° 33,51° -56,20° 28,2° 29,88° 39,9° Piano primo Centrale 0° 54,94° -45,97° 44,7° 45,97° 44,7° 2 W 13° 54,2° -38,82° 48° 51,65° 41,5° 1 W 24,6° 52,3° -29,88° 51° 56,20° 38,4° 3 E 13° 54,2° -51,65° 41,5° 38,82° 48° 4 E 24,6° 52,3° -56,20° 38,4° 29,88° 51°
Quindi si possono tracciare i diagrammi delle traiettorie solari, che ci indicano come zone d’ombra quelle al di sotto delle linee tracciate per ogni finestra. Inoltre, solo per le finestre del terzo piano, ho riportato sia il diagramma simmetrico (ovvero senza contare che la facciata in cui sono le finestre è a sud-ovest), sia il diagramma tenendo conto che le finestre sono rivolte a sud-ovest. Per gli altri due piani si riporta solo il grafico finale, per motivi di spazio.
Come si nota dalla precedente tabella e dal diagramma delle traiettorie solari le finestre del terzo piano sono soleggiate praticamente tutto l’anno eccetto che a dicembre e in altri mesi nelle ore iniziali e finali della giornata; quelle del secondo piano pure, eccetto che a dicembre, novembre e gennaio (quando invece servirebbe l’insolazione). Mentre quelle al primo piano sono in ombra da ottobre a marzo in corrispondenza del mezzogiorno solare e fin dalle ore iniziali e finali della giornata per i mesi invernali.
Inoltre la distribuzione giornaliera dell’ombra è molto spostata verso il pomeriggio: nel caso della finestra più a sud (denominata finestra 4 E) non si ha ombra neppure nell’ora centrale del giorno, ma solo il pomeriggio.
2) Calcolo delle dimensioni dell’aggetto
L’installazione degli schermi fotovoltaici va prevista per il superattico e per l’attico. Per le finestre del secondo e terzo piano invece è auspicabile che vi siano frangisole per schermare la radiazione solare nel periodo estivo, durante il quale l’edificio di fronte non le ombreggia le finestre sono soleggiate, ma che non siano costituiti da moduli fotovoltaici. Nei mesi di ombreggiamento infatti essi sarebbero completamente inutilizzabili.
Il progetto consiste, in una prima fase, nel calcolo della larghezza e della lunghezza necessarie perché la finestra sia in ombra a partire da un certo giorno ad una certa ora, ipotizzando che la facciata sia del tutto a sud.
I dati di ingresso e le ipotesi fatte sono le seguenti:
-Necessità di ombreggiamento a partire dal 15 maggio (giorno 135) dalle 10 di mattina fino, simmetricamente, alle 14 del pomeriggio: come si vedrà dalle successive tabelle, è necessario adottare i valori di aggetto più cautelativi, ovvero la larghezza dell’aggetto in corrispondenza delle 12 e la lunghezza in corrispondenza delle 10 (e 14).
-Altezza media delle finestre di 2 metri; delle portefinestre di 2,9 metri (in tab. 6.1.2-4). -Larghezza della finestra e portafinestra di 1,2 m.
-Installazione dell’aggetto appena sopra lo stipite superiore della finestra o portafinestra. -Latitudine del sito 41°53’
-Declinazione il 15/05 = 18,79°
-Verifica che l’angolo azimutale solare sia minore di 90°, o che venga adottata la giusta espressione per il calcolo di essi, come riportato in appendice D. Tale verifica è fatta, ma non riportata in tabella 6.1.2-3.
Ho quindi calcolato, in base alle relazioni tra gli angoli solari, l’altezza solare e gli angoli di azimuth solare.
Tabella 6.1.2-3 : Angoli caratteristici della posizione del sole nel giorno 15 maggio Ora del giorno 15
Maggio
Angolo di altezza solare (α) Angolo azimutale solare (az) 8 34,60597 84,93374 9 45,61918 73,15524 10 55,82575 57,425 11 63,91372 33,86369 12 67,26192 0 13 63,91372 -33,8637 14 55,82575 -57,425 15 45,61918 -73,1552 16 34,60597 -84,9337
E in base agli angoli appena calcolati, si calcola la larghezza (la) e la lunghezza (c) degli aggetti, usando le seguenti relazioni e considerando un angolo di inclinazione degli aggetti o nullo (aggetto orizzontale) o di 28°, per massimizzare la radiazione solare raccolta :
la =
(
)
) tan( ) cos(α
az y h− ; ± c/2 = x+la tg(α)Tabella 6.1.2-4 : Prospetto delle dimensioni dell’aggetto necessarie per ombreggiare il 15 maggio alle 10 una portafinestra del piano attico.
Calcolo nel caso di aggetto orizzontale
Calcolo nel caso di aggetto inclinato di 28° Ora del giorno
15 maggio Larghezza dell’aggetto (la ) Lunghezza dell’aggetto (c) Larghezza dell’aggetto (la ) Lunghezza dell’aggetto (c) m m 8 0,371145 9,572867 0,209617 5,92887 9 0,822391 6,632441 0,540926 4,773175 10 1,06008 4,518391 0,778898 3,6382 11 1,178982 2,782317 0,935459 2,455485 12 1,215362 1,2 0,993889 1,2 13 1,178982 2,782317 0,935459 2,455485 14 1,06008 4,518391 0,778898 3,6382 15 0,822391 6,632441 0,540926 4,773175 16 0,371145 9,572867 0,209617 5,92887
Nel caso invece delle finestre del piano superattico le dimensioni richieste, per moduli inclinati di 28°, sono di 685 mm x 2880 mm. Come si nota, con l’inclinazione ottimale di 28° non solo l’energia solare captata è la massima possibile, ma occorre un aggetto di larghezza minore.
Come dimensioni vano adottate quelle indicate in neretto in tab. 6.1.2-4, corrispondenti all’ora prestabilita per quanto riguarda la lunghezza dell’aggetto, mentre se si vuole avere ombra anche a mezzogiorno occorre adottare una larghezza dell’aggetto corrispondente a tale ora, in cui il sole è più alto e penetra di più entro il locale. Tale scelta delle dimensioni caratteristiche dell’aggetto permette di garantire il soleggiamento in inverno, quando invece il sole è più basso all’orizzonte.
Figura 6.1.2-3 Diagramma delle traiettorie solari e zona d’ombra progettata per la portafinestra, simmetrico rispetto al sud e reale.
La seconda fase di progetto consiste invece nel valutare le differenze apportate dal fatto che la facciata e quindi i frangisole non sono esposti perfettamente a sud, bensì a 40° sud-ovest. Ciò fa shiftare la zona d’ombra dei grafici simmetrici rispetto al sud di 40° a ovest, come si vede sopra, nella figura 6.1.2-3 (e così gli angoli calcolati e presenti in tabella 6.1.2-2). Lo stesso accade per i frangisole della parete sud-est, andranno shiftati di 50° a est. Il soleggiamento mattutino non vi è perché la facciata è esposta a sud-ovest. La finestra più a sud avrà soleggiamento laterale nelle ore centrali del giorno, ma sarà schermato dall’aggetto; tutte le altre saranno ancora più schermate lateralmente perché hanno anche i frangisole delle finestre adiacenti. Quindi per tutte le finestre eccetto si ha ombra pressoché in tutte le ore del giorno.
Affinché la finestra a sud abbia ombra anche nelle ore centrali (11-12) occorre che la lunghezza dell’aggetto venga spostata verso la zona sud della facciata, in modo da avere angolo azimutale destro maggiore di 17°. Ciò si può effettuare scegliendo un aggetto per la finestra a sud di semilunghezza 1,83 m (corrispondente ad un angolo azimutale di 73°, che shiftato di 40°, viene 33°). Parimente, per lasciare inalterata la lunghezza complessiva dell’aggetto, va diminuita, lato ovest, di 0,4 m, per cui l’angolo azimutale sinistro verrà pari a circa 34°, che shiftati divengono 74°. O analogamente può essere modificato con altri valori. Il nuovo diagramma delle traiettorie sarà il seguente:
3) Tipologia dei moduli installati e verifica del periodo di schermatura solare
Inoltre in questa seconda fase, occorre valutare le differenze in termini di ore di ombra dovute alla limitatezza delle dimensioni dei moduli: infatti i moduli fotovoltaici presi in esame precedentemente hanno larghezze e lunghezze prestabilite, e gli aggetti avranno dimensioni di progetto diverse da quelle che verranno realmente realizzate. Riporto tali valori:
Tabella 6.1.2-5 : Prospetto dei frangisole da installare sulle finestre e portefeinestre Lunghezza Larghezza totale Numero moduli Modulo SUNERG XP 60/156 1653x990 mm2 m m m2 Attico 8 0,993 5 0,990x8,26 Superattico 2,8 0,6 2 0,990x3,3
Per quanto riguarda il piano attico è necessario adottare moduli larghi almeno 993 mm, quindi della seconda tipologia riportata in tab. 2-3. Ma, poiché entro una stessa stringa deve esserci la stessa tipologia di moduli, che determinano la corrente di stringa, allora anche i due moduli del superattico devono essere della tipologia XP 60/156 (come segnato nella tabella sopra).
Giacchè la larghezza del modulo è fissa (990 mm), il calcolo del periodo di ombreggiamento va corretto per tutti e due i piani:
Per il piano attico si ha una larghezza dell’aggetto di 990 mm invece di 993, e una larghezza totale di 8,26 m invece di 8 m: in tal caso la correzione cambierà di poco la situazione di progetto. Tutta la lunghezza in più rispetto a quella di progetto è opportuno destinarla alla zona sud oltre a quella già precedentemente prevista, per assicurare l’ombra durante le ore 10-11 del mattino.
Per il piano superattico, invece, si ha una larghezza dell’aggetto di 990 mm invece che 616 mm: si ha ombreggiamento dal 1 aprile all’11 settembre per il mezzogiorno. Come prima, non si avrà in questi giorni ombreggiamento per l’ora di progetto (le 10 e le 14, che poi andranno shiftate) perché la lunghezza dell’aggetto è aumentata di poco (da 2,8 a 3,3 m). Inoltre l’aumento della lunghezza dell’aggetto appena citato, è opportuno che venga destinato alla parte sud, per aumentare l’ombreggiamento intorno alle ore centrali-mattutine del giorno. Riporto qui il diagramma shiftato e non:
Diagramma delle traiettorie solari e della zona d’ombra reale per il piano superattico:
Dovrà essere ben valutata la possibilità di installare una stringa da due moduli come frangisole nel superattico: è necessario che l’inverter abbia la possibilità di gestire una stringa così piccola, o sarà necessario unirla ad un’altra stringa.
