Capitolo 1
UTILIZZAZIONE DELL’ENERGIA SOLARE PER LE ESIGENZE
DELLA CLIMATIZZAZIONE
Le leggi in materia di risparmio energetico hanno introdotto concetti dei quali attualmente si parla molto, come la diagnosi e l’efficienza energetica degli edifici. La diagnosi energetica si propone come obiettivo primario quello di fornire un’analisi dei consumi energetici del sistema edificio-impianto e di individuare ipotesi di intervento finalizzate al conseguimento da un lato a condizioni di comfort ambientale e dall’altro ad una crescente attenzione al problema dell’incremento dell’efficienza energetica degli edifici. Se sul primo aspetto si sono ottenuti significativi risultati, grazie anche alle leggi che hanno posto l’attenzione sul problema di definire una metodologia ([3a-9b comma16)]), sul secondo i risultati non sempre sono incoraggianti, visto che principalmente è stato approfondito il tema del riscaldamento invernale.
In ogni caso la legislazione [1-2] ha avuto il merito di trasformare comuni criteri tecnici per l'uso razionale dell'energia in disposizioni alle quali tutti devono attenersi, oltre al fatto di aver introdotto l’uso di fonti energetiche rinnovabili, seppure in maniera limitata. In seguito il decreto legislativo n.192 del 2005, estende l’argomento dell’uso delle fonti alternative ed in particolare l’energia solare [3b] indicando una serie di raccomandazioni a proposito dell’esposizione e della dimensione della superficie di copertura dell’edificio, prevedendo una predisposizione impiantistica per lo sfruttamento dell’energia raccolta e lo spazio necessario per i circuiti di utilizzazione ed eventuali accumuli. D’altra parte, nonostante questo la stessa legge [3] rimane principalmente concentrata sul problema della climatizzazione invernale fatto salvo il comma 11) dell’Allegato I [3c], sostituito dal più recente comma 9) dell’Allegato I [9b] (di medesima concezione), che si rivolge espressamente “… al fine di limitare i fabbisogni energetici per la climatizzazione estiva e di contenere la temperatura interna degli ambienti …” per tutte le categorie di edifici, di nuova costruzione o nel caso di ristrutturazione, come classificati in base alla destinazione d’uso dall’articolo 3 del D. P. R. n. 412 del 1993 [2], eccetto E6 e E8. Quindi il problema che resta tutt’ora aperto è quello della scarsa attenzione al problema della climatizzazione estiva che ha prodotto, in concomitanza con condizioni climatiche
raffrescamento, ancor meno controllabile, questo è accaduto anche negli edifici universitari sia adibiti a studi ed uffici sia adibiti a complessi di aule e poli didattici. Questa categoria rappresenta un campo in cui i sistemi di utilizzazione delle fonti rinnovabili potrebbero trovare un interessante impiego e contribuire ad un risparmio significativo di energia primaria, dato che tali strutture, talvolta dislocate in posizione periferica rispetto agli edifici centrali ed utilizzate in modo molto intenso su circa dodici ore giornaliere, richiedono la presenza di impianti di climatizzazione specifici che, per effetto delle difficoltà di una corretta gestione e delle forti disomogeneità di utilizzazione, sono veri e propri “pozzi” di consumo energetico.
Nel caso di progettazione di strutture adibite ad edilizia universitaria è d’obbligo prevedere un impianto a collettori solari termici per coprire il 50% del fabbisogno energetico per l’acqua calda sanitaria, ma per questa categoria di edifici le necessità energetiche principali sono chiaramente altre. Ad esempio, volendo sfruttare comunque la possibilità di utilizzare l’energia termica proveniente dal Sole, si potrebbe pensare alla climatizzazione dell’edificio. Certamente per quanto riguarda il riscaldamento invernale insorgono diversi problemi primo tra tutti la disponibilità della fonte rinnovabile, nonché la reale possibilità di riuscire a far raggiungere all’acqua dell’impianto la temperatura minima di mandata (circa 60°C), mentre per quanto riguarda la climatizzazione estiva la situazione è diversa. Innanzitutto la radiazione solare è più intensa e la sua disponibilità maggiore sia per il fatto che il clima è migliore, sia perché le giornate sono più lunghe, per questo si riescono ad ottenere temperature più alte (80°C – 100°C) grazie alle quali è possibile alimentare sistemi di refrigerazione a bassa temperatura quali per esempio quelli che sfruttano il ciclo ad assorbimento o ad adsorbimento.
Attualmente i vari interventi volti al risparmio energetico tendono a porre l’accento sulla riqualificazione sia dell’aspetto impiantistico sia dell’involucro edilizio. Lo stesso comma 9), Allegato I [9b] prescrive “… sistemi schermanti delle superfici vetrate, esterni o interni, tali da ridurre l’apporto di calore per irraggiamento solare;”, che “… in tutte le zone climatiche ad esclusione della F (come definite in [2]), per le località nelle quali il valore medio mensile dell’irradianza sul piano orizzontale, nel mese di massima insolazione estiva, Im,s, sia maggiore o uguale a 290 W/m2, che il valore della massa
superficiale Ms delle pareti opache verticali, orizzontali o inclinate sia superiore a 230
kg/m2;”. Ciò indica che per quanto riguarda la climatizzazione estiva la stessa normativa propone altri criteri per aumentare l’efficienza dell’edificio rispetto a quelli adottati nel caso invernale.
Tra i possibili altri interventi, quelli adottabili a livello impiantistico si parla sempre più spesso di possibile uso dell’energia solare. Sistemi solari attivi per il riscaldamento e condizionamento sono proposti già da molti anni per l’uso in edifici pubblici e privati, ma fino ad oggi non si può dire che i risultati siano particolarmente significativi.
Eppure in Italia non esisterebbero controindicazioni alla diffusione del solare termico, sia in integrazione dei tradizionali impianti sia addirittura in maniera autonoma. Dei circa 1.400 kWh/m2 che mediamente in regioni dell’Italia centrale come la Toscana ogni anno il sole diffonde su ogni metro quadro di superficie terrestre, un valido impianto solare ne potrebbe trasformare almeno il 40%, quindi circa 600 kWh/anno, in acqua calda o in altro effetto termico utile. Non è tuttavia facile conciliare il raggiungimento di condizioni ottimali di insolazione con le esigenze del contenimento delle dimensioni degli impianti e del risparmio energetico.
Attraverso lo studio di un edificio universitario considerato come caso test, questo elaborato propone la prospettiva di realizzare la climatizzazione estiva attraverso un sistema elio-assistito.
In questo tipo di analisi due sono le quantità di maggior interesse: • la taglia o la capacità dell’impianto di climatizzazione; • il fabbisogno energetico complessivo dell’impianto
La determinazione della taglia dell’impianto è basata sulle condizioni operative peggiori, mentre il consumo annuale di energia è legato a delle condizioni medie di funzionamento. I metodi con i quali si effettua il contenimento dei consumi tendono a lavorare sempre di più sull’involucro edilizio, cercando di limitare per quanto possibile la trasmittanza termica dell’involucro [9a], operando sia sulle strutture, sia sulla riduzione delle conducibilità termiche dei materiali, sia imponendo dei valori minimi al rendimento dei componenti costituenti l’impianto.
La progettazione, l'installazione, l'esercizio e la manutenzione degli impianti di climatizzazione è stata modificata con l'obiettivo di contenere i consumi di energia, ma ad un esame attento risulta molto difficile conciliare i metodi proposti dalla normativa con la prospettiva di introdurre innovazioni impiantistiche significative, quali quelle costituite da una utilizzazione sistematica dell’energia da fonte solare, che potrebbe diventare molto utile sopratutto al fine di fare fronte alle esigenze della climatizzazione estiva. Infatti se esiste un’ampia legislazione per quanto riguarda la climatizzazione invernale che si occupa di tutto ciò che concerne sia l’edificio che l’impianto, non c’è un corrispondente per la situazione estiva, né di conseguenza esistono soluzioni già pronte
per quanto riguarda i sistemi di raffrescamento. Tanto meno la normativa prevede che tali sistemi vengano affiancati per la loro alimentazione da impianti di raccolta dell’energia solare. L’estate è il periodo che fa registrare la maggiore richiesta di condizionamento e coincide proprio con i mesi durante i quali la radiazione solare è al massimo e le giornate sono più lunghe.
Alla luce di quanto detto, l’utilizzo dell’energia solare per il raffrescamento degli edifici risulta una soluzione non priva di attrattive, certo è che per il suo sfruttamento occorre avere ben presente che l’edificio non è dal punto di vista termico una struttura statica, ma cambia continuamente il proprio stato termico in dipendenza dalle condizioni climatiche locali (temperatura dell’aria esterna, velocità del vento, radiazione solare), dall’esposizione dell’edificio, dalla sua massa, dal tipo di protezione solare, dalla posizione e dimensione delle aperture.
Tale considerazione dell’edificio, appare già anche dalle normative per quanto l’argomento sia affrontato in maniera molto limitata, nel comma 9), Allegato I [9b], infatti si dice che il rispetto di certi valori della massa superficiale comporta effetti positivi quali “… il contenimento delle oscillazioni della temperatura in funzione dell’irraggiamento solare …”. Inoltre il comma 16), Allegato I [9b] indica che “… nel calcolo rigoroso della prestazione energetica dell’edificio occorre prendere in considerazione …[]… gli apporti termici solari; l’accumulo del calore nella massa dell’edificio …[]… l’influenza dei fenomeni dinamici, attraverso l’uso di opportuni modelli di simulazione, salvo che si possa dimostrare la scarsa rilevanza di tali fenomeni nel caso specifico …”
Dalle considerazioni precedenti e dalle normative citate appare evidente come nell’installazione di un impianto di climatizzazione ad energia solare si richieda una attenta analisi delle caratteristiche dell’edificio e quindi l’adozione di tutte le tecniche utili per ridurre il fabbisogno energetico. Per questo, nella progettazione di un edificio è molto importante, in prima battuta, conoscere gli effetti termici legati all’inerzia della struttura e gli eventuali sfasamenti ed attenuazioni della temperatura determinati dall’involucro. La gestione vantaggiosa di effetti di compensazione e di sfasamento legati alla struttura è importante e questo quindi richiede una modellizzazione in transitorio della stessa, possibile attraverso lo studio dell’equazione del calore di Fourier:
2 2 x T t T ∂ ∂ = ∂ ∂
α
(1.1)che attraverso l’opportuna scelta della condizioni al contorno permette di utilizzare modelli matematici per conoscere l’andamento della funzione temperatura T
(
x,y,z,t)
nei casi di interesse. Nella stessa Eq. (1.1) compare il termine relativo al materiale che ne fornisce le proprietà termo fisiche, la diffusività termica α:p C k ⋅ =
ρ
α
(1.2)Nello stesso tempo occorre avere ben presente la variabilità della radiazione solare incidente, che è ad un tempo un effetto positivo perché si ha maggiore energia disponibile, ma anche negativo perché ci sono maggiori potenze termiche trasmesse. La variabilità della radiazione dipende dal moto relativo della Terra attorno al Sole e quindi dalla posizione reciproca, in particolare si possono individuare dei sistemi di coordinate che correlati fra loro permettono di calcolare il valore della radiazione solare incidente su di una superficie orientata in modo generico.
Quanto appena detto delinea la complessità del problema che si pone come un vero e proprio problema di ottimizzazione multivariabile in cui si interfacciano tre diversi sottosistemi: il sistema di captazione solare, l’impianto e il sistema edificio. La sua soluzione richiede l’elaborazione di modelli di valutazione un minimo complessi che vadano oltre le regole di semplice utilizzazione tratte dalle normative e prevedano l’interconnessione tra i tre sottosistemi.
L’ottimizzazione di un sistema collettori – edificio – impianto, per essere affrontata in modo corretto, necessita della specificazione delle caratteristiche funzionali di tutti gli elementi del sistema, così si attivano di un numero molto elevato di variabili con i relativi obiettivi a livello di singolo componente, oltre la fatto che, in questo caso, la stessa definizione di precisi obiettivi progettuali risulta difficoltosa dato il fatto che non sempre sono facilmente identificabili.
Gli ostacoli maggiori nella soluzione diretta di un problema di questo tipo sorgono primariamente per la complessità di gestire tutte le variabili significative (multidimensionalità) nonché di stabilire delle priorità nella definizione degli obiettivi e dei criteri specifici per il dimensionamento ottimale sia del componente che dell’intero sistema (multidecisionalità).
Quando si trattano problemi multidecisionali a più obiettivi le variabili coinvolte possono diventare difficilmente correlabili ed il loro numero così grande da risultare ingestibile al
fine di ottenere una soluzione soddisfacente sia in termini di risultati che in termini di tempo.
Per questo, è sembrato opportuno mettere a punto una procedura di ottimizzazione su diversi livelli, attraverso la decomposizione, in modo che ciascun sotto-problema prendesse in considerazione solo una parte delle variabili in gioco, in modo da facilitarne la soluzione e le attività di analisi connesse al processo di ottimizzazione.
In particolare è stata scelta una decomposizione di tipo fisico in modo da isolare l’influenza di ciascuna unità sul sistema generale.
Figura 1.1 Schematizzazione della decomposizione fisica attuata per l’ottimizzazione Collettori
solari Impianto Edificio
, , , , Tin col Tout r I m col r I ⋅η COP N persone Test Cp k t Q Φ
