COSTER T.E. S.p.A. Tesi laurea Dott. Zappia

UNIVERSITA’ DEGLI STUDI DI SALERNO

FACOLTA’ DI INGEGNERIA

CORSO DI LAUREA SPECIALISTICA

IN

INGEGNERIA CIVILE AMBIENTE E TERRITORIO

TESI IN FISICA TECNICA

REALIZZAZIONE E CARATTERIZZAZIONE TERMOIDRAULICA DI UN IMPIANTO TERMOTECNICO AD USO DIDATTICO

Relatore: Candidato:

Ch.mo Prof. Ing. Mario Zappia 

Gennaro Cuccurullo Mat.: 567/000024

ANNO ACCADEMICO: 2005/2006

1 Scopi ed obiettivi

Il lavoro di seguito presentato riguarda gli impianti termotecnici visti dal punto di vista della progettazione e della caratterizzazione idraulica e termica.

Lo studio prevede anche un’analisi della normativa vigente che, attraverso una formulazione teorica, ci consentirà comprendere il significato dei limiti imposti da tale normativa.

Per quanto concerne l’impianto didattico si vogliono innanzitutto dimensionare gli elementi chiave: tubazioni, pompe, valvole a tre vie, collettori, unità di trattamento dell’aria. In seguito si concentrerà l’attenzione sulla centrale di trattamento dell’aria, caratterizzandone il circuito idraulico e la batteria bivalente dal punto di vista termico.

2 Gli impianti di climatizzazione

Un impianto di climatizzazione ha la funzione di mantenere le condizioni termoigrometriche
desiderate all'interno di un ambiente. Per soddisfare questa esigenza è disponibile un gran numero di tipologie di impianto tra le quali deve essere selezionata quella più adatta alla specifica applicazione. La scelta deve essere effettuata dal progettista in stretta collaborazione con il committente e l'architetto. In questa fase il progettista, sulla base della propria esperienza, ha il compito di illustrare alla controparte i vantaggi e gli svantaggi relativi a ogni opzione. D'altra parte egli deve ricevere precise informazioni riguardanti sia gli obiettivi tecnici ed economici del committente sia le modalità di fruizione e la destinazione d'uso dell'edificio.

Per selezionare una tra le varie opzioni, occorre analizzare e valutare una serie di requisiti spesso strettamente correlati tra loro e il cui peso varia in base al tipo di progetto.

Il primo obiettivo consiste nel definire una scala di valori, ossia una priorità da assegnare a ogni criterio di scelta secondo il giudizio di committente, architetto e progettista in funzione della tipologia di utenza. I1 passo successivo prevede la valutazione delle diverse tipologie di impianto in funzione dei differenti requisiti.

I criteri di scelta possono essere suddivisi in tre grandi gruppi:

- criteri architettonici e di utilizzo;

- criteri prestazionali e gestionali;

- criteri energetici ed economici.

I criteri architettonici e di utilizzo sono legati alla tipologia costruttiva e di impiego dell’edificio e degli ambienti e riguardano essenzialmente i carichi termici, gli spazi tecnici necessari, la flessibilità d’uso e, non ultimo, l’aspetto estetico.

I criteri prestazionali riguardano la capacità di un impianto di rispondere ai requisiti relativi alla regolazione di zona o individuale della temperatura, al controllo dell’umidità relativa, alla qualità dell’aria ambiente e alla silenziosità. I criteri gestionali si riferiscono invece alle esigenze connesse con la gestione e la manutenzione.

I criteri di tipo energetico ed economico si riferiscono a una serie di fattori strettamente legati tra loro e riguardano la valutazione dei costi di investimento, di esercizio, di manutenzione e di gestione sulla base dei consumi energetici, del tipo e costo delle fonti di energia disponibili e delle problematiche gestionali prima analizzate. Infatti, come regola di validità generale, i minori costi di esercizio e di gestione sono ottenibili impiegando le soluzioni tecniche più avanzate, che peraltro sono di solito caratterizzate da una maggiore spesa iniziale.

In tal caso è compito del progettista eseguire una stima preliminare dei costi gestionali al fine di determinare il tempo di recupero dell'investimento.

Nella scelta dell'impianto devono inoltre essere considerati eventuali normative legate all'utilizzo di determinati fluidi frigoriferi o possibili limiti relativi alla potenza elettrica impegnata, che impongono l'adozione di impianti speciali (ad esempio accumulo frigorifero).

2.1 Classificazione e tipologie

La classificazione degli impianti di climatizzazione viene effettuata in base al fluido termovettore utilizzato, che può essere aria, acqua o un fluido frigorifero.

Negli impianti a tutta aria il fluido usato è unicamente aria trattata da un'unità centrale e distribuita attraverso una rete di canalizzazioni fino ai vari ambienti ove viene immessa mediante terminali di diffusione.

Gli impianti ad acqua impiegano invece quale fluido termovettore acqua trattata da una centrale termica e da una centrale frigorifera e successivamente distribuita attraverso una rete di tubazioni fino ai terminali in ambiente, costituiti in genere da ventilconvettori.

Negli impianti misti si utilizzano entrambi i fluidi, aria e acqua, con funzioni diverse.

I fluidi frigoriferi vengono impiegati quali fluidi termovettori negli impianti a espansione diretta, per solo raffreddamento oppure per raffreddamento e riscaldamento (sistemi a pompa di calore).

2.2 Impianti ad acqua

Questa categoria di impianti impiega come vettore, sia del freddo che del caldo, l’acqua che viene opportunamente riscaldata o raffreddata in centrale e quindi distribuita mediante pompe di circolazione nei vari ambienti. Gli elementi nei singoli ambienti possono essere ventilconvettori (fan-coils) o mobiletti ad induzione.

Un ventilconvettore è rappresentato schematicamente nella figura seguente:

Immagine 2. 1

L’aria aspirata dalla parte bassa del mobiletto da un ventilatore centrifugo investe la batteria nella quale scorre acqua calda d’inverno e acqua fredda d’estate.

Il complesso è munito di un raccoglitore di condensa necessario nel caso in cui l’aria sia raffreddata e deumidificata. Il ventilatore è spesso a tre velocità, regolabile manualmente. L’impianto, con un certo numero di ventilconvettori in parallelo, si presenta come in figura:

Immagine 2. 2

Durante la stagione fredda è escluso il refrigeratore ed i ventilconvettori vengono alimentati dall’acqua proveniente dalla caldaia. Nella stagione estiva è esclusa la caldaia e i ventilconvettori vengono alimentati dall’acqua proveniente dal refrigeratore. La regolazione dei singoli ventilconvettori può essere attuata mediante termostato ambiente (con commutatore estate-inverno) che inserisce o disinserisce il ventilatore. In altra versione il termostato ambiente agisce su di una valvola a due vie che intercetta il fluido a monte della batteria del ventilconvettore.

Quest’ultimo tipo di regolazione presenta l’inconveniente di rendere variabile la portata dell’acqua nell’intero circuito. A ciò si può ovviare installando in luogo della valvola a due vie, valvole a tre vie deviatrici che by-passano il fluido sulla batteria del ventilconvettore.

Per quanto concerne il rinnovo dell’aria sui singoli ventilconvettori, possono essere installate prese di aria esterna (circa il 20-25% della portata dell’aria trattata). È chiaro che, mancando il controllo del grado igrometrico, in particolare durante il periodo invernale, non si potranno ottenere le migliori condizioni ambientali. Tuttavia, questo tipo di impianto è largamente diffuso grazie al suo basso costo di installazione e di esercizio.

In estate l’acqua viene inviata alle singole utenze a 5÷7°C, variando eventualmente manualmente la velocità del ventilatore del ventilconvettore si possono variare le condizioni ambiente (con una minore velocità dell’aria diminuisce la potenzialità frigorifera, mentre la capacità di deumidificazione resta quasi costante). In inverno l’acqua calda viene inviata alle singole utenze a temperatura variabile in relazione alla temperatura esterna.

2.2.1 Impianti di riscaldamento autonomi

Secondo le norme UNI 5364 “Impianti di riscaldamento ad acqua calda” per impianto di riscaldamento deve intendersi un complesso di materiali, macchinari ed apparecchiature atto a realizzare e mantenere in uno o più locali temperature maggiori di quella esterna. La temperatura è uno dei parametri dell’aria ambiente, non l’unico (tra gli altri velocità, purezza e umidità relativa), da controllare per garantire che gli occupanti un ambiente si trovino in condizione di benessere: tale condizione si ottiene quando il calore prodotto dal metabolismo umano viene smaltito in condizioni ottimali verso l’ambiente esterno contribuendo a mantenere la temperatura del corpo entro valori fisiologici.

Il mantenimento della temperatura di progetto richiede l’intervento dell’impianto; quest’ultimo deve contrastare istante per istante la tendenza spontanea dei locali abitati a raffreddarsi, immettendovi energia sotto forma di calore sensibile in misura pari a quella dispersa. La potenza termica necessaria a mantenere le condizioni di benessere nei locali da riscaldare è detta carico termico.

Il funzionamento di un impianto di riscaldamento si articola logicamente in tre fasi distinte: produzione, distribuzione ed erogazione dell’energia.

La “produzione” del calore è più propriamente una fase in cui l’energia, ad esempio chimica di un combustibile, viene convertita in energia termica; fisicamente la trasformazione si realizza nel generatore di calore.

Nella fase di distribuzione il fluido riscaldato, detto fluido vettore, è messo in moto da una pompa e provvede al trasporto dell’energia prodotta; il fluido vettore può essere acqua liquida, vapore d’acqua, aria. Fisicamente questa fase si realizza con la rete di distribuzione. Questa può essere realizzata con tubazioni in acciaio, rame, materiale plastico. Il rame, pur costando in più dell’acciaio, si fa preferire per la sua facilità di messa in opera; di contro, i diametri grandi si presentano facilmente deformabili in cantiere, pertanto i tubi di acciaio sono adottati nel caso di impianti estesi, mentre il rame prevale nel caso di impianti piccoli e nei tratti terminali di alimentazione dei corpi scaldanti caratterizzati da diametri ridotti.

L’impiego di acqua quale fluido vettore è pressocché generalizzato, stanti gli elevati valori di densità e calore specifico che la caratterizzano; infatti, da tali caratteristiche consegue che la rete di distribuzione necessita di ingombri relativamente limitati, rispetto ad esempio ad impianti ad aria, ed è pertanto facilmente adattabile al layout degli ambienti da servire.

L’ultima fase consiste nell’erogazione dell’energia prodotta agli ambienti da riscaldare; tale fase si realizza nei corpi scaldanti, scambiatori a superficie, mentre per impianti ad aria il fluido vettore viene immesso direttamente in ambiente.

Pertanto, progettare un impianto di riscaldamento significa scegliere/dimensionare nell’ordine: il generatore di calore, la rete di distribuzione e i corpi scaldanti.

Nell’ambito di impianti ad acqua calda che prevedono come fluido vettore l’acqua sotto forma liquida, sono riconoscibili, in base ad una classificazione legata al layout del circuito idraulico, impianti

· a due tubi, Figura 2.3,Immagine 2. a; lo schema prevede che ad ogni corpo scaldante afferisca una tubazione di mandata ed una di ritorno in parallelo rispetto alla maglia su cui insiste il generatore. In tal modo tutti i radiatori vengono alimentati da acqua calda alla massima temperatura.

· a due tubi con ritorno inverso, Figura 2.3,Immagine 2. b; è una variante dello schema precedente che ha lo scopo di consentire un migliore bilanciamento del circuito ma d’altra parte richiede una maggior estensione delle tubazioni.

· monotubo Immagine 2.3,Immagine 2. c; in questo caso i corpi scaldanti sono connessi in serie consentendo un risparmio sulle tubazioni; d’altra parte l’anello è caratterizzato da temperature via via decrescenti che richiedono una maggiorazione della superficie scambiante. Una variante largamente usata prevede lo spillamento dall’anello di alimentazione di una aliquota della portata totale, consentendo un diminuzione delle perdite di carico e l’abbassamento meno marcato delle temperature lungo l’anello. Sovente, per semplificare la messa in opera di questo tipo di impianto, si adopera in questo tipo di impianti una speciale valvola a quattro vie detta appunto monotubo, Immagine 2.3,Immagine 2. d.

· a collettore il cui layout tipico è riportato in Immagine 2.4.

Immagine 2. 3 - classificazione in base al layout del circuito

Immagine 2.4 - layout di un impianto a collettore bitubo

Il fluido vettore di un impianto a collettore bitubo è costituito da acqua sotto forma liquida. Dalla figura si legge che tali impianti sono costituiti essenzialmente da una caldaia, in cui in particolare sono alloggiati la pompa ed il vaso di espansione, una tubazione principale, un collettore, le derivazioni di collegamento tra collettore e radiatori e i radiatori stessi.

Dalla caldaia (Immagine 2.5)si diparte la tubazione principale di distribuzione (rami di mandata e di ritorno) che affluisce ad un collettore. Quest'ultimo è composto da due tubazioni di diametro relativamente grande che fungono da serbatoi cui affluiscono rispettivamente tutte le tubazioni che adducono (tubazioni di mandata) e riportano (tubazioni di ritorno) l'acqua dai singoli corpi scaldanti.

Immagine 2.5

Essendo le derivazioni in parallelo a partire dal collettore e dotate ognuna di un singolo corpo scaldante, questo lay-out dell'impianto consente di realizzare una facile posa in opera dei tubi, in quanto sono richiesti tubi di piccolo diametro con attacchi al collettore e ai corpi scaldanti di tipo meccanico, ossia che non necessitano di saldatura. Inoltre le dimensioni dei radiatori risultano essere limitate, in quanto tutti caratterizzati da elevata temperatura di ingresso dell’acqua, di fatto coincidente con quella di uscita dalla caldaia.

D’altra parte la rete di tubazioni richiesta risulta notevolmente estesa rispetto ad un impianto a collettore monotubo in cui il collettore alimenta dei circuiti derivati (anelli) su cui insistono due/tre radiatori in serie. Proprio per limitare l’estensione delle tubazioni impiegate, oltre che per favorire il bilanciamento della rete (v. dimensionamento idraulico) è opportuno collocare il collettore in posizione baricentrica. I collettori adoperati per impianti di tipo autonomo sono detti “complanari”, una configurazione che consente di collegare i terminali senza accavallare le relative tubazioni, prevedendo le mandate ed i ritorni verso il singolo radiatore accoppiati su di un unico lato,

Immagine 2.6

Gli impianti a collettori sono utilizzati soprattutto per climatizzare edifici civili di tipo residenziale, nuovi o interessati da importanti ristrutturazioni, in quanto le tubazioni si sviluppano sotto pavimento. I circuiti interni sono normalmente realizzati in rame senza saldatura, conformi alla norma UNI EN 1057; tra queste, tipicamente usate negli impianti in oggetto, sono quelle con diametro nominale esterno di 8, 10, 12, 14, 15, 16, 18, con spessori di 1mm; diametri maggiori, cioè 22,25,28, 35 presentano spessori di 1.5mm.

2.3 Impianti a tutta aria

Gli impianti a tutta aria neutralizzano i carichi termici estivi e le dispersioni invernali inviando in ambiente, mediante una rete di canali, un determinato quantitativo d'aria, di valore costante o variabile, opportunamente trattato da un'unità centrale.

Il loro impiego è tipico per il controllo ambientale di locali con ampie volumetrie caratterizzati da un elevato affollamento, dove sono quindi necessari considerevoli volumi di aria di rinnovo. E questo il caso di teatri, cinema, sale congressi, palazzetti sportivi. Vengono inoltre utilizzati per uffici di piccole e grandi dimensioni e per ristoranti.

Gli impianti a tutta aria consentono di ottenere ottimi risultati sia in presenza di carichi costanti sia con carichi variabili. Tra gli aspetti positivi vanno ricordate la possibilità di utilizzare direttamente l'aria esterna per il raffreddamento quando le condizioni esterne lo consentono (free-cooling) e l'assenza di tubazioni e di elementi di scambio all'intemo degli ambienti. Per contro le elevate portale d'aria comportano un notevole ingombro dei canali e il rischio di correnti d’aria provocate da una diffusione non ottimale. Inoltre la regolazione può diventare complessa in presenza di un elevato numero di zone da controllare individualmente.

In relazione alla velocità dell’aria nella rete di distribuzione, è in uso fare una distinzione tra impianti con canali a bassa velocità ed impianti con canali ad alta velocità.

Si suole assumere il limite di separazione tra le due categorie pari a 15 m/s intendendo tale velocità sul canale in partenza dalla centrale.

L’adozione di impianti con canali ad alta velocità, implica l’impiego di tecniche costruttive più raffinate nonché particolari accorgimenti nell’isolamento acustico della rete di distribuzione.

Di entità non trascurabile sono inoltre le perdite di portata di aria a causa della non perfetta tenuta dei canali nelle giunzioni.

Inoltre, al fine di evitare fastidiosi fruscii, l’aria prima di essere immessa nei locali, dovrà perdere parte della sua energia cinetica e pertanto, in corrispondenza delle bocche di immissione dovranno essere realizzate cassette di espansione.

Tuttavia, la tecnica della distribuzione dell’aria con canali ad alta velocità, è sollecitata in modo particolare negli impianti di notevole estensione, dove, per il passaggio della rete di distribuzione con canali a bassa velocità, sarebbero richiesti spazi che gli architetti ed i costruttori non sono propensi a mettere a disposizione del tecnico progettista dell’impianto di condizionamento.

Una ulteriore classificazione distingue gli impianti a portata costante da quelli a portata variabile.

2.3.1 Impianti a portata costante

Gli impianti a portata costante si suddividono a loro volta in impianti destinati al trattarnento di un’unica zona o di più zone.

Per quanto riguarda gli impianti per zona singola, si tratta della più semplice tipologia di impianto ad aria e viene utilizzata per il trattamento di ambienti singoli o di più ambienti con carichi di segno costante, dove non sia necessaria la suddivisione in zone, come ad esempio uffici open space sale conferenze, teatrali o cinematografiche e ristoranti di piccole o medie dimensioni. Può essere impiegata anche per zone specifiche di grandi ambienti, come i padiglioni fieristici o le aree di imbarco degli aeroporti. L’impianto è costituito da un'unita di trattamento dell'aria, da canali e da terminali di immissione e ripresa aria. Quando vengono serviti più ambienti, ognuno di essi riceve una portata d'aria proporzionale al massimo carico termico da neutralizzare nelle condizioni di progetto.
La configurazione dell’unità di trattamento è funzione dei carichi termici e delle condizioni
termoigrometriche e di qualità dell'aria da mantenere in ambiente.

Ad esempio, in riferimento al funzionamento estivo, se l’aria in ambiente si trova a temperatura o a umidità superiore a quella desiderata, il termostato T1 o l’umidostato U1 aprono la valvola di alimentazione della batteria di raffreddamento. In queste condizioni, la batteria risulta alimentata per la deumidificazione anche quando la temperatura ambiente scende sotto i valori desiderati.

Per ovviare a questo inconveniente, un secondo termostato, generalmente posto in ambiente, provvede ad aprire la valvola di alimentazione della batteria di post-riscaldamento ristabilendo le condizioni di temperatura desiderate.

Con questo sistema si riesce a controllare efficacemente la temperatura ambiente e si impedisce all’umidità di aumentare oltre un certo valore prefissato: non è infatti prevista una regolazione in caso di umidità inferiore al valore desiderato.

Invece, in riferimento al funzionamento invernale, un termostato T3 da canale ed un umidostato U da canale, agiscono rispettivamente sul servocomando della batteria di riscaldamento e sul dispositivo di umidificazione. Pertanto, durante la stagione invernale, sarà impedito in ambiente alla

temperatura e all’umidità di scendere al di sotto dei valori prefissati.

Nella sua forma più esemplificata, questo tipo di impianto può essere realizzato con unità monoblocco, semicentrale prefabbricata, quale ad esempio un condizionatore ad armadio in cui la batteria di raffreddamento è costituita dall’evaporatore ad espansione diretta di un gruppo frigorifero autonomo, mentre la batteria di riscaldamento, funzionante ad acqua calda, dovrà essere allacciata ad apposita caldaia.

Talora la batteria di riscaldamento può essere sostituita da batteria elettrica. In altri casi, pur installando la batteria di riscaldamento funzionante ad acqua calda che dovrà svolgere la sua funzione durante l’inverno, viene installata un’ulteriore batteria elettrica che dovrà svolgere solo la funzione di post-riscaldamento nella stagione estiva, in particolare in quei casi in cui in estate non è possibile avere a disposizione una fonte di acqua calda.

Questo tipo di impianto presuppone però che il condizionatore serva un unico locale, oppure che i carichi termici dei singoli locali abbiano un’uguale retta ambiente e ciò in quanto non è possibile inviare contemporaneamente l’aria, trattata in centrale, in condizioni termoigrometriche diverse tra i singoli locali come sarebbe necessario se la retta ambiente, sia in estate che in inverno, non fosse la stessa per tutti gli ambienti.

Immagine 2.7

Gli impianti per più zone vengono utilizzati quando sia prevista la suddivisione di un edificio o di uno stesso ambiente in più zone. Anche in questo caso l’impianto è costituito da un’unità di trattamento dell’aria, da canali e da terminali di immissione e ripresa aria. In ognuna delle singole

zone viene immessa una portata d'aria costante con temperatura variabile in funzione
del relativo carico. Tale variazione di temperatura può essere ottenuta tramite il postriscaldamento locale dell'aria (impianti a singolo canale) oppure mediante la miscelazione tra due
flussi d'aria, uno caldo e uno freddo. In questo secondo caso gli impianti possono essere
multizone o a doppio canale e differiscono tra loro per la posizione delle serrande di miscela. Infatti, negli impianti multizone la miscelazione viene effettuata all’interno di un plenum situato all’interno della centrale di trattamento, mentre con gli impianti a doppio canale, la miscelazione dei due flussi d’aria a diversa temperatura avviene direttamente nei locali. Gli impianti a portata costante a zone multiple consentono un accurato controllo della temperatura e una risposta rapida alle variazioni di carico. I1 controllo dell'umidità è meno preciso in quanto viene effettuato sul valore medio rilevato dalla sonda posta nel canale di ripresa comune a tutte le zone. Questi impianti presentano notevoli sprechi energetici nelle mezze stagioni, momento in cui si verifica una richiesta contemporanea di raffreddamento e di riscaldamento, in quanto l'aria deve essere raffreddata dall'unità centrale per soddisfare la zona con il carico maggiore e successivamente riscaldata, mediante una batteria locale o per miscelazione, così da soddisfare la richiesta di ogni termostato di zona.

Tuttavia è possibile ottenere un notevole risparmio gestionale alimentando le batterie di riscaldamento con acqua calda prodotta mediante gruppi frigoriferi dotati di recuperatori di calore.

2.3.2 Impianti a portata variabile

Questi impianti, detti VAV (Variablee Air Volume), prevedono l'immissione in ambiente di aria con temperatura costante e portata variabile in funzione dei carichi termici delle varie zone.

La variazione di portata è ottenuta mediante apposite cassette terminali di zona, posizionate
sia sul canale di mandata sia su quello di ripresa, che agiscono in base a un segnale prove-
niente da sonde ambiente, poste in ogni locale o zona. A seguito della riduzione di portata della cassetta si verifica una diminuzione della pressione nel canale di mandata, quindi un pressostato provvede a ridurre la portata dei ventilatori di mandata e ripresa.

La regolazione della portata può essere ottenuta con i seguenti dispositivi di controllo:

- serranda sulla bocca di mandata dei ventilatori;

- alette direzionali sulla bocca di aspirazione dei ventilatori;

- variatori di velocità (inverter) del motore dei ventilatori.

Le serrande poste sulla bocca di mandata del ventilatore presentano un costo iniziale contenuto, ma le prestazioni energetiche sono modeste: a una riduzione del 50% della portata corrisponde una potenza assorbita dal ventilatore pari al 75% del valore a pieno carico. L'impiego di alette direzionali poste sull'aspirazione consente invece di ottenere una diminuzione di potenza assorbita pari al calo di portata. La soluzione ottimale dal punto di vista energetico è costituita dall'utilizzo di in verter sui motori che consentono di ridurre la potenza assorbita al 20% in corrispondenza di un decremento di portata del 50%. Essa tuttavia presenta costi iniziali molto più elevali delle precedenti.

Il principale vantaggio degli impianti a portata variabile è rappresentato dalla notevole riduzione della portata totale di aria trattata e della potenza frigorifera installata, in quanto esse vengono calcolate sulla base del massimo carico contemporaneo. Di conseguenza le dimensioni e i costi delle centrali di trattamento e dei canali sono molto più contenuti, così come i consumi energetici per la distribuzione dell'aria.

Per contro gli impianti a portata variabile di tipo tradizionale presentano alcuni limiti per quanto riguarda:

- il funzionamento ai carichi ridotti;

- il trattamento di zone perimetrali;

- il controllo dell’umidità relativa.

Funzionamento ai carichi ridotti. La riduzione d4ella portata d’aria immessa in ambiente può provocare una proporzionale diminuzione della portata d’aria esterna al di sotto del valore minimo richiesto, nonché il funzionamento non ottimale degli apparecchi di diffusione tradizionali, con formazione di ristagni d’aria e di correnti fredde a causa del decremento dell’effetto soffitto. Per evitare tali inconvenienti, la portata viene mantenuta sempre al di sopra del 40% del valore massimo di progetto. Se il carico di raffreddamento scende sotto tale valore, diventa necessario ricorrere a terminali VAV dotati di batterie di postriscaldamento di zona.

Trattamento di zone perimetrali. Gli impianti VAV sono particolarmente adatti a neutralizzare i carichi delle zone interne di edifici adibiti a uffici, caratterizzate da un carico di raffreddamento durante tutto l'anno. Il trattamento delle zone perimetrali, che presentano invece carichi di segno diverso e variabile, deve essere effettuato mediante un sistema che sia pure in grado di riscaldare gli ambienti. Anche in questo caso una soluzione consiste nell'impiego di un impianto VAV con cassette di regolazione dotate di batterie di postriscaldamento. In tal modo rimpianto può funzionare a portata variabile in regime di raffreddamento e a portata costante con postriscaldamento in regime di riscaldamento. Durante le mezze stagioni si verifica uno spreco energetico, ma le portate in gioco sono notevolmente inferiori a quelle di un impianto a portata costante.

In alternativa possono essere utilizzali impianti di tipo misto con ventilconvettori.

Controllo dell'umidità relativa. La riduzione della portata d'aria in seguito alla diminuzione
dei carichi sensibili comporta un calo della capacità di deumidificazione e un aumento dell'umidità relativa. A tale inconveniente si può ovviare scegliendo in fase di progetto un'adeguata temperatura di rugiada della batteria dell'unità. Il valore consigliato alle condizioni di progetto è di 9°C. Ai carichi parziali la temperatura di rugiada viene lasciata diminuire liberamente. Ciò produce una maggiore deumidificazione dell'aria che e quindi in grado di controllare i carichi termici latenti. Se la portata d'aria non scende al di sotto di 3,9 1/s per m² di superficie, l'umidità relativa si mantiene su valori accettabili (40-50%). E’ questo il caso di ambienti per uffici con affollamento normale, mentre per l'impiego in teatri e sale conferenze sono richieste soluzioni specifiche.

2.4 Impianti misti aria-acqua

Si è già indicato che con gli impianti a sola acqua non è possibile ottenere un controllo dell’umidità. In particolare in inverno, l’umidità tende a mantenersi su valori piuttosto bassi, mentre in estate sarà strettamente legata ai carichi interni e una variazione sulla temperatura dell’acqua inviata ai singoli utilizzatori può dare risultati solo parziali.

Per evitare tutto ciò è necessario realizzare il tipo di impianto misto aria-acqua. In centrale termica viene installato un condizionatore di trattamento dell’aria primaria avente la funzione di prelevare dall’esterno un quantitativo di aria e di trattarla opportunamente in relazione alle condizioni interne desiderate. Con ciò all’aria viene affidato il compito di mantenere costante il grado igrometrico desiderato. Nei singoli ambienti invece, vengono installati degli apparecchi alimentati con acqua calda o fredda aventi lo scopo di controllare la temperatura desiderata. In particolare in estate nei singoli utilizzatori viene inviata acqua ad una temperatura tale da impedire la formazione di condensa, ossia con lo scopo di sottrarre soltanto calore sensibile dall’ambiente.

L’aria trattata dal condizionatore centrale non viene ripresa ma sarà espulsa all’esterno o per sovrapressione attraverso le inevitabili aperture degli infissi o mediante un opportuno sistema di estrazione in quei casi in cui la portata dell’aria è di entità rilevante. La temperatura dell’aria trattata dal condizionatore centrale ed inviata ai singoli ambienti è in genere variabile e dipendente dalle condizioni esterne, e comunque non superiore a 30°C in inverno e non inferiore a 10°C in estate.

Nel caso in cui l’aria primaria venga ulteriormente trattata dalle unità terminali (induttori), le temperature da utilizzare sono quelle del grafico seguente:

Immagine 2.8

Si può notare che, in questo caso, durante la stagione invernale l’aria primaria ha una temperatura piuttosto bassa (ma un contenuto di vapore piuttosto elevato, in grado cioè di mantenere il grado igrometrico interno desiderato). Ciò consente di poter eventualmente raffreddare quei locali che per particolari esposizioni all’irraggiamento solare o a causa di carichi interni rilevanti avessero necessità di essere raffreddati. Negli utilizzatori viene inviata acqua calda.

Nelle mezze stagioni, la temperatura dell’aria primaria sarà variabile e piuttosto elevata mentre nei singoli utilizzato sarà inviata acqua fredda.

Nella stagione estiva, si preferisce inviare aria a temperatura piuttosto bassa tale da partecipare alla sottrazione del calore sensibile dell’ambiente. Negli utilizzatori viene inviata acqua fredda.

Gli impianti misti aria-acqua vengono realizzati o con ventilconvettori oppure con i mobiletti detti induttori.

Nel sistema misto con induttori la centrale di trattamento provvede alla deumidificazione e al raffreddamento della sola aria primaria (tutta esterna), che viene distribuita ad alta velocità a unità a induzione poste a pavimento in ogni locale da climatizzare, in genere lungo le pareti perimetrali (Immagine 2.8). Queste unità sono dotate di ugelli, attraverso i quali passa l'aria primaria, che inducono una portata costante di aria ambiente (aria secondaria) a circolare nella batteria di raffreddamento e a miscelarsi con l'aria primaria. La miscela d'aria viene immessa in ambiente attraverso una griglia di mandata. L'aria ambiente può essere sia raffreddata sia riscaldata mediante la batteria dell'induttore, la cui portata d'acqua viene controllata automaticamente in modo da mantenere le condizioni richieste.

Immagine 2.9

Un induttore è costituito essenzialmente da:

1. Una batteria alettata di scambio termico alimentata o da acqua fredda o da acqua calda;

2. Un plenum in cui viene introdotta ad alta pressione l’aria primaria prodotta dal condizionatore centrale;

3. Un sistema di distribuzione dell’aria primaria ad ugelli. L’aria primaria, la cui portata è regolata da apposita serranda, uscendo ad alta velocità dagli ugelli, trascina per induzione una quantità di aria ambiente che viene costretta ad attraversare la batteria di scambio termico. La regolazione del grado igrometrico viene affidata all’aria primaria, mentre il controllo della temperatura si ottiene variando la quantità di acqua calda o fredda inviata nella batteria di scambio termico.

2.5 Impianti ad espansione diretta

Gli impianti di tipo autonomo a espansione diretta di refrigerante possono essere classificati in due tipologie principali:

- impianti multisplit a portata di refrigerante variabile;

- impianti con pompe di calore ad anello d'acqua.

In entrambi i casi le unità autonome installate negli ambienti provvedono a neutralizzare
soltanto il carico sensibile, mentre il trattamento igrometrico e il rinnovo dell'aria devono essere realizzati da un impianto separato di aria primaria.

2.5.1 Impianti a portata di refrigerante variabile

Gli impianti a espansione diretta a portata di refrigerante variabile, comunemente noti come
VRF (Variable Refrigerant Flow), sono stati introdotti una decina di anni fa in Giappone e
hanno avuto una notevole diffusione anche in Europa. I1 sistema consiste in una o più unità
motocondensanti ad aria installate all'esterno, collegate mediante tubazioni frigorifere a gruppi di unità interne a espansione diretta poste in ambiente, che possono funzionare sia in raffreddamento sia in riscaldamento come pompe di calore. Esiste inoltre la versione a recupero di calore che consente, nell'ambito di ogni gruppo di unità, il funzionamento simultaneo di una parte di esse in regime di raffreddamento e delle restanti in riscaldamento. In tal caso il calore assorbito dagli ambienti che vengono raffreddati (ad esempio zone interne) viene recuperato e trasferito agli ambienti da riscaldare (zone perimetrali). Le unità interne sono disponibili in varie tipologie: a pavimento, a parete, a controsoffitto, a cassette a 2 o 4 vie.

Le unità esterne sono dotate di un sistema di regolazione della capacità erogata dal compressore basata su inverter.

Ciò permette un controllo della temperatura indipendente per ogni locale o zona e presenta prestazioni simili a un impianto a fan-coil a 4 tubi. Si tratta di un impianto integrato, completo di sistema di gestione e supervisione, con costi di investimento contenuti e ingombri ridotti. Dato che unità interne ed esterne possono essere installate a notevole distanza, il sistema può essere impiegato anche in edifici di una certa altezza, se sono disponibili piani o vani tecnici intermedi per il posizionamento delle unità esterne. Tuttavia, considerata la presenza di una rete di distribuzione di fluido refrigerante e il rischio di impatto ambientale in caso di perdite dal circuito, se ne consiglia l'utilizzo soprattutto per edifici di piccole e medie dimensioni.

La composizione e la regolazione della centrale di trattamento dell'aria primaria sono identiche a quelle di un impianto misto a ventilconvettori. Per impianti di piccole dimensioni con portata d'aria esterna fino a 2000 m³/h sono disponibili unità di recupero totale di calore a piastre a flussi incrociati in carta speciale impregnata di sali igroscopici.

2.5.2 Impianti con pompe di calore ad anello d'acqua

Questa tipologia di impianto è assai diffusa negli Stati Uniti da più di 30 anni, mentre risulta ancora poco utilizzata in Europa. Il sistema è costituito da apparecchi autonomi a pompa di calore acqua-aria collegati tra loro da un anello d'acqua dal quale ricevono o al quale cedono calore (figura 2.10). In questo modo è possibile realizzare il recupero di calore in edifici caratterizzati da esposizioni diverse e da zone interne con carichi di raffreddamento costanti tutto l'anno. Nel momento in cui alcune unità funzionano in regime di raffreddamento e le restanti sono contemporaneamente in regime di riscaldamento, il calore che le prime asportano dall'ambiente viene trasferito tramite l'anello d'acqua alle zone che devono essere riscaldate, oppure a un serbatoio di accumulo. Nel caso in cui si realizzi l'eguaglianza tra carichi di raffreddamento e di riscaldamento, l'anello d'acqua si trova in equilibrio termico (temperatura compresa tra 16 e 35 °C). Se si superano tali limiti è necessario ricorrere all'integrazione di calore mediante il funzionamento di caldaie di supporto o allo smaltimento con torri di raffreddamento.

L'impianto, integrato da un sistema di distribuzione di aria primaria, consente una regolazione individuale della temperatura ambiente in ogni stagione e offre prestazioni analoghe a un impianto fan-coil a 4 tubi, ma con ingombri ridotti grazie all'impiego di 2 soli tubi che, date le temperature in gioco, non necessitano di isolamento termico. Il sistema è particolarmente adatto a edifici da ristrutturare e trova applicazione in utenze quali uffici, alberghi e negozi di centri commerciali.

Poiché i costi di investimento risultano in genere più elevati rispetto agli impianti tradizionali, i risparmi nelle spese di esercizio devono essere calcolati con esattezza sulla base di una chiara definizione delle condizioni di progetto e di una simulazione dei profili giornalieri e stagionali dei carichi di raffreddamento e di riscaldamento di ciascuna zona. Essendo le unità interne dotate di compressore frigorifero, particolare attenzione va prestata al problema del rumore generato in ambiente.

Il fluido frigorifero impiegato è R-407C. A differenza di quanto avviene negli impianti a portata di refrigerante variabile, il rischio di impatto ambientale è sensibilmente ridotto in quanto la carica è confinata all'interno dell'apparecchio.

Le unità sono disponibili, oltre che nelle comuni tipologie (a pavimento, canalizzazione ecc.), anche nella versione vertical stacked (a sviluppo verticale), concepita appositamente per edifici di grande altezza, completa di tubazioni montanti che consentono l’installazione delle unità in colonna l’una sopra all’altra.

In alternativa all'impiego di generatori di calore, per il mantenimento della temperatura del- l'anello al di sopra di 16°C, può essere valutala la possibilità di utilizzo di acqua di pozzo, di falda (figura 2.10) o di superficie (mare, lago, fiume), oppure del terreno (impianti geotermici), nel quale viene installata una rete di tubazioni in materiale plastico posta in senso orizzontale oppure verticale.

Immagine 2.10. Impianto con pompe di calore ad acqua di falda con pozzo singolo di prelievo(a) e a due pozzi di prelievo e scarico (b).

3 Stima dei carichi termici invernali e obblighi di legge

La progettazione di un impianto di riscaldamento può dividersi in cinque fasi nettamente distinte e sequenziali:

1. calcolo dei carichi termici che, nelle condizioni climatiche e di utilizzo più sfavorevoli, insistono sugli ambienti da riscaldare;

2. dimensionamento dei radiatori, consistente nel calcolo del numero di elementi da attribuire ad ogni singolo radiatore perché soddisfi i carichi termici sull’ambiente;

3. dimensionamento delle tubazioni, consistente nella scelta dei diametri delle tubazioni necessarie ad addurre la richiesta quantità di acqua ai radiatori;

4. scelta della caldaia di adeguata potenza termica; per gli impianti autonomi, tipicamente fino a 30kW di potenza, la scelta della caldaia comporta anche quella del circolatore in essa contenuto e, quindi, la verifica della sua compatibilità con l’impianto;

5. verifica delle prestazioni dell’impianto.

Con riferimento all’Immagine 3.1, si consideri un ambiente da riscaldare, rappresentativo di un singolo locale ovvero di un intero edificio, con aria in condizioni “A” quando sono “E” le condizioni relative all’ambiente esterno. In condizioni stazionarie, un bilancio di energia su di un volume di controllo (tratteggiato in figura) che contenga l’aria ambiente porge

Immagine 3.1 - bilancio di energia sull’aria dell’ ambiente

_imp = _vent (h_E-h_A)+ - - (1)

essendo: la potenza termica erogata dall’impianto all’ambiente considerato; _vent, la portata di aria dovuta alle infiltrazioni e ai ricambi; , la potenza termica dispersa attraverso le superfici che delimitano l’ambiente (involucro edilizio), inclusiva dei contributi dovuti allo scambio verso l’ambiente esterno e verso locali non riscaldati, , nonché di quella verso il terreno. I termini e rappresentano gli apporti di calore “gratuito”, ossia flussi positivi non resi dall’impianto, dovuti ai carichi elettrici ovvero a cause interne all'ambiente quali, ad esempio, luci e persone ed all’irraggiamento, rispettivamente. Le condizioni stazionarie ipotizzate sono, ovviamente, una astrazione di comodo motivata dalla limitata escursione della temperatura di progetto se rapportata al salto di temperatura interno/esterno tipico della stagione invernale.

Facendo riferimento all’ipotesi di unidimensionalità, la aliquota della potenza dispersa verso l’ambiente esterno e/o verso locali non riscaldati è rappresentabile mediante la

=S_i=1..p U_i A_i (T_A – T_E,i) (2)

essendo la sommatoria estesa a tutte le p pareti disperdenti che delimitano il locale in oggetto, U_i il coefficiente globale di scambio ed A_i la superficie interna della i-esima parete piana. Il simbolo T_E,i rappresenta la temperatura dell’aria indisturbata sulla faccia esterna della parete considerata, che può eventualmente coincidere con la temperatura dell’ambiente esterno T_E.

Si noti che ai fini del dimensionamento degli impianti di riscaldamento si assume che la T_E sia la media delle temperature minime locali escluso i minimi assoluti, temperatura invernale esterna di progetto; i valori di T_E sono tabulati per diverse località italiane nella norma UNI 5364-76 (ad esempio per Salerno e Napoli si legge T_E = 2°C, per Avellino T_E = -2°C). La stessa norma, laddove la località non sia espressamente indicata, suggeriva delle correzioni tenendo conto della diversa altezze sul livello del mare tra la località effettiva e quella di riferimento elencata (cioè il capoluogo di provincia più vicino in linea d’aria e sullo stesso versante geografico); le temperature di progetto possono essere altresì corrette in dipendenza dalla situazione ambientale (in complesso urbano, in piccolo agglomerato, isolato) e, limitatamente ai piani più alti degli edifici viciniori, dalla altezza dell’edificio in oggetto.

Il termine relativo alla ventilazione è stato esplicitato considerando che una portata di aria fredda di entità _vent rimpiazza (mediamente) una uguale ma calda pre-esistente nell’ambiente da riscaldare, per cui:

_vent = _vent (h_A- h_E) = _vent c_p(T_A- T_E) = 0.34 n V (T_A- T_E) (3)

ove _vent è espresso in watt; l’ultimo passaggio si giustifica considerando che le portate massiche di ventilazione vengono sovente correlate alle corrispondenti volumiche espresse in termini di volumi ambiente, V, ricambiati in una ora,

n= (3600 _vent/r_a)/V (4)

ed assumendo per l’aria i consueti valori di densità, r_a=1.2kg/m³, e calore specifico a pressione costante, c_p=1006J/kg/K. Vale la pena notare che la precedente espressione è valida posto che i simboli che vi figurano siano espressi in unità SI.

La (2) conduce al calcolo della potenza termica massima o di picco che l’impianto deve erogare se si trascurano, a beneficio di sicurezza, gli apporti di calore gratuito e se si fa riferimento alla temperatura invernale esterna di progetto. In tali ipotesi, la (3) mostra come calcolare i carichi termici significa quantificare i contributi dovuti alla ventilazione ed alle dispersioni. La procedura è regolamentata da diverse norme alcune delle quali recepite anche da leggi e decreti nell’ambito del risparmio energetico da cui il progettista termotecnico non può prescindere. D’altra parte, oltre al calcolo della potenza di picco utile al dimensionamento dell’impianto, la legge prescrive il rispetto di alcuni parametri rappresentativi del consumo energetico dell’impianto. Una breve rassegna sugli adempimenti richiesti dalla legge sarà condotta nel prossimo paragrafo, mentre di seguito verranno illustrate le procedure per condurre il calcolo dei carichi termici

Come innanzi precisato, il calcolo dei carichi termici per il dimensionamento dell’impianto va effettuato in armonia con la norma UNI 7357-74. Il calcolo della potenza termica scambiata attraverso le pareti, confinanti con l’esterno o con ambienti a temperatura nota, avviene ritenendo le pareti stesse soggette ad un flusso termico unidimensionale attraverso il loro spessore ed in condizioni di regime stazionario. Ciò richiede il calcolo delle relative resistenze termiche conduttive/convettive, per una opportuna differenza di temperatura: =U A (T_o-T_est), essendo T_o la temperatura operante dell’ambiente, definita come il valor medio tra temperatura dell’aria interna, T_int, e la temperatura media delle superfici interne che delimitano l’ambiente. La temperatura operante dell’ambiente tiene conto che la sensazione di benessere delle persone e’ dovuta sia agli scambi termici convettivi con l’aria che a quelli radiativi con le pareti circostanti. La norma recepisce le indicazioni per T_int e T_est dettate dalla UNI 5364 e fornisce delle temperature di prima approssimazione per i locali non riscaldati. La temperatura dell’aria interna, in questo contesto assunta coincidente con quella operante e pari a 20°C, e’ fissata in base alla destinazione d’uso dei locali e rappresenta un buon compromesso compatibile con benessere e consumi. La UNI 7357 suggerisce di assumere i seguenti valori per i coefficienti di scambio termico superficiale o adduttanze unitarie:

	giacitura	h [W/m^2K]	r [m^2K/W]	he se w>4m/s [m^2K/W]
	sup. orizzontali (soffitti)	9.3	0.11	-
	sup. orizzontali (pavimenti)	5.8	0.17	-
	sup. verticali (pareti int.)	8.14	0.123	-
	sup. vert. od oriz. (soffitti)	23.25	0.043	2.3+10.46
	sup. orizzontali (pavimenti)	16.28	0.061	0.7 (2.3+10.46)

Tabella 3.1 - coefficienti di scambio termico interni ed esterni

ove con w si è indicata la velocità del vento e l’emissività delle superfici è assunta pari a 0.9; qualora la velocità del vento superi i 4m/s i valori del coefficiente di scambio termico esterno vanno corretti con i valori riportati nell’ultima colonna della tabella. Per determinare la velocità del vento si fa riferimento alla norma UNI 10349. Per quanto attiene ai componenti finestrati occorre riferirsi alla norma UNI 10345.

Lo scambio termico attraverso soffitti o pavimenti si riconduce ai casi precedenti, ad eccezione di quello in cui il pavimento poggia sul terreno; anche questo caso è descritto dettagliatamente nelle norme UNI 10346 ove si fa riferimento alla differenza di temperatura tra il locale riscaldato e la temperatura dell’acqua delle falde superficiali (10-15°C). Ovviamente occorre introdurre una trasmittanza fittizia definita come K_l=1/(1/K_p+1/C), ove K_p e’ la trasmittanza del pavimento e C la conduttanza del terreno, variabile tra 1.15 e 2.3W/m²K.

I gas si comportano come ottimi isolanti alla conduzione del calore, pertanto è frequente il caso in cui nella parete siano presenti intercapedini; se il loro spessore e’ inferiore ai 10 cm, supponendo una emissività tipica dei materiali da costruzione pari a 0.9 possono adottarsi i valori suggeriti dalla norma, facenti riferimento alla resistenza termica dello strato di aria supposto stagnante:

	spessore	spessore
hint [W/m^2K]	1cm	2¸10cm
strato d’aria orizz. (flusso di calore ascendente)	7.56	7.0
strato di aria verticale	7.56	6.4
strato d’aria orizz. (flusso di calore discendente)	7.56	5.2

Tabella 3.2 - coefficienti superficiali per intercapedini

Nella ipotesi di situazioni differenti da quelle considerate nel prospetto, i valori delle resistenze termiche di intercapedine devono essere calcolati in accordo secondo quanto riportato di seguito, ovvero secondo la UNI 10345, che considera l’innesco di moti convettivi nello spazio che separa le due pareti.

La resistenza termica di un’intercapedine chiusa è data da:

Rs=(hg + hr)-1 (5)

dove h_g è la conduttanza termica convettiva del gas presente nell’intercapedine; h_r è la conduttanza termica radiativa tra le superfici che racchiudono lo spazio gassoso. La conduttanza termica radiativa è data da:

h_r= 4 s (1/e₁+1/e₂-1)^-1 T_m³ (6)

dove s è pari a 5,87 10^-8 W/(m²K⁴); e₁e e₂ sono le emissività delle due superfici; T_m è la temperatura assoluta media tra le due superfici dell’intercapedine.

La conduttanza termica convettiva del gas nell’intercapedine è data da:

h_g = Nu k/s (7)

dove k è la conduttività termica del gas; s è lo spessore dell’intercapedine; Nu è il numero di Nusselt esprimibile come

Nu = a (Gr Pr)^b (8)

dove a e b sono dei valori caratteristica della geometria dell’intercapedine e del regime di moto al suo interno; Gr è il numero di Grashof; Pr è il numero di Prandtl. Si riconoscono gli stessi gruppi adimensionali studiati nel capitolo di Trasmissione del Calore. I valori della costante a e dell’esponente b della equazione sono i seguenti:

superfici verticali :	a = 0.035	b = 0.38
superfici orizzontali:	a = 0.16	b = 0.28
superfici inclinate :	a = 0.10	b = 0.31

Tabella 3.1 - valori delle costanti a e b per la determinazione del numero di Nusselt

Il valore attinto dall’esponente b ricorda che questa è valida nel regime turbolento, situazione che si instaura di fatto nelle applicazioni usuali riguardanti l’ambiente abitativo. Una seconda osservazione è che, dato che nell’intercapedine si avrà una lama d’aria ascendente su di una parete ed una discendente sulla parete opposta, la conduttanza h_g è pari a h_g = a/2, con h riferito allo scambio termico relativo ad una sola parete. Le espressioni sopra riportate consentono di mostrare che la resistenza di una intercapedine verticale aumenta con lo spessore fino a circa 5 cm corrispondentemente all’aumento dei fenomeni convettivi per poi successivamente stabilizzarsi.

Per tener conto “dell’insolazione normale, del diverso grado di umidità delle pareti, della diversa velocità e temperatura dei venti”, la equazione (Errore. L'origine riferimento non è stata trovata.) viene corretta introducendo dei coefficienti maggiorativi:

S	SO	O	NO	N	NE	E	SE
-	2-5	5-10	10-15	15-20	15-20	10-15	5-10

Tabella 3.4

Un’ altra tipologia di scambio termico è legata ai ponti termici, ossia a discontinuità di tipo geometrico o nei materiali degli elementi strutturali dell'edificio che favoriscono il passaggio del flusso termico, laddove vengono meno le ipotesi di unidimensionalità su cui è basato il calcolo della . In queste zone il flusso termico non è più schematizzabile secondo il semplice modello uni-dimensionale studiato ed è pertanto di difficile caratterizzazione analitica. Le norme EN ISO 10211-1 e 14683 trattano in modo dettagliato il problema. L'incidenza percentuale delle dispersioni dovute ai ponti termici su quelle complessive che interessano l'ambiente può arrivare normalmente a valori intorno al 10-15%.

Per quanto concerne il carico dovuto ai ricambi, la norma suggerisce per la portata volumetrica di ventilazione, _vent, 1 e 2 volumi ambiente/ora per cucine e bagni, rispettivamente. Il DPR 412 , in mancanza di impianti previsti per il ricambio forzato di aria, valuta convenzionalmente la portata volumetrica di ventilazione per i restanti ambienti nella misura di ½ volume ambiente/ora. Le corrispondenti portate massiche di ventilazione risultano essere _vent =r_{a vent}, essendo la densità dell’aria, r_a, assunta pari a 1.2kg/m³.

Per tener conto dei transitori termici dovuti all’intermittenza di funzionamento la 7357 indica valori maggiorativi del carico variabili, a seconda dell’utilizzo giornaliero dell’impianto, tra circa il 10% ed il 20%.

3.1 Linee guida e condizioni di progetto

3.1.1 Il risparmio energetico

Senz'altro la normativa sul contenimento dei consumi energetici ha svolto, in Italia, un ruolo positivo consentendo, attraverso il miglioramento dell'isolamento termico degli edifici, di realizzare abitazioni dotate di un maggiore comfort e di ridurre gli sprechi di combustibili con evidenti benefici economici per la nostra bilancia dei pagamenti. Ne è derivata una vantaggiosa evoluzione degli impianti termici che, rispetto al passato, si presentano notevolmente più semplici, con generatori di calore che necessitano di minore potenza termica e con apparecchiature che cedono agli ambienti il calore prodotto tramite corpi scaldanti di peso e di ingombro inferiori.

Vi è stata una spinta a curare, con maggiore attenzione che nel passato, la manutenzione degli impianti.

Ha ricevuto un impulso, inoltre, attraverso la concessione di contributi, il perfezionamento tecnologico dei componenti e la realizzazione di impianti in grado di operare con migliori rendimenti.

Ha contribuito poi ad un ulteriore miglioramento della situazione l'emanazione di decreti che hanno imposto condizioni per un più efficace isolamento termico degli edifici. Tuttavia a fronte dei vantaggi fin qui prospettati non si possono ignorare i risvolti negativi, rappresentali dalle carenze applicative della normativa considerala. Il contenimento dei consumi energetici per usi termici negli edifici civili è stato sostanzialmente regolalo, fino ad un recente passato, dalla Legge n. 373/76, dalla Legge 308/82 e dai relativi regolamenti di esecuzione e decreti di attuazione. Allo stesso fine, disposizioni per l'esercizio degli impianti di riscaldamento sono state dettate dalla Legge n. 645/83.

Le leggi appena citate sono state abrogate dalla successiva Legge 9.1.91, n. 10. Rimane in vigore solo l'art. 23 della legge 308/82, che riguarda l'obbligo per i costruttori o importatori di apparecchi di riscaldamento o domestici di munire questi di etichetta con informazioni sul consumo di energia. Tra l'altro, sono soggetti a tale obbligo apparecchi per produzione di acqua calda, bruciatori, caldaie, generatori di aria calda, stufe.

Dei decreti preesistenti, rimangono in vigore quelli elencati nel seguito.

- HM 23.11.82 (Ministero dell'Industria) - "Direttive per il contenimento del consumo di energia relativo citici termoventilazione ed alla climciti^az.ione di edifici industriali ed artigianelli ".

Il decreto regola le caratteristiche di consumo termico e di ventilazione. Gli impianti per il riscaldamento devono essere progettati per mantenere una temperatura interna dell'aria non superiore a 18 °C (salvo deroghe per edifici con esigenze tecnologiche o di lavorazione richiedenti temperatura superiore), con tolleranza per la temperatura di esercizio di +2 "C. Il decreto stabilisce norme sulla determinazione dei volumi di aria di ventilazione consentiti, sulle modalità per limitare la dispersione di inquinanti localizzati e quindi l'entità dei ricambi d'aria necessari, sull'eventuale necessità di installare apparecchiature per il recupero del calore disperso. Fissa inoltre le caratteristiche dell'isolamento termico dell'edificio in funzione della zona climatica, del minierò di gradi-giorno e del rapporto tra superficie disperdente e volume dell'edificio.

Nel calcolo della potenza termica dell'impianto generatore di calore per riscaldamento va tenuto conto del calore residuo derivante da processi industriali o artigianali che si svolgono all'interno dell'edificio stesso e di eventuali contributi di calore provenienti da impianti utilizzanti fonti rinnovabili di energia.

- DM 22.6.S3 (Ministero dei Lavori pubblici) - "Definizione dei criteri generali tecnico- costruttivi e tipologie per l'edilizia sovvenzionata, convenzionala e privata, che facilitino l'impiego di fonti di energia rinnovabili o il risparmio e/o il recupero di energia "

Legge 9.1.91, n. 10 - "Norme per l'attuazione del Piano energetico nazionale in materia di uno razionale dell'energia, di risparmio energetico e di sviluppo delle fonti rinnovabili di energia", mira a favorire e ad incentivare - in accordo con la politica energetica dell'Unione Europea - il contenimento dei consumi di energia nella produzione e nell'utilizzo dei manufatti, l'utilizzazione delle fonti rinnovabili di energia, la riduzione dei consumi specifici di energia nei processi produttivi, una più rapida sostituzione degli impianti in particolare nei settori a più elevata intensità energetica.

Punta alla riduzione del consumo specifico di energia attraverso la messa in atto di incentivi costituiti da contributi in conto capitale da concedere ad interventi di:

- coibentazione in edifici esistenti:

- installazione di nuovi generatori di calore ad alto rendimento, di pompe di calore, di impianti per l'utilizzo di fonti rinnovabili di energia, di apparecchiature per produzione combinata di energia elettrica e calore, di impianti fotovoltaici:

- installazione di sistemi di controllo integrati e di contabilizzazione differenziata dei consumi di calore;

- trasformazione di impianti centralizzati di riscaldamento in impianti unifamiliari a gas dotati di sistema automatico di regolazione della temperatura con determinazione dei consumi per le singole unità immobiliari.

Sono previsti contributi per il contenimento dei consumi energetici anche nei settori industriale, artigianale e terziario. La legge impone, ai forti consumatori di energia, la nomina di un tecnico responsabile, nel loro ambito, della conservazione e dell'uso razionale dell'energia. Particolare accento pone la legge al contenimento del consumo di energia negli edifici pubblici e privali, anche nell'esercizio e manutenzione degli impianti esistenti. Tali edifici ed i relativi impianti devono essere progettati, messi in opera ed utilizzati ponendo viva attenzione alle relative caratteristiche energetiche e curando in esercizio e manutenzione il contenimento dei consumi di energia. Gli impianti di riscaldamento al servizio di edifici di nuova costruzione devono essere progettati e realizzati in modo tale da consentire l'adozione di sistemi di termoregolazione e di contabilizzazione del calore per ogni singola unità immobiliare. La legge prevede l'emanazione di norme per la certificazione energetica degli edifici, assegna ai Comuni controllo e verifiche dell'osservanza delle norme e stabilisce sanzioni per l'inosservanza di esse.

II DPR 26.8.93, n. 412. costituisce uno dei decreti applicativi della Legge 10/91;

è il "Regolamento che reca norme per la progettazione, l'installazione, l'esercizio e la manutenzione degli impianti termici degli edifici ai fini del contenimento dei consumi di energia". Rispetto alla precedente normativa è più attento agli aspetti prestazionali del sistema edificio-impianto: fornisce regole più puntuali per l'esercizio e la verifica degli impianti termici; introduce una certa, sia pur limitata, liberalizzazione d'uso. 11 decreto anzitutto fornisce:

- l'individuazione delle zone climatiche e dei gradi-giorno per tutti i comuni italiani;

- una classificazione generale degli edifici per categorie in base alla loro destinazione d'uso;

- i valori massimi della temperatura ambiente consentiti nella stagione di riscaldamento ed i limiti temporali di esercizio degli impianti termici:

- i metodi da seguire per il calcolo del fabbisogno energetico normalizzato per la climatizzazione invernale;

- le responsabilità e le sanzioni che riguardano i proprietari, i locatari, gli amministratori, i gestori ed i manutentori per l'esercizio e la manutenzione dell'impianto termico. I progettisti sono tenuti a redigere il progetto dell'impianto ed una relazione tecnica che attesti la piena rispondenza dell'edificio e dell'impianto alle prescrizioni di legge. Le installazioni di nuovi impianti, o le ristrutturazioni, devono essere eseguite da soggetti in possesso dei requisiti previsti dalla Legge 46/90; essi devono attenersi strettamente a quanto specificato nel progetto e nella relativa relazione tecnica. Gli installatori sono responsabili della prima compilazione del libretto di impianto o di centrale di cui ogni installazione termica deve essere fornita. Impianti centralizzati al servizio di edifici di nuova costruzione devono essere suddivisi in singole zone adatte all'applicazione di termoregolazione e di contabilizzazione del calore per ogni singola unità immobiliare. Gli impianti termici di nuova installazione e quelli sottoposti a ristrutturazione devono essere dimensionati in modo da assicurare per i generatori di calore un rendimento termico utile minimo e per l'impianto un "rendimento globale medio stagionale" non inferiore ad un valore minimo che il DPR stabilisce in funzione della potenza utile del generatore di calore installato. Il rendimento globale medio stagionale è definito come rapporto tra il fabbisogno di energia termica utile per la climatizzazione invernale e l'energia primaria delle fonti energetiche utilizzate nell'intero periodo annuale di esercizio (convenzionalmente stabilito in relazione alla zona climatica di appartenenza).

Negli impianti termici ad acqua con potenza nominale non inferiore a 350 RW questa deve essere suddivisa su almeno due generatori; costituisce eccezione il caso in cui. Nella sostituzione di generatori di calore già esistenti, si oppongano particolari motivi di natura tecnica o economica. Per ogni generatore va predisposto almeno un punto di prelievo di campioni dei prodotti della combustione.

Va sempre prevista l'evacuazione dei fumi sopra il tetto dell'edificio, tranne in alcuni specifici casi: semplice sostituzione di apparecchi individuali; singola ristrutturazione di impianti autonomi esistenti, situati in stabili plurifamiliari che nella versione iniziale non dispongono già di scarico dei fumi con sbocco sopra il tetto: installazione di stufe, caminetti, radiatori individuali, scalda acqua unifamiliari.

Per impianti centralizzati destinati sia alla climatizzazione sia alla produzione di acqua calda sanitaria deve essere previsto l'espletamento dei due servizi su generatori separati. salvo che motivazioni di natura tecnica o economica (da specificare nella relazione tecnica) non sconsiglino tale soluzione.

Gli impianti di nuova installazione con potenza complessiva superiore a 350 kW vanno dotati di sistema di trattamento dell'acqua (secondo norma UNI 8065).

Gli impianti - nuovi o ristrutturati - di produzione di acqua calda sanitaria, centralizzati per utenze di tipo abitativo, vanno dimensionali secondo la norma LINI 9182 con idoneo accumulo e vanno dotati di termoregolazione per non superare temperature di 48 "C (+5 °C di tolleranza).

Per l'installazione di generatori individuali, in impianti nuovi o ristrutturati, è obbligatorio l'impiego di apparecchiature di tipo stagno, esclusi i casi di semplice sostituzione, di in- compatibilità con l'esistente sistema di evacuazione dei fumi o di installa/ione degli apparecchi all'esterno o in adeguati locali tecnici.

Tutte le tubazioni di distribuzione del calore devono essere adeguatamente coibentate: quelle portanti fluidi a temperature diverse (per esempio mandata e ritorno dell'impianto termico) devono essere coibentate separatamente.

In impianti di riscaldamento centralizzati per più utenze con potenza ≥.35 kW e obbligatoria la termoregolazione climatica con programmatore pilotato da sonda esterna e sonde termometriche di mandata e di ritorno.

La regolazione della temperatura ambiente potrà essere fatta:

- su due livelli sigillati nell'arco delle 24 ore (anche per impianti autonomi di qualsiasi potenza);

- su un livello se per ogni singola zona risulta installato e funzionante un sistema di contabilizzazione e termoregolazione dotato di programmatore con possibilità di taratura su due livelli.

Per i nuovi impianti o ristrutturazioni che prevedono rinnovo d'aria con sistemi a ventilazione meccanica controllala va adottata un'apparecchiatura di recupero del calore dell'aria ricambiata.

Impianti nuovi o ristrutturati al servizio di edifici con diverso fattore di utilizzo (contemporanea presenza di uffici, di abitazioni, di scuole eco.) vanno suddivisi in zone per permettere la parzializzazione della climatizzazione in funzione delle condizioni di occupazione dei locali.

Nel caso di installazione, in centrale termica, di più generatori di calore il loro funzionamento deve essere attivato in modo automatico in base al carico termico dell'utenza. Per gli impianti con utilizzo discontinuo e obbligatorio l'uso di programmatori settimanali o mensili che consentano lo spegnimento del generatore o l'intercettazione o l'attenuazione del funzionamento.

Quando in singoli locali si presume il verificarsi di possibili apporti termici gratuiti (per esempio per insolazione, per consistenti riunioni di persone eco.) superiori al 20% del fabbisogno energetico complessivo, calcolato nello stesso mese in cui - nell'arco del periodo di riscaldamento - si ha maggiore insolazione, è obbligatorio l'impiego di singola termoregolazione localizzata.

Tutti gli impianti termici, nuovi o preesistenti, devono essere dotati di apposito libretto del quale il DPR fornisce la struttura: sul libretto tra l'altro va riportato il nominativo del responsabile dell'esercizio e della manutenzione: tale responsabile dev'essere persona idonea e quindi in possesso di determinati requisiti.

Nel caso di impianti termici individuali sono senz'altro accettabili i soggetti che la Legge 46/90 abilita alla manutenzione degli impianti: per impianti termici centralizzali con potenza nominale superiore a 350 kW, ed in ogni caso per impianti di edifici pubblici o ad uso pubblico, il responsabile dovrebbe essere iscritto ad albi nazionali pertinenti la categoria della gestione e manutenzione degli impianti termici.

Sul "libretto d'impianto", per impianti con potenza inferiore a 35 kW. si registrano le caratteristiche dell'impianto e dei relativi componenti, i risultati delle verifiche e gli interventi di manutenzione effettuati.

Per impianti di potenza uguale o superiore a 35 kW è prescritto il "libretto di centrale", che costituisce anche una guida all'esercizio ed alla manutenzione; su esso vanno registrate, oltre che le caratteristiche dell'impianto e dei relativi componenti, le sostituzioni di componenti effettuate e molto dettagliate informazioni relative a verifiche, manutenzione ordinaria e straordinaria, consumi di combustibile.

Per impianti di potenzialità non inferiore a 350 kW, almeno due volte l'anno, va effettuata la verifica del rendimento di combustione; i risultati delle verifiche vanno riportati sul libretto di centrale.

Va ricordato che i generatori di calore installati antecedentemente alla data di entrata in vigore del DPR 412/93 (29.10.93) dovevano essere portati, con operazioni di manutenzione, a rendimenti di combustione non inferiori a limiti che il decreto stabilisce. In caso di impossibilità essi andavano sostituiti con le seguenti scadenze:

- potenza nominale di 350 kW ed oltre entro il 30.9.1994:

- potenza inferiore a 350 kW, per le zone climatiche E ed F entro il 30.9.1995;

- potenza inferiore a 350 kW, per le restanti zone climatiche entro il 30.9.1996.

I1 decreto riporta una tabella dei gradi-giorno dei comuni italiani, raggruppati per regioni e provincie. e modelli del "libretto d'impianto" e del "libretto di centrale".

Modificazioni ed integrazioni alla tabella relativa alle zone climatiche di appartenenza dei vari comuni italiani, di cui al DPR 412/93 sono contenute nei DM 6.8.94 e I)M 16.5.95 del Ministero dell'Industria.

Modifiche al DPR 412/93 sono state apportate dal DPR 21.12.99. n. 551.

Sgravi fiscali per gli interventi di recupero del patrimonio edilizio, ai fini del risparmio energetico, oltre che dalla Legge 10/91, sono stati considerati dal DM 15.2.92 e dalla legge 27.12.97, n. 449. Disposizioni operative in materia sono contenute nella Circolare 24.2.98, n. 57 (Ministeri delle Finanze e dei Lavori pubblici), nella Legge 23.12.99, n. 488 (legge finanziaria per il 2000) e nelle Circolari n. 247 (del 29.12.99) e n. 71 (del 7.4.00) del Ministero delle Finanze.

Il D.Lgv. 31.3.98, n. 112. ha conferito funzioni e compiti amministrativi dello Slato alle Regioni ed agli Enti locali. In base ad esso le Regioni svolgono funzioni di coordinamento dei compiti attribuiti agli Enti locali per l'attuazione della Legge 10/91 e del DPR 412/93.

Il Decreto Legislativo 19 agosto 2005, n. 192, che recepisce la direttiva 2002/91/CE, introduce alcune novità in materia di rendimento energetico negli edifici. Vengono stabiliti i criteri, e le modalità per migliorare le prestazioni energetiche degli edifici, considerati anche gli obiettivi posti dal protocollo di Kyoto.

Inoltre il Decreto 192 va a riordinare il metodo di calcolo delle prestazioni energetiche integrate degli edifici, i criteri generali per la certificazione energetica degli edifici nonché le ispezioni periodiche degli impianti di climatizzazione.

Vengono poi stabiliti i criteri per garantire la qualificazione e l'indipendenza degli esperti incaricati della certificazione energetica e delle ispezioni degli impianti.

In particolare si evidenzia che il decreto ha modificato la norma che prevede, per le caldaie inferiori a 35 Kw il controllo annuale da parte di personale qualificato, che costava ogni anno dai 60 ai 100 euro.

La frequenza per la revisione diviene ogni 4 anni (per le caldaie con meno di 8 anni di vita) ed ogni 2 anni per quelle con più di 8 anni di vita (oppure di tipo B a camera aperta).

In particolare si riporta di seguito l’Articolo 1:
1. Il presente decreto stabilisce i criteri, le condizioni e le modalità per migliorare le prestazioni energetiche degli edifici al fine di favorire lo sviluppo, la valorizzazione e l'integrazione delle fonti rinnovabili e la diversificazione energetica, contribuire a conseguire gli obiettivi nazionali di limitazione delle emissioni di gas a effetto serra posti dal protocollo di Kyoto, promuovere la competitività dei comparti più avanzati attraverso lo sviluppo tecnologico.

2. Il presente decreto disciplina in particolare:

a) la metodologia per il calcolo delle prestazioni energetiche integrate degli edifici;

b) l'applicazione di requisiti minimi in materia di prestazioni energetiche degli edifici;

c) i criteri generali per la certificazione energetica degli edifici;

d) le ispezioni periodiche degli impianti di climatizzazione;

e) i criteri per garantire la qualificazione e l'indipendenza degli esperti incaricati della certificazione energetica e delle ispezioni degli impianti;

f) la raccolta delle informazioni e delle esperienze, delle elaborazioni e degli studi necessari all'orientamento della politica energetica del settore;

g) la promozione dell'uso razionale dell'energia anche attraverso l'informazione e la sensibilizzazione degli utenti finali, la formazione e l'aggiornamento degli operatori del settore.

3. Ai fini di cui al comma 1, lo Stato, le regioni e le province autonome, avvalendosi di meccanismi di raccordo e cooperazione, predispongono programmi, interventi e strumenti volti, nel rispetto dei principi di semplificazione e di coerenza normativa, alla:

a) attuazione omogenea e coordinata delle presenti norme;

b) sorveglianza dell'attuazione delle norme, anche attraverso la raccolta e l'elaborazione di informazioni e di dati;

c) realizzazione di studi che consentano adeguamenti legislativi nel rispetto delle esigenze dei cittadini e dello sviluppo del mercato;

d) promozione dell'uso razionale dell'energia e delle fonti rinnovabili, anche attraverso la sensibilizzazione e l'informazione degli utenti finali.

3. Ai fini di cui al comma 1, lo Stato, le regioni e le province autonome, avvalendosi di meccanismi di raccordo e cooperazione, predispongono programmi, interventi e strumenti volti, nel rispetto dei principi di semplificazione e di coerenza normativa, alla:

a) attuazione omogenea e coordinata delle presenti norme;

b) sorveglianza dell'attuazione delle norme, anche attraverso la raccolta e l'elaborazione di informazioni e di dati;

c) realizzazione di studi che consentano adeguamenti legislativi nel rispetto delle esigenze dei cittadini e dello sviluppo del mercato;

d) promozione dell'uso razionale dell'energia e delle fonti rinnovabili, anche attraverso la sensibilizzazione e l'informazione degli utenti finali.

3.1.2 Il coefficiente Cd

Con l’introduzione della legge 373/76 e di uno dei suoi decreti attuativi (DPR 1052/77), avendo essi come obiettivo il risparmio energetico negli edifici pubblici e privati, sono stati fissati dei limiti massimi per i carichi relativi ad ogni locale riscaldato e quindi un tetto alla potenza nominale dei generatori di calore. Tale obiettivo veniva raggiunto ridefinendo il carico termico totale di un singolo locale mediante l’introduzione del coefficiente volumico totale C_T:

(1)

essendo V il volume netto del locale considerato. Il termine m_ventc_p è pari a 0.34n ed assume il nome di coefficiente volumico di ventilazione,

C_v=0.34n (2)

Mentre risulta naturale definire coefficiente volumico di dispersione il termine

(3)

cosicché,

C_T=C_D+C_V (4)

L’interpretazione del coefficiente C_D può essere facilitata introducendo la definizione di :

(5)

dove:

(6)

S_i è la superficie delle singole pareti interne, K_i la trasmittanza corrispondente e S_t è la superficie totale delle pareti. Sostituendo la (5) nella (3), si ha:

(7)

oppure:

(8)

la (7) e la (8) mostrano come, per un locale di prefissate geometrie, il C_D sia un parametro caratteristico dell’isolamento termico, svincolato dalle caratteristiche climatiche della località. Pertanto il C_D è usato per comparare, dal punto di vista energetico, ambienti in località diverse.

Il criterio adottato per contenere la potenza termica dell’impianto ovvero quella relativa ai singoli locali consisteva nel verificare che:

C_D ≤ C_D,lim ó ≤

ove C_D,lim rappresenta il coefficiente di dispersione volumetrico prescritto dal DM 10/03/77, modificato dal 30/07/86, e definito in dipendenza del rapporto superficie-volume (S/V) del singolo locale o dell’edificio e del valore dei gradi-giorno (GG), per la località in esame; quest’ultimo parametro, definito (in via ultima dal successivo DPR 412/93) come “la somma, estesa a tutti i giorni di un periodo annuale convenzionale di riscaldamento (vedi tabella 1), delle sole differenze positive giornaliere tra la temperatura giornaliere tra la temperatura dell’ambiente, convenzionalmente fissata a 20°C, e la temperatura media esterna giornaliera”, rappresenta sinteticamente le caratteristiche climatiche invernali della zona considerata ed è valutabile secondo la:

GG=Σ(20-t_est,med,j) (9)

ZONA	GG	PERIODO DI RISCALDAMENTO	GIORNI DI RISC.
A	<600	Ore 6 giornaliere dal 1°dicembre al 15 marzo	105
B	601-900	Ore 6 giornaliere dal 1°dicembre al 31 marzo	121
C	901-1400	Ore 10 giornaliere dal 15 novembre al 31 marzo	136
D	1401-2100	Ore 12 giornaliere dal 1° novembre al 15 aprile	166
E	2101-3000	Ore 14 giornaliere dal 15 ottobre al 15 aprile	180
F	>3000	Nessuna limitazione

Tabella 3.5

avendo indicato con t_est,med,j la temperatura esterna media giornaliera del giorno j-esimo del periodo di riscaldamento, Δt_risc, supposto composto da N giorni consecutivi. I gradi-giorno risultano una misura del fabbisogno energetico per trasmissione attraverso le pareti esterne, Q_trasm, infatti:

(10)

Pertanto i D.M. citati suddividevano il territorio italiano in sei zone climatiche indipendentemente dall’ubicazione geografica e in dipendenza del valore dei gradi-giorno e ne precisavano il valore per diversi comuni mediante tabella, definendo in base ad essi il massimo valore del C_D,lim sia per i singoli locali riscaldati che per gli edifici di prefissata geometria (rapporto S/V). I valori aggiornati sono riportati in tabella 3.6 e riprodotti in grafico nella Figura 1 ove è evidenziato l’andamento della curva relativo a Salerno, Avellino e Padova. Detti valori si riferiscono ad ogni porzione di edificio riscaldata con un unico impianto (che può coincidere con l’intero edificio o con i singoli locali nel caso di riscaldamento autonomo) in quanto dalla verifica ai sensi del successivo DPR 412/93 sono stati successivamente esclusi i locali singoli. Le curve mostrano come il legislatore abbia voluto essere più severo nei confronti di zone caratterizzate da condizioni climatiche sfavorevoli e di edifici grandi (e quindi maggiormente disperdenti) caratterizzati, a parità di forma, da piccoli valori di S/V.

Si osserva infine che il K_m risulta rappresentare il coefficiente angolare delle rette C_d.

Grafico 3.1

	ZONA CLIMATICA
s/v	A GG<600	B 601<GG<900		C 901<GG<1400		D 1401<GG<2100		E 2101<GG<3000		F GG>3000
≥0.2	0.49	0.49	0.46	0.46	0.42	0.42	0.34	0.34	0.30	0.30
≤0.9	1.16	1.16	1.08	1.08	0.95	0.95	0.78	0.78	0.73	0.73

Tabella 3.6

Temperatura esterna di progetto

Il termine t_e indica generalmente la temperatura dell’aria dell’ambiente contiguo a quello considerato per il calcolo delle dispersioni. Quindi t_e può essere quello dell’aria esterna ovvero quella di un locale contiguo a quello per il quale si sta calcolando il carico termico.

Consideriamo il primo caso. L’ipotesi delle condizioni più sfavorevoli ci porterebbe a scegliere una temperatura che sia la più bassa tra quelle che stagionalmente si verificano nel corso degli anni nella località in cui l’edificio si trovi. Analizzando i dati climatici rilevati in un determinato luogo, si scopre però che non si verifica mai lo stesso valore per la temperatura esterna minima in anni consecutivi; quindi bisognerebbe adottare un criterio statistico cautelativo e fissare t_e solo dopo l’analisi di anni consecutivi sufficientemente lungo per individuare il minimo assoluto. Questo porta però ad un notevole sovradimensionamento dell’impianto: la temperatura t_e può non verificarsi mai per diversi anni e statisticamente si verifica così di rado che gli svantaggi che ne derivano per l’impianto non giustificano la scelta di questa t_e. Gli svantaggi maggiori non derivano tanto dal maggior costo di realizzazione dell’impianto, quanto dal fatto che un impianto capace di fornire una potenza di picco che sia sempre molto superiore alle reali esigenze termiche “medie” di esercizio determina una diminuzione tangibile della sua efficienza stagionale. Bassi rendimenti vanno nella direzione opposta rispetto al risparmio energetico.

Per queste ragioni la tabella sulle temperature esterne invernali di progetto per le località italiane, riportata nella UNI 53564 (Appendice I), è basata su un criterio già usato in Canada e negli Stati Uniti. Esso definisce la t_e come la media delle temperature minime assolute del mese più freddo calcolata su un certo numero di anni. Essa è assunta peri alla temperatura a cui corrisponde una frequenza cumulata del 99% per gli edifici leggeri e del 97.5% per gli edifici pesanti o normali, dove per “frequenza cumulata” s’intende la percentuale dei valori orari di temperatura che risultano superiori ad un determinato limite.

In questo caso, dire che la frequenza cumulata del valore t_e=-5°C è del 97.5%, significa dire che nell’arco di un determinato periodo scelto come rappresentativo del periodo più freddo per quella località, c’è solo il 2.5% di possibilità che si verifichi per la temperatura esterna un valore più basso. Con ciò si ammette implicitamente che nel 2.5% dei giorni di quel periodo si potrebbero avere condizioni tali per cui l’impianto non sia in grado di garantire la temperatura t_i nella zona perché il valore delle dispersioni termiche supera il carico di picco che l’impianto è in grado di fornire. Quindi, a vantaggio del rendimento dell’impianto, si decide di non utilizzare valori della temperatura esterna inferiori a quella esterna di progetto; se essa cioè vale -5°C, i valori più bassi ignorati costituiscono il 2.5% dei valori di temperatura che si possono presentare in realtà in quello località ed in quel periodo (dove la frequenza cumulata è il 97.5%).

Temperatura interna di progetto

Il termine t_a della (5) è la temperatura a bulbo secco dell’aria interna del locale da utilizzare per il calcolo del fabbisogno termico: si misura in [°C] ed è la temperatura che si rileva con un termometro a bulbo secco protetto contro l’irradiazione, all’altezza di 1.50 metri dal pavimento ed al centro del locale considerato. Il valore da assumersi nel calcolo di t_a viene fissato dal DPR 412/93 (che è il regolamento di attuazione della Legge 10/91) in base alle categorie dell’art.3 comma 1. La logica è quella di fissare un limite superiore alla temperatura dell’aria a seconda della destinazione d’uso degli ambienti per garantire in essi condizioni confortevoli. Ad esempio, per la residenza (categoria E.1), la legge impone: t_i=20±2°C, per cui si assume il valore di 20°C; per le industrie (categoria E.8) il valore è invece di 18°C.

Bisogna tener presente che la scelta della t_a deriva da considerazioni relative al benessere degli occupanti e che quest’ultimo dipende anche da altre grandezze fisiche, di cui le più importanti sono la temperatura a bulbo secco dell’aria e la temperatura media radiante. I valori della t_a sarebbero quindi da attribuire alla temperatura operante del locale, più che alla temperatura dell’aria (per distinguere la temperatura ambiente fissata dalla normativa dalla temperatura ambiente di progetto indichiamo quest’ultima col simbolo t_i). In questo caso, essendo la temperatura media radiante (t_mr) in condizioni invernali più bassa della temperatura effettiva dell’aria (t_a), per effetto delle pareti fredde, quest’ultima dovrebbe essere aumentata rispetto alla t_i.

La norma UNI 7357 (Calcolo del fabbisogno termico per il riscaldamento degli edifici) definisce la temperatura operante (in prima approssimazione) come la media aritmetica tra la temperatura dell’aria t_i e la temperatura media radiante rispetto all’occupante.

Il calcolo preciso della temperatura media radiante è complesso perché coinvolge scambi termici di origine radiativi, quindi si ritiene, con accettabile approssimazione, che essa rappresenti la media ponderale di tutte le temperature delle superfici del locale.

In ambienti dove si riscontrano palesi difformità nella temperatura delle superfici dell’involucro che possono determinare una diminuzione localizzata di confort, si impone che la temperatura operante debba restare pari alla temperatura prevista per il locale, tanto da far fronte ad ogni diminuzione della temperatura media radiante con un aumento equivalente della t_i.

La norma UNI 7357 descrive gli algoritmi per calcolare in questi casi l’aumento della temperatura dell’aria per compensare il valore eccezionalmente basso della temperatura media radiante; questo determina un incremento del carico termico del locale, che sarà calcolato come:

(11)

La (11) può essere scritta nella forma:

(12)

dove con S_t si indica la superficie totale interna del locale, mentre la trasmittanza media K_m vale:

(13)

D’altra parte, essendo t_mr la media ponderale delle temperature superficiali interne, si può anche scrivere:

(14)

da cui si ricava:

(15)

(16)

Si può ora introdurre la temperatura operante t_o che ricorda come questo discorso derivi dalla ricerca delle condizioni di benessere fisico degli occupanti; infatti essa è definita come la temperatura dell’ambiente che assicura lo scambio esterno sensibile q_Se del corpo con un coefficiente superficiale pari alla somma del coefficiente di convezione α_C e del coefficiente di radiazione α_r.

Gli scambi termici q_T che il corpo umano può assicurare con l’ambiente circostante possono essere distinti in scambi che avvengono alla superficie esterna del corpo, q_Te, e scambi che si attuano nel cavo polmonare, q_Ti. Gli scambi possono essere ulteriormente distinti in scambi sensibili q_S e scambi latenti q_L, a seconda che essi avvengano per effetto di una differenza di temperatura, oppure, a temperatura costante, per effetto di un potenziale di tipo diverso. In particolare, lo scambio termico sensibile alla superficie esterna del corpo umano, q_Se, si può distinguere nelle tre usuali componenti, dovute alla conduzione q_h, alla convezione, q_C, e all’irraggiamento, q_r. Il termine dovuto alla conduzione risulta, per effetto delle piccole superfici in gioco e per i modesti salti di temperatura, normalmente trascurabile rispetto agli altri termini. Risulta quindi:

(17)

con:

(18)

dove S_e è la superficie a temperatura t_e lambita dall’aria a temperatura t_a.

Essendo il termine q_r definito nel modo seguente:

(19)

lo scambio termico sensibile alla superficie esterna del corpo umano risulta:

(20)

Per la definizione data di temperatura operante segue:

(21)

Dall’eguaglianza delle due equazioni, si ha:

(22)

e quindi:

(23)

Da questa ultima relazione, segue che la temperatura operante è una temperatura media pesata delle temperature dell’aria e delle pareti i cui pesi sono i rispettivi coefficienti α_C e α_r.

Se poi, come spesso avviene, si verifica nel campo degli scambi tra corpo e ambiente, si ha che α_C=α_r, ne segue:

(24)

Sostituendo la (19) nella (24), si ottiene:

(25)

Imponendo per t_o il valore t_i precedentemente definito, si può calcolare l’effettiva temperatura dell’aria t_a come:

(26)

o anche:

(27)

il termine:

(28)

rappresenta il valore in °C di cui va aumentata la t_i per compensare la minore t_mr o mantenere invariata la temperatura operante.

Agli effetti del calcolo delle dispersioni si applicherà a Q_disp una percentuale di aumento pari a:

(29)

Studio analitico

La normativa attuale per il contenimento dei consumi energetici fissa la t_i ed ammette uno scostamento massimo di 1°C; dalla (28) ne consegue che il mantenimento della t_o al valore di t_i (t_o=t_i), può essere ottenuto solo negli ambienti nei quali il K_m è opportunamente ridotto. Questo significa che, effettuando un buon isolamento termico delle pareti, si può ritenere che la temperatura delle pareti del lato ambiente (e quindi la temperatura media radiante) è uguale a quella dell’aria dell’ambiente t_a che corrisponde a quella di progetto t_i.

E’ possibile correlare il K_m ai Gradi Giorno e al periodo di riscaldamento (∆T_risc) relativo ad ogni zona climatica indicata dalla legge, essendo il K_m il coefficiente angolare delle rette che segnano il limite delle sei zone come è possibile vedere ricordando la (7):

Grafico 3.1

in questo modo è quindi possibile risalire ai limiti imposti di differenza di temperatura (t_a - t_i).

In luogo della potenza dispersa di seguito definita,

(22)

è possibile ragionare in termini di energia dispersa:

(23)

moltiplicando e dividendo la (22) per S_t e ricordando la definizione di K_m:

si ottiene:

(24)

Posto:

(25)

sostituendo in essa la ricavata dalla seguente equazione,

(26)

si ha:

(27)

Ponendo in luogo di Q la (24), si ottiene la temperatura media di progetto dell’ambiente :

(28)

A questo punto si fa ricorso alla seguente definizione di Gradi Giorno:

(29)

da cui:

(30)

se indichiamo con K il temine:

(31)

riscriviamo la (19) considerando la (30) e la (31):

da cui:

ovvero:

(32)

Si ricorda che la normativa definisce il C_d come il valore limite che comporta un valore di K_m tale per cui la differenza tra t_a e t_i è pari ad un massimo circa di 1°C.

Deve risultare cioè che:

ossia:

(33)

Essendo:

dovrà risultare che il coefficiente di dispersione volumetrica limite C_d sia tale da verificare la seguente disequazione:

(34)

Il limite t_a-t_i ≤ 1°C rappresenta un limite superiore. Attraverso l’utilizzo della (32) è possibile calcolare il valore limite utilizzato nelle varie località italiane; noi abbiamo condotto tale calcolo per tutti i capoluoghi di provincia italiani:

				Cd locali
	CITTA'	ZONA	GG	0,2	0,9	Km	Δt,risc	(2α*Δt)/GG	Ta-Ti	Ti
ME	Messina	2	707	0,48	1,13	0,93	121	2,78	0,34	19,66
AG	Agrigento	2	729	0,48	1,13	0,93	121	2,70	0,34	19,66
PA	Palermo	2	751	0,47	1,12	0,92	121	2,62	0,35	19,65
RC	Reggio C	2	772	0,47	1,11	0,92	121	2,55	0,36	19,64
SR	Siracusa	2	799	0,47	1,11	0,91	121	2,46	0,37	19,63
TP	Trapani	2	810	0,47	1,10	0,91	121	2,43	0,37	19,63
CT	Catania	2	833	0,47	1,10	0,90	121	2,36	0,38	19,62
CA	Cagliari	3	990	0,45	1,06	0,86	136	2,23	0,39	19,61
SA	Salerno	3	994	0,45	1,06	0,86	136	2,22	0,39	19,61
CE	Caserta	3	1013	0,45	1,05	0,86	136	2,18	0,39	19,61
NA	Napoli	3	1034	0,45	1,05	0,85	136	2,14	0,40	19,60
OR	Oristano	3	1059	0,45	1,04	0,85	136	2,09	0,41	19,59
TA	Taranto	3	1071	0,45	1,04	0,84	136	2,06	0,41	19,59
BR	Brindisi	3	1083	0,45	1,03	0,84	136	2,04	0,41	19,59
LE	Lecce	3	1153	0,44	1,01	0,82	136	1,92	0,43	19,57
BA	Bari	3	1185	0,44	1,01	0,81	136	1,86	0,44	19,56
SS	Sassari	3	1185	0,44	1,01	0,81	136	1,86	0,44	19,56
IM	Imperia	3	1201	0,44	1,00	0,81	136	1,84	0,44	19,56
LT	Latina	3	1220	0,43	1,00	0,80	136	1,81	0,44	19,56
BN	Beneven	3	1316	0,43	0,97	0,78	136	1,68	0,46	19,54
CS	Cosenza	3	1317	0,43	0,97	0,78	136	1,68	0,46	19,54
RG	Ragusa	3	1324	0,43	0,97	0,78	136	1,67	0,47	19,53
CZ	Catanzaro	3	1328	0,43	0,97	0,78	136	1,66	0,47	19,53
LI	Livorno	4	1408	0,42	0,95	0,76	166	1,91	0,39	19,61
SP	La Spezia	4	1413	0,42	0,95	0,75	166	1,91	0,40	19,60
RM	Roma	4	1415	0,42	0,95	0,75	166	1,91	0,40	19,60
GE	Genova	4	1435	0,42	0,94	0,75	166	1,88	0,40	19,60
SV	Savona	4	1481	0,41	0,93	0,74	166	1,82	0,41	19,59
MS	Massa	4	1525	0,41	0,92	0,73	166	1,77	0,42	19,58
FG	Foggia	4	1530	0,41	0,92	0,73	166	1,76	0,42	19,58
GR	Grosseto	4	1550	0,40	0,91	0,73	166	1,74	0,42	19,58
CL	Caltanis	4	1550	0,40	0,91	0,73	166	1,74	0,42	19,58
CH	Chieti	4	1556	0,40	0,91	0,73	166	1,73	0,42	19,58
MS	Carrara	4	1601	0,40	0,90	0,72	166	1,68	0,43	19,57
NU	Nuoro	4	1602	0,40	0,90	0,72	166	1,68	0,43	19,57
TR	Terni	4	1650	0,39	0,89	0,71	166	1,63	0,44	19,56
FI	Empoli	4	1658	0,39	0,89	0,71	166	1,63	0,44	19,56
AN	Ancona	4	1688	0,39	0,88	0,70	166	1,60	0,44	19,56
PI	Pisa	4	1694	0,39	0,88	0,70