Analisi energetica di un edificio residenziale

Corso di Laurea Triennale in Ingegneria Civile / IASA

a.a. 2017/2018
Laureando: Luca Cambria
Relatore: Mauro Corticelli

ABSTRACT ITA

In questa tesi viene affrontato il tema dell’efficienza energetica negli edifici studiando un esempio pratico nel quale è avvenuta una progettazione sinergica di tutti i sistemi e di tutte le tecnologie disponibili.
I principali temi che vengono trattati sono: la riduzione del fabbisogno di energia termica per il riscaldamento e raffreddamento agendo sul sistema edificio, la riduzione dei consumi di energia primaria adottando soluzioni impiantistiche ad alto rendimento e l’ottimizzazione delle prestazioni dell’edificio con l’impiego di sistemi di isolamento altamente efficienti.
L’ottimizzazione dell’edificio non dovrebbe essere l’unico scopo del progettista ma esso si dovrebbe anche occupare del benessere degli utenti e della salvaguardia dell’ambiente, utilizzando macchine e materiali che hanno un basso tasso di inquinamento.
Tutti questi aspetti interagiscono tra loro formando un sistema che può essere filosoficamente definito olistico, cioè l’efficienza e la qualità dell’edificio sono tanto alte quanto è alto il rendimento degli elementi che lo compongono.

La termodinamica
L’ingegneria dei sistemi termici si occupa delle modalità con cui l’energia viene impiegata in ogni applicazione a cui si faccia rifermento; si occupa anche del ruolo fondamentale che l’energia svolge nello sviluppo della persona e dell’ambiente.

I sistemi termici eseguono di norma le operazioni di accumulo, trasferimento e conversione dell’energia.
L’energia può essere accumulata in un sistema in diverse forme come per esempio energia cinetica o gravitazionale, ma può anche essere immagazzinata all’interno della materia che compone il sistema.
L’energia può essere trasferita tra il sistema e l’ambiente circostante sotto forma di calore o lavoro, oppure attraverso flussi di materiale caldo o freddo.
I sistemi termici consistono tipicamente di una combinazione di componenti e il sistema nel suo complesso può essere analizzato utilizzando principi della termodinamica e della trasmissione del calore.

Quadro normativo
In Italia si dagli anni ’70 è stata avviata una politica che affrontasse in maniera diretta e organica il problema del settore energetico. In particolare si sono trattati temi come il risparmio energetico negli edifici e in particolare nel 1976 è stata emanata la prima legge nazionale (legge n. 373/1976) per regolamentare le caratteristiche di prestazione dei componenti, l’installazione, l’esercizio e la manutenzione degli impianti termici per il riscaldamento degli ambienti e per la produzione di acqua calda sanitaria per edifici pubblici o privati.

Successivamente nel gennaio del 1991 è stata emanata la cosiddetta legge 10 che è una sorta di punto di partenza della legislazione energetica. La legge 10 è stata la prima legge quadro finalizzata a regolare le modalità progettuali e la gestione del sistema edificio-impianto. La legge 10 proponeva un percorso per la valutazione del bilancio energetico invernale dell’edificio fra gli apporti e le dispersioni di calore.
A seguito della legge 10 fu emanato il suo decreto di attuazione, ossia il dpr n. 412/1993 che ha introdotto ulteriori innovazioni.
Nel 2002 il Parlamento Europeo emana la direttiva 2002/91/CE, con lo scopo di orientare l’attività edilizia dei paesi membri verso una concezione di efficienza energetica che consenta di perseguire anche obiettivi rivolti alla riduzione dell’impatto ambientale ed al contenimento dell’inquinamento.
Il dlgs 311/2006 introduce in via transitoria l’attestato di qualificazione energetica AQE (Attestato di Qualificazione Energetica).
Il 29/06/2016, perciò al giorno d’oggi, entrano in vigore le nuove norme UNI/TS 11300 relative alle prestazioni energetiche degli edifici e UNI 10349 sui dati climatici relativi al riscaldamento e raffrescamento degli edifici.

Materiali e procedimento di analisi
Per poter analizzare un edificio, in questo caso adibito ad uso residenziale, è necessario partire dallo studio del luogo in cui è avvenuta la costruzione, perciò gradi giorno, altitudine, zona climatica, temperatura di progetto e temperature medie mensili e relativa irradianza solare. Successivamente tramite un’accurata analisi delle stratigrafie che compongono l’edificio si ricavano i valori del calore disperso per conduzione e convezione e al contrario anche gli apporti solari di energia che penetra principalmente tramite le superfici trasparenti degli infissi.

Per lo studio delle stratigrafie delle pareti, è necessario conoscere molto bene I materiali che la compongono, in particolare è bene conoscere le caratteristiche tecniche di ogni materiale, in modo tale da poter studiare i parametri di trasmissione di ogni parete.
Per esempio in figura 1 la stratigrafia è composta, partendo da sinistra da: intonaco, blocco Porotherm da 8, lana di roccia, malta, blocco Porotherm da 12, collante cappotto, lana di vetro e rasante per termo-cappotto. Ovviamente a dare le proprietà di isolamento sono i laterizi che con la loro alta percentuale di foratura garantiscono leggerezza sul solaio e alte proprietà termo-acustiche e ovviamente l’isolante, utilizzato la maggior parte delle volte in maniera accoppiata, in questo esempio è stato utilizzato uno strato di lana di roccia insieme ad uno strato di lana di vetro che ha alta resistenza meccanica e ottime proprietà di isolamento.

Conoscendo lo spessore di ogni strato e le caratteristiche specifiche di trasmissione come la conduttività termica λ, la conduttanza termica C e la permeabilità al vapore, allora è possibile andare a determinare parametri molto importanti come la trasmittanza termica semplice e periodica e la resistenza di ogni parete

Relazione di calcolo
Inizialmente è necessario eseguire un analisi del luogo in cui è avvenuta la costruzione, perciò si studiano i parametri climatici della località, tra cui gradi giorno (somma estesa a tutti i giorni delle sole differenze positive giornaliere tra la temperatura, fissata convenzionalmente per ogni paese, e la temperatura media esterna giornaliera), temperatura minima di progetto, altitudine, zona climatica (indica in quale periodo e per quante ore è possibile accendere il riscaldamento negli edifici), giorni di riscaldamento, velocità del vento, temperature medie mensili, irradianza media mensile (quantità di energia elettromagnetica emessa dal sole e ricevuta da una superficie in uno specifico mese).

È necessario anche calcolare la quantità di energia persa dall’edificio sia per trasmissione delle pareti che per ventilazione e anche gli apporti di calore tramite superfici opache e trasparenti. Successivamente la stima dei fabbisogni si ottiene interpolando dati di tipo matematico come il tipo di isolamento, le condizioni ambientali ipotizzate e la zona di costruzione con dei dati puramente statistici ottenuti in base ad altre costruzioni analoghe nella stessa zona; viene ricavato il fabbisogno di energia per i servizi principali tra cui il riscaldamento nei periodi invernali, il raffrescamento in estate e la produzione di acqua calda sanitaria.
Molto importanti sono le quote di energia rinnovabile che vengono fornite dal pannello solare.

Classe energetica
Prima di arrivare a definire la classe energetica dell’edificio si definisce quello che è l’indice di prestazione energetica; tale indice tiene conto del fabbisogno di energia primaria non rinnovabile per la climatizzazione invernale ed estiva, per la produzione di acqua calda sanitaria e per la ventilazione.

Pertanto esso si determina come somma dei singoli servizi energetici forniti nell’edificio in esame. L’indice è espresso in kWh/m2anno in relazione alla superficie utile di riferimento.
La classe energetica dell’edificio è determinata sulla base dell’indice di prestazione energetica globale non rinnovabile dell’edificio, per mezzo del confronto con una scala di classi prefissate, ognuna delle quali rappresenta un intervallo di prestazione energetica definito.

Conclusione
I valori di prestazione energetica globale non rinnovabile, già calcolati in precedenza verranno confrontati con i valori limite ottenuti dallo studio di un edificio limite standard da normativa scalato di alcuni fattori; infine si verificherà l’appartenenza ad una determinata classe energetica. 

L’edificio in studio appartiene alla classe A4 cioè la classe più efficiente che dimostra la perfetta sinergia tra edificio e impianto.

Bibliografia

  • M. A. Corticelli. Elementi di fisica tecnica per l'ingegneria. McGraw-Hill Education, 2011.
  • M. Cremonese. Manuale del costruttore civile e del geometra. Edizioni Cremonese, 1980 

ABSTRACT ENG
ENERGETIC ANALYSIS OF A RESIDENCE BUILDING

This thesis deal with the theme of energetic efficiency of the structures, examining a practical example in which is happened a synergic planning of all the systems and available technologies.
The main themes are: the decrease of the needs of thermic energy for the heating and cooling operating on the edifice system, the cut of the primary energy expenditure adopting high efficiency plant design solution and the energy performance optimization with the use of high efficiency thermal insulation system.
The edifice optimization should not be the only designer intent, but he should be interested in the users wellness and in the environmental protection, using machinery and materials with a low pollution rate.
All these features interact with each other forming a system that it could be philosophically definited holistic, so the efficiency and the quality of the building are as tall as the efficiency of the elements that composed it.

Thermodynamics
Thermal system engineering is interested in the methods in which the energy is employed; it also deals with the main role that energy develop in the person and environmental increase.

The thermal systems usually do the accumulation transfer and conversion of energy operations.
Energy can be accumulated in a system in different shape, for example in the form of cynetic or gravitational energy, but it can be stored inside the the matter that composed the system.
Energy can be transfer between the system and the surroundings in the form of heat or work, or through hot or cold materials flow.
Thermal systems typically consist of component combination and it could be analized using thermodynamics and heating transmission principles.

Regulatory framework
Since the Seventies in Italy a policy, that deals in a direct way the energetic issue, has been started. In particular were treated themes about energy savings in builings; in 1976 the first national law (law n.373/1976) was issued to regulate the component feature, the installation, the work and maintenance of thermal plants that are used to environment heating and the production of hot water for the public and private structures. 

Subsequently, in January of 1991 was issued the law 10 that is the beginning of the energetic legislation. The law 10 was been the first law finalized to regulate the projectual modality and the direction of the edifice-plant system. The law 10 proposed a way for the evaluation of wintry energetic statements of builing.
After the law 10 was issued its decree ordinance for implementation (dpr n.412/1993) that introduced further innovation.
In 2002 the European Parliament issued the directive 2002/91/CE, aimed to direct bulding activity, into the member countries, toward targets that allow to the reduction of environmental impact and pollution.
The legislative decree 311/2006 introduces energetic qualification certificate AQE.
The 29/06/2016 become effective the new laws UNI/TS 11300 related to energetic efficency of buildings and UNI 10349 related to climatic data about heatind cooling of edifices.

Materials and analysis procedure
To analyze a builing, in this case a residential builing, is necessary start to the study of the place of construction, so degree day, altitude, climatic zone, project temperature and average monthly temperature and solar irradiance. 

Subsequently, through an accurate analysis of stratigraphyes that composed the edifice is possible to obtain the heat dissipation values for conduction and convection, and conversely energetic solar contribution incoming mainly by the transparent surfaces of fixtures. To study the wall strafigraphies it is necessary a good knowledge of materials that composed the walls, but in particular the knowledge of technical features of each materials, to obtain the transmission parameters of every wall. 

For example, in figure 1, the strafigraphy is composed (beginning by the left) by: plaster, 8cm Porotherm block, rock wool, mortar, 12cm Porotherm block, adhesive, fiberglass and smoothing for exterior insulation. To give the high insulation properties are clay-bricks, that, thanks to its high percentual of drilling, are slight on the slab and has high thermic-acustic properties, and obviously the insulating, used mostly in pair, in this example it is used a rock wool layer with a fiberglass layer that has high mechanic resistance and high insulation properties.

With the knowledge of the every layer thickness and the specific transmittion features like the thermical conductivity λ, the thermical conductance C and the steam permeability, it is possible to obtain a lot of important parametres like simple and periodic transmittance and the resistance of every wall.

Calculation report
At the beginning it is necessary to execute an analysis of the building place, so it is possible to study the climatic parametres of the locality: daily degree, minimal project temperature, altitude, climatic zone (indicates in which period and how many hours it is possible to switch on the heating in the edifices), heating days, wind speed, monthly average temperature, monthly average irradiance (rate of electromagnetic energy emitted by the sun and received by a surface in a specific month).

It is necessary also to calculate the rate of dissipated energy due to walls transmissions and ventilation and also the rate of heat obtained through opaque and transparent surfaces. Subsequently it is possible to obtain the estimate of the needs interpolating mathematical data like the insulation type, environmental conditions and the building zone with statistical data obtained by the experience of construction of similar buildings in the same zone; it is obtained the energy needs for the main services like the heating during the wintry period, the cooling during the summer period and the production of hot water.
The renewable energy rate provided by the solar panel is very important.

Energetic class
Before the definition of energetic class of the building, it is definited the energy performance index; this index included the not renewable primary energetic needs for the wintry and summer air conditioning, for the hot water production and the ventilation.

Therefore this index is determinable as the summation of every single energetic service provided by the edifice. The index is expressed in kWh/m2year in relation to the useful reference area.
The energetic class of edifice is determined on the base of the global not renewable performance index, thanks to the comparison with a pre-set class scale; every class scale represents a definite interval of energetic performance.

Conclusions
The global not renewable energy performance values, calculated previously, will be compare with the limit values obtained by the study of a standard limit edifice, scaled by some factors; finally it will occur the belonging to a definited energy class.

The edifice studied belongs to A4 class, so the most efficient class that demonstrates the perfect synergy between edifice and plants.

Bibliography

  • M. A. Corticelli. Elementi di fisica tecnica per l'ingegneria. McGraw-Hill Education, 2011.
  • M. Cremonese. Manuale del costruttore civile e del geometra. Edizioni Cremonese, 1980