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IL QUADRO NORMATIVO
PER L’EFFICIENZA ENERGETICA
E LA VARIABILITA’ DEI CARICHI
NEGLI IMPIANTI DI CLIMATIZZAZIONE
M. De Carli
Università degli Studi di Padova
Swegon Air Academy, Padova, 27 Novembre 2013
Dipartimento di Ingegneria Industriale Università degli Studi di Padova
Sommario
• Inquadramento generale
• Il funzionamento degli impianti ai carichi parziali
• Aspetti normativi (norme EN14825, UNI-TS11300
parti 3 e 4, UNI 11466)
• Casi di studio
“Il quadro normativo per l’efficienza energetica e la variabilita’ dei carichi negli impianti di
climatizzazione”
Inquadramento generale
“Il quadro normativo per l’efficienza energetica e la variabilita’ dei carichi negli impianti di
climatizzazione”
4
Leggi italiane relative agli edifici
Legge 373/76
Legge 10/91
DPR 412/93
D.Lgs. 192/2005
D.Lgs. 311/2006
D.P.R. 2 aprile 2009 n. 59
D.M. 26 giugno 2009
EPBD 2002/91/CE
Recast EPBD 2010/31/UE
Direttiva 2009/28/CE D.Lgs. 28/2011
5
Dov’è il problema?
EPBD 2002/91/CE
EPBD 2010/31/UE
Direttiva 2009/28/CE
Normativa nel settore delle pompe di calore
e dei chiller
“Il quadro normativo per l’efficienza energetica e la variabilita’ dei carichi negli impianti di
climatizzazione”
7
Norme
Norme di prodotto:
EN14825 : Air conditioners, liquid chilling packages and heat
pumps, with electrically driven compressors, for space heating
and cooling - Testing and rating at part load conditions and
calculation of seasonal performance; EN 14825:2012
Norme di sistema:
UNI-TS 11300-3
UNI-TS 11300-4
8
EN 14825
• Il coefficiente di prestazione stagionale (SCOP) va
calcolato ripartendo con il “bin method” per l'intera
stagione di riscaldamento
• Va utilizzata una delle 3 condizioni climatiche di riferimento
riportate nella norma stessa:
o A (Average - media): Strasburgo (Francia),
o C (Colder – più fredda): Helsinki (Finlandia)
o W (Warmer – più calda): Atene (Grecia),
che vengono ritenuti sufficientemente rappresentativi del
clima di tutta Europa
9
Durata dei “bin” per le condizioni climatiche di riferimento previste dalla norma UNI EN 14825.
EN 14825
10
• Temperatura interna di progetto pari a 20 °C.
• Temperatura esterna di progetto (θdesign) secondo UNI EN
12831:
o per A = – 10 °C
o per C = – 22 °C
o per W = + 2 °C
• Quando la temperatura esterna supera i 15 °C cessa il
funzionamento dell'impianto di riscaldamento.
• Carico Φh varia linearmente dal 100% in corrispondenza della
temperatura di progetto (θdesign) fino a 0% quando la
temperatura esterna è pari a θH,off = 16 °C (detta temperatura
di annullamento del carico o di bilanciamento).
EN 14825
11
Andamento del carico in funzione della temperatura esterna secondo UNI EN 14825.
EN 14825
12
UNI/TS 11300-4
• La norma UNI/TS 11300-4 è finalizzata al calcolo, con il metodo
mensile delle prestazioni della pompa di calore nelle condizioni
climatiche di riferimento della località (Italiana) in cui si trova
l'edificio.
• Temperature definite dalla norma UNI 10349 che, però, riporta
soltanto il valore medio delle temperature mensili.
• Temperatura interna di progetto pari a 20 °C.
• Temperatura esterna di progetto θdesign secondo UNI EN 12831.
13
• La norma prevede come valore di default della temperatura di
annullamento del carico (o temperatura di bilanciamento) θH,off
= 20 °C .
• Per poter costruire i “bin”, si assume che le temperature medie
orarie mensili abbiano una distribuzione gaussiana normale.
UNI/TS 11300-4
14
Distribuzione delle temperature (bin mensili) per la città di Padova
UNI/TS 11300-4
15
UNI/TS 11300-4
16
Calcolo prestazione PdC aria-acqua
• La variazione del COP al variare della temperatura delle
sorgenti va determinata mediante prove sperimentali da
effettuare secondo le norme della serie UNI EN 14511 ed
in particolare nelle condizioni di temperatura indicate nella
UNI EN 14511-2 .
• Tutte le norme in materia ed, in particolare UNI EN 14825
ed UNI/TS 11300-4, richiedono che il costruttore delle
pompe di calore aria-acqua fornisca i dati relativi almeno
alle condizioni di funzionamento indicate nella seguente
Tabella.
17
Calcolo prestazione PdC aria-acqua
18
Dipendenza del COP a pieno carico dalla temperatura
Per la determinazione delle prestazioni a pieno carico in
condizioni di temperatura diverse da quelle dichiarate, è
possibile effettuare l'interpolazione lineare tra i valori
dichiarati, oppure determinare il rapporto tra il COPDC
dichiarato e quello teorico (COPmax):
COPmax = (θH + 273,15) / (θH – θC )
dove θH e θC sono, rispettivamente, la temperatura del pozzo
caldo e della sorgente fredda, ed interpolare il valore di tale
rapporto (impropriamente chiamato “rendimento di secondo
principio” nella normativa).
19
Dipendenza del COP dal fattore di carico CR
Si definisce fattore di carico della pompa di calore CR
(Capacity Ratio) il rapporto tra la potenza richiesta
dall'utenza (carico) e la potenza termica nominale dichiarata
dal costruttore (talvolta in analogia con la nomenclatura
anglosassone, chiamata impropriamente “capacità termica”)
nelle medesime condizioni di temperatura.
CR è in generale diverso dalla frazione di carico PLR che
indica il rapporto tra la potenza richiesta e quella di progetto
poiché la potenza termica nominale della pompa può essere
diversa da quella di progetto e, comunque, essa varia al
variare delle temperature delle sorgenti.
20
Dipendenza del COP dal fattore di carico CR
Il COPPL a carico parziale (Part Load) si può calcolare come:
COPPL = fcorrCOP × COPDC
Dove COPDC è il valore dichiarato dal costruttore (DC -
Declared Capacity) e fcorrCOP è il fattore di correzione che
dipende da CR.
In mancanza di dati dichiarati, per le pompe di calore con
funzionamento on-off si ha
fcorrCOP = CR / ( CC × CR + (1 – CC ))
dove Cc è il coefficiente di degrado delle prestazioni, assunto
pari a 0,9 in mancanza di altri dati.
21
Dipendenza del COP dal fattore di carico CR
Per pompe di calore con funzionamento a gradini va
determinato il COP per il gradino più vicino se questo
differisce di meno del 10 % dal carico richiesto, altrimenti
occorre interpolare linearmente tra il COP del gradino
immediatamente superiore e quello del gradino
immediatamente inferiore rispetto al carico richiesto.
Per pompe di calore modulanti, in mancanza dei dati ricavati
secondo UNI EN 14825, la norma UNI/TS 11300-4
suggerisce di assumere fcorrCOP = 1 per fattore di carico CR ≥
0,5 (o fino al minimo valore di modulazione se diverso da 0,5)
e per valori inferiori di CR di procedere come per quelle on-
off.
22
Diagramma schematico della modalità di funzionamento di una pompa di calore aria-acqua con riferimento alle condizioni climatiche
“Average” (A) secondo UNI EN 14825. La linea tratteggiata rappresenta la frazione del carico richiesta dall'impianto (PLR) mentre quella
continua rappresenta il rapporto la potenza termica massima erogabile dalla pompa di calore (ΦDC) e la potenza di progetto (Φdesign) al
variare della temperatura esterna. Nella figura sono evidenziate le condizioni A, B, C e D per le quali il costruttore dovrebbe dichiarare i dati. La
temperatura bivalente è stata assunta pari a θbival = 0 °C mentre la temperatura limite di funzionamento della sorgente fredda a è stata
assunta pari a TOL = -15 °C.
Modalità di funzionamento di una pompa di calore
Pompe di calore
23
1) Funzionamento alternato: la PDC si disattiva al raggiungimento della
temperatura bivalente viene attivato un generatore di calore fino al carico
di progetto
2) Funzionamento parallelo: la PDC non viene disattivata al
raggiungimento della temperatura bivalente e viene attivato il generatore
di integrazione per coprire il calore residuo
3) Funzionamento parzialmente parallelo: la PDC non viene disattivata al
raggiungimento della temperatura bivalente e per temperature maggiori
viene attivato il generatore di integrazione per fornire la potenza residua.
Alla tempetarura di cut-off la PDC viene disattivata e il generatore
fornisce la potenza richiesta
24
Calcolo della prestazione stagionale (SCOP) nelle
condizioni di riferimento secondo EN 14825 .
- SCOPnet (Coefficiente di prestazione stagionale netto): coefficiente di
prestazione stagionale calcolato con riferimento al solo periodo di
funzionamento attivo escludendo i consumi dovuti ad eventuali riscaldatori
supplementari elettrici.
- SCOPon (Coefficiente di prestazione stagionale funz attivo): coefficiente
di prestazione stagionale calcolato con riferimento al solo periodo di
funzionamento attivo inclusi i consumi dovuti ad eventuali riscaldatori
supplementari elettrici.
- SCOP (Coefficiente di prestazione stagionale): coefficiente di prestazione
stagionale calcolato con riferimento a tutto il periodo di riscaldamento,
inclusi i consumi dovuti ad eventuali riscaldatori supplementari elettrici ed
inclusi gli eventuali consumi durante i periodi di mancata richiesta di calore
(termostato off), durante i periodi di di stand-by, quelli dovuti ad ausiliari attivi
durante i periodi di spegnimento ed i consumi dovuti all'eventuale
riscaldatore del carter olio.
25
Calcolo della prestazione stagionale (SCOP) nelle
condizioni di riferimento secondo EN 14825 .
A titolo di esempio viene presentato il risultato del
calcolo di SCOPnet per una pompa di calore aria acqua
utilizzata per riscaldamento a pavimento con pannelli
radianti.
Vengono presi in esame due modelli di pompe di
calore le cui caratteristiche, desunte dalle schede
tecniche di prodotti commerciali, sono riportate nelle
Tabelle seguenti
26
Calcolo della prestazione stagionale (SCOP) nelle
condizioni di riferimento secondo EN 14825 .
Condizioni climatiche di riferimento A (Average /
Strasbourg) e potenza di progetto pari a Φdesign = 5 kW
alla temperatura θdesignA = – 10 °C .
Temperatura di mandata dell'acqua fissa pari a 35 °C
(difficoltà a reperire documentazione relativa al
funzionamento con temperatura dell'acqua di mandata
variabile).
Pompe di calore di tipo modulante
27
Calcolo della prestazione stagionale (SCOP) nelle
condizioni di riferimento secondo EN 14825 .
Caratteristiche pompa di calore modello 1
28
Calcolo della prestazione stagionale (SCOP) nelle
condizioni di riferimento secondo EN 14825 .
Caratteristiche pompa di calore modello 2
29
QCr,k = QC,nd,k + Ql,e,k + Ql,rg,k + Ql,d,k + Ql,d,s,k - Qrr,k
QC,nd,k fabbisogno ideale dell’edificio [kWh], secondo la UNI TS
11300-1;
Ql,e,k perdite totali di emissione [kWh];
Ql,rg,k perdite totali di regolazione [kWh];
Ql,d,k perdite totali di distribuzione [kWh];
Ql,d,s,k perdite totali dei serbatoi di accumulo inerziale [kWh];
Qrr,k energia termica recuperata [kWh].
UNI/TS 11300-3
30
UNI TS 11300-3: fabbisogno di energia primaria per la climatizzazione estiva
k x xpf
QQfQQ ,
xk,mm,
xk,v,xk,Cr,
elp,k kaux,PC, ][
Qaux fabbisogno di energia elettrica per ausiliari [kWh];
Qcr fabbisogno effettivo per raffrescamento [kWh];
Qν fabbisogno per trattamenti dell’aria [kWh];
ηmm coefficiente di prestazione medio mensile del sistema di produzione
dell’energia frigorifera;
fp,el fattore di conversione da energia elettrica ad energia primaria;
fp,x fattore di conversione in energia primaria del vettore energetico
utilizzato dal generatore;
k mese k-esimo della stagione di climatizzazione estiva;
x indice che indica le diverse fonti di energia in ingresso.
31
UNI TS 11300-3: EER (Energy Efficiency Ratio)
Tipologia Aria-aria Acqua-aria Aria-acqua Acqua-acqua
Prova
Fattore
di
carico
(F)
T aria
esterna
bulbo
secco
(°C)
T aria
interna
bulbo
secco /
bulbo
umido
(°C)
T acqua di
condens.
ingresso /
uscita (°C)
T aria
interna
bulbo
secco /
bulbo
umido
(°C)
T aria
esterna
bulbo
secco
(°C)
T acqua
refrigerata
ingresso /
uscita
(°C)
T acqua di
condens.
ingresso /
uscita (°C)
T acqua
refrigerata
ingresso /
uscita
(°C)
1 100% 35 27/19 30/35 27/19 35 12/7 30/35 12/7
2 75% 30 27/19 26/* 27/19 30 */7 26/* */7
3 50% 25 27/19 22/* 27/19 25 */7 22/* */7
4 25% 20 27/19 18/* 27/19 20 */7 18/* */7
* temperatura determinata dalla portata d’acqua a pieno carico
32
UNI TS 11300-3: coefficiente di prestazione
medio mensile
ηmm,k = EER(Fk) × η1(Fk) × 2 × 3 × 4 × 5 × 6 × 7
Fk fattore di carico mensile, rapporto tra l’energia termica richiesta nel
mese k-esimo ed l’energia erogabile dalla macchina frigorifera;
EER(Fk) rapporto di efficienza energetica ottenuto in corrispondenza del fattore
di carico Fk, e ricavabile per interpolazione dalla curva degli EER;
η1(Fk) coefficiente correttivo ottenuto in corrispondenza del fattore di carico
Fk, valutazione degli EER (appendice C della Norma);
2,3,4,5,6,7 coefficienti correttivi ricavabili dai prospetti riportati
nell’appendice D della norma per l’adeguamento alle reali
condizioni di funzionamento.
33
NORMA UNI 10963:2001 (ritirata nel 2009)
EERR= coefficiente di prestazione a potenza termica ridotta
EERA= coefficiente di prestazione a piena potenza
Y=EERR/EERA
QCR= Energia frigorifera effettivamente fornita all’edificio (PCR*T)
QCA= Energia massima che la macchina può fornire nelle stesso intervallo di tempo (PCA*T)
X= QCR/ QCA (fattore di carico estivo della macchina)
Macchine mono-stadio
34
Macchine modulanti o pluristadio Macchine nonostadio:
1. Alle condizioni nominali per determinare EER e PE
2. Alle condizioni ausiliarie a piena potenza per determinare EERA e PCA
3. Alle condizioni ausiliarie a carico ridotto per determinare EERR e PCR.
Macchine modulanti o pluristadio
Le prove ai punti 2 e 3 sono realizzate alle condizioni di massima prestazione
NORMA UNI 10963:2001 (ritirata nel 2009)
Per la determinazione delle curve servono le seguenti prove:
35
UNI TS 11300-4: confine di edificio
1 – Utenza 9 – Energia termica utile da rete
2 – Accumulo 10 – Energia termica utile asportata
3 – Generatore 11 – Torre evaporativa
4 – Combustibile 12 – Energia elettrica da cogenerazione
5 – Energia elettrica 13 – Energia elettrica da fotovoltaico
6 – Energia degli ausiliari 14 – Rete elettrica
7 – Collettori solari termici 15 – Confine del sistema
8 – Pannelli fotovoltaici
Il confine dell’edificio è quello
comprendente tutte le aree
dell’edificio nelle quali viene
utilizzata o prodotta energia
termica utile o energia elettrica.
Può non coincidere con quello
definito dall’involucro dell’edificio.
Attraverso il confine dell’edificio può
transitare
• energia fornita dall’esterno con
combustibili fossili (4)
• rete di teleriscaldamento (9)
• energia elettrica fornita da rete (5)
• energia termica utile (10) o
energia elettrica auto prodotta
all’interno dell’edificio (12) (13) ed
esportata all’esterno
36
UNI TS 11300-4: Definizione degli input
37
38
39
Impianti geotermici: dimensionamento e
relazione con UNI TS 11300
La norma UNI TS 11300-4 prevede 2 metodologie di calcolo:
Valutazione preliminare (per una verifica del dimensionamento)
Valutazione energetica (per la certificazione)
PDC
Scambiatore
di calore
a terreno
Edificio + impianto + ACS
40
PDC
Scambiatore
di calore
a terreno
Edificio
+
impianto
Prestazioni secondo
UNI EN 14825
UNI TS 11300-3
UNI TS 11300-4
Residenziale
Terziario
< 20 kW
Energie mensili invernali ed estive
secondo UNI TS 11300-1
Rendimenti secondo
UNI TS 11300-2
e 11300-3
ACS secondo
UNI TS 11300-2
> 20 kW
Per la parte invernale le energie
mensili con UNI TS 11300-1
Simulazione
dinamica.
Soluzione analitica,
numerica o con funzioni
di trasferimento
Calcolo dinamico per il
picco di potenza frigorifera
Simulazione dinamica per le
energie mensili estive e per il picco
di potenza frigorifera
41
PDC
Edificio + impianto + ACS
Temperature
mensili
La norma sulla geotermia fornisce alle normative
11300-3 e 11300-4 la temperatura media
mensile del fluido termovettore per i calcoli di
certificazione energetica
La norma fornisce inoltre la potenza elettrica
della pompa lato terreno
Casi di studio
“Potenziali risparmi nella ventilazione: sistemi DCV”
VAV e DCV
DCV è un sottogruppo dei sistemi VAV
un VAV con controllo automatico su richiesta → DCV
VAV Ventilazione a volume d’aria variabile
(> 2 operazioni o variazione continua)
VAV con controllo automatico in relazione alla richiesta → DCV
DCV Controllo su richiesta
- Variazione automatica in funzione
della reale richiesta
Controllo manuale o
modelli predefiniti
“Potenziali risparmi nella ventilazione: sistemi DCV”
Source: Mari-Liis Maripuu, CIT Energy Management, Sweden
DCV: VENTILAZIONE CONTROLLATA A RICHIESTA
• Un sistema di ventilazione con un
controllo in mandata e/o aspirazione della
portata d'aria in funzione del reale valore
richiesto
• La richiesta è determinata da una serie di
valori e parametri che riguardano il
comfort termico e/o la qualità dell'aria
“DCV” : Sistemi a volume d’aria variabile di ultima generazione”
Source: Mari-Liis Maripuu, CIT Energy Management, Sweden
• DCV per il controllo del
comfort termico (rimozione
di calore)
• DCV per il controllo della
qualità dell'aria interna
(rimozione di agenti
inquinanti)
SISTEMA DCV RISPETTO AL SISTEMA CAV
0 3 6 9 12 15 18 21
24
Capacità di
raffreddamento
necessaria =
Capacità di
raffreddamento
di un sistema
DCV
Riscaldamento
necessario nella
stanza
Capacità di raffreddamento
dell'aria di alimentazione -
sistema CAV
AC in funzione
Su
rplu
sd
di
ca
lore
D
efi
cit
di
ca
lore
Ora del giorno
Necessità di
riscaldamento degli
ambienti
8 9 10 11 12 13 14 15 16
Velocità della portata
d'aria del sistema
DCV
Ora del giorno
Velocità della portata
d'aria del sistema CAV N
° d
i p
ers
on
e –
Po
rtata
d
'ari
a
ige
nic
am
en
te p
ura
Occupazion
e
“Potenziali risparmi nella ventilazione: sistemi DCV”
Source: Mari-Liis Maripuu, CIT Energy Management, Sweden
• Possibilità di basse temperature di mandata dell’aria per tutto l'anno
Portata
d'aria
Temp. mandata aria Effetto in
raffreddamento
14℃ 1 kW
Temp.esterna
0℃
18℃ 1 kW 0℃
DCV
Misurato
0 5000 8760
h/anno
Variazione della
portata d'ariam3/s
Alimentazione
elettricakW
Portata d'aria m3/s
Potenza elelttrica [kW
0 5000 8760
h/anno
Variazione della portata d'aria m3/s
Alimentazione elettrica kW
3
2
1
3
2
1
CAV
Stimato
Portata d'aria m3/s
Potenza elelttrica [kW
VANTAGGI DI UN SISTEMA DCV
“Potenziali risparmi nella ventilazione: sistemi DCV”
Source: Mari-Liis Maripuu,
CIT Energy Management,
Sweden
0
1
2
3
4
5
6
7
0 2000 4000 6000 8000
Time, [h/year]
Ele
ctr
ic A
irfl
ow
P
ow
er
[kW
] ra
te [
m³/
s] Airflow rate m3/s
Electricity kWElectric Power
Supply airflow
Potenza nominale ventilatore
Velocità della portata di alimentazione aria
ESEMPI DI SISTEMI DCV
Portata d'aria progettata 5,6 m3/s
Media 4,2 m3/s
Media 2,6 kW
Ristrutturazione di un edificio adibito ad uffici (CAV → DCV)
3500 m2 con 107 uffici
“Potenziali risparmi nella ventilazione: sistemi DCV”
Source: Mari-Liis Maripuu, CIT Energy Management, Sweden
0
1
2
3
4
0 2000 4000 6000 8000
Time, [h/year]
Ele
ctr
ic
Air
flo
w
Po
we
r [k
W]
ra
te [
m³/
s] Supply airflow rate m3/s
Electricity kW
Ristrutturazione di un edificio adibito ad uffici
(Sede amministrativa universitaria)
2500 m2 con 76 uffici
Portata d'aria media 1,3 m3/s
Portata d'aria
progettata
3,6 m3/s
ESEMPI DI PERFORMANCE DI SISTEMI DCV
“DCV” : Sistemi a volume d’aria variabile di ultima generazione”
Nuovo edificio commerciale adibito ad uffici
(Bengt Dahlgren AB – studio di progettazione HVAC )
4200 m2 di uffici, sale conferenza, ristorante
ESEMPI DI RENDIMENTO DI SISTEMI DCV
• Consumo energetico totale dell'edificio 75 kWh/(m2 anno)
• Sistema DCV per il controllo con il comfort energetico
• Controllo della sequenza dei sistemi di raffrescamento
• La valutazione del rendimento è in corso…
Foto: Bengt Dahlgren AB
“Potenziali risparmi nella ventilazione: sistemi DCV”
Source: Mari-Liis Maripuu, CIT Energy Management, Sweden
VALUTAZIONE DELL'OCCUPAZIONE BASE PER
LA PROGETTAZIONE OTTIMALE
Esempio 1: edificio adibito ad uffici (sede amministrativa universitaria)
Numero di stanze 76
Fattore di occupazione
roomsAll
roomsoccupied
N
NOF
_
_
0.0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
05
:00
06
:00
07
:00
08
:00
09
:00
10
:00
11
:00
12
:00
13
:00
14
:00
15
:00
16
:00
17
:00
18
:00
19
:00
20
:00
Time
Oc
cu
pa
nc
y f
ac
tor
OF
Maximum
Average
Minimum
Misurazione ogni 4,5 minuti
“Potenziali risparmi nella ventilazione: sistemi DCV”
Source: Mari-Liis Maripuu, CIT Energy Management, Sweden
0,0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8
0,9
1,0
8:0
0
8:3
0
9:0
0
9:3
0
10
:00
10
:30
11
:00
11
:30
12
:00
12
:30
13
:00
13
:30
14
:00
14
:30
15
:00
15
:30
16
:00
16
:30
Occ
up
ancy
fact
or
(OF
)
Time
Monday
Tuesday
Wednesday
Thursday
Friday
VALUTAZIONE DELL'OCCUPAZIONE
Esempio 2: edificio scolastico anni 7-9
Numero totale delle classi 43
Numero di classi 16 - 350 studenti
Fattore di occupazione
roomsAll
roomsoccupied
N
NOF
_
_
“Potenziali risparmi nella ventilazione: sistemi DCV”
Source: Mari-Liis Maripuu, CIT Energy Management, Sweden
Eesempio 3: Scuola elementare (Tomelilla)
11 classi monitorate
24 studenti per classe
VALUTAZIONE DELL'OCCUPAZIONE
Occupazione media nelle classi
“Potenziali risparmi nella ventilazione: sistemi DCV”
Source: Mari-Liis Maripuu, CIT Energy Management, Sweden
• Dipende dal tipo di attività nell'edificio
• Negli edifici commerciali adibiti ad uffici i compiti lavorativi definiscono l'occupazione da parte delle persone
• Negli edifici scolastici l'occupazione dipende dal tipo di scuola
Le scuole primarie elementari e medie usano i propri locali continuamente (poche stanze vuote)
Le scuole secondarie dispongono anche di aule per corsi specifici e sale riunione per gruppi
OCCUPAZIONE NEGLI EDIFICI
“Potenziali risparmi nella ventilazione: sistemi DCV”
Source: Mari-Liis Maripuu, CIT Energy Management, Sweden
Potenziale risparmio energetico in Hotel
HOTEL
I sistemi HVAC dovrebbero assicurare:
• Hotel e problemi energetici
=> Alto fabbisogno energetico
• Servizi a di versa temperatura di utilizzo
=> Sistemi HVAC specifici
• Risparmio energetico => riduzione dei costi => “Green” economy
“Analisi energetica di un sistema combinato di produzione di energie termica e frigorifera per la
climatizzazione di alberghi in diverse zone climatiche”
Il caso di studio
• Hotel a struttura compatta (5 piani) di circa 10'000 [m3]
• Buon isolamento di superfici opache (U=0.41 [W/m2 K]) e trasparenti (U=1.3 [W/m2 K]) con vetri a controllo solare
• Superficie netta p.t. circa 600 [m2] (Sup. totale 1750 [m2])
• Zona giorno : ambienti comuni e stanze riservate
• Zona notte : capacità 54 ospiti (9 camere per piano)
“Analisi energetica di un sistema combinato di produzione di energie termica e frigorifera per la
climatizzazione di alberghi in diverse zone climatiche”
Fattori d’influenza esterni
1. Temperatura dell’aria
2. Umidità relativa
3. Radiazione solare
Fattori interni
1. Presenza di persone
(come apporti sensibili e latenti)
2. Presenza di persone (variazione dei set-point)
3. Altri carichi (luci, elettrodomestici, cucine..)
Strumenti
1. Trnsys ver. 16
2. TRY : Test reference year o Anno-tipo
“Analisi energetica di un sistema combinato di produzione di energie termica e frigorifera per la
climatizzazione di alberghi in diverse zone climatiche”
Analisi statistica dell’occupazione per hotel ad uso business
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
Jan
uary
Feb
ruary
Marc
h
Ap
ril
May
Ju
ne
Ju
ly
Au
gu
st
Sep
tem
ber
Octo
ber
No
vem
ber
Decem
ber
Yearly presence
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
Mo
nd
ay
Tu
esd
ay
Wed
nesd
ay
Th
urs
day
Frid
ay
Satu
rday
Su
nd
ay
Weekly presence
“Analisi energetica di un sistema combinato di produzione di energie termica e frigorifera per la
climatizzazione di alberghi in diverse zone climatiche”
1. Temperatura di prelievo da rete 12 °C
2. Temperatura d’accumulo 60 °C
3. Temperatura di utilizzo 48 °C
4. Consumo giornaliero 120 l/(g px)
0
0.05
0.1
0.15
0.2
0.25
0.3
0.35
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24
[ h ]
Daily DHW demand profile
Acqua calda sanitaria:
“Analisi energetica di un sistema combinato di produzione di energie termica e frigorifera per la
climatizzazione di alberghi in diverse zone climatiche”
1. Caldaia tradizionale + chiller
2. Caldaia a condensazione + chiller
3. Unità polivalente + caldaia ausiliaria
INVERNO
Fan-coil 45 °C
Batteria Riscaldamento UTA 45 °C
Scambiatore di calore per ACS 60 °C
ESTATE
Fan-coil 7 – 11 °C
Batteria raffreddamento e deumidificazione UTA 7 °C
Batteria post-riscaldamento UTA 45 °C
Soluzioni confrontate
• ITALIA: Bolzano, Venezia, Roma,
Napoli, Palermo
• SPAGNA: Madrid, Barcellona
• FRANCIA: Parigi
• GERMANIA: Monaco di Baviera
• TURCHIA: Izmir
Città considerate
Livelli termici di funzionamento dell’impianto
“Analisi energetica di un sistema combinato di produzione di energie termica e frigorifera per la
climatizzazione di alberghi in diverse zone climatiche”
A. Chiller
Potenza frigorifera = 160 [kW]
T acqua = 12/7 [°C]
T Aria = 35 [°C]
B. Pompa di calore
Potenza termica = 178 [kW]
T acqua = 40/45 [°C]
T Aria = 7 [°C] B.S,
87% U.R.
C. Recupero totale
Potenza frigorifera = 162 [kW]
T acqua = 12/7 [°C]
Potenza termica = 215 [kW]
T acqua = 40/45 [°C]
Modalità di funzionamento in applicazioni a 4 tubi
“Analisi energetica di un sistema combinato di produzione di energie termica e frigorifera per la
climatizzazione di alberghi in diverse zone climatiche”
Terminali Fan-coil a 2 tubi
Serbatoi d’accumulo
ACS
Aria Primaria (UTA)
62
“Analisi energetica di un sistema combinato di produzione di energie termica e frigorifera per la
climatizzazione di alberghi in diverse zone climatiche”
Temperatura dell’aria durante l’inverno
[°C] Camere Ristorante Atrio Cucine
Occupata 21 22 21 22
Vuota 19 18 21 18
[°C] Camere ristorante atrio cucine
Occupata 26 25 25 27
Vuota 28 28 25 27
Temperatura dell’aria durante l’estate
Tassi di ricambio d’aria
* Valor medio tra le varie camere
** valore richiesto per il solo controllo del microclima interno
[m3/h] Camere* ristorante atrio Cucine**
Occupata 135 1460 1900 660
Vuota 60 365 380 220
“Analisi energetica di un sistema combinato di produzione di energie termica e frigorifera per la
climatizzazione di alberghi in diverse zone climatiche”
Potenziale risparmio energetico
con 2 velocità di ventilazione
(in funzione della presenza o assenza di ospiti)
BUILDING THERMAL DEMAND [MWh]
0
50
100
150
200
250
300
350
BOLZANO VENICE IZMIR
Heating,fixed ventilation Heating, 2-speeds ventilation
Cooling, fixed ventilation Cooling, 2-speeds ventilation
0%
10%
20%
30%
BOLZANO VENICE IZMIR
THERMAL ENERGY REDUCTION
Heating Cooling
“Analisi energetica di un sistema combinato di produzione di energie termica e frigorifera per la
climatizzazione di alberghi in diverse zone climatiche”
Fabbisogno energetico netto [MWh]
“Analisi energetica di un sistema combinato di produzione di energie termica e frigorifera per la
climatizzazione di alberghi in diverse zone climatiche”
Sbrinamento
• Temperatura dell’aria <7 [°C]
• Penalizzazione termodinamica
• Necessità di effettuare cicli di
sbrinamento dell’evaporatore
• Analisi sperimentale in diverse situazioni
• Correlazione di COP a temperatura e umidità
• Filtrando la penalizzazione del compressore
dovuta alle condizioni di lavoro
=> penalizzazione dovuta allo sbrinamento
-5-4-3-2-101234567
506070809099
-20,0%
-17,5%
-15,0%
-12,5%
-10,0%
-7,5%
-5,0%
-2,5%
0,0%
2,5%
temperatura aria esterna [°C] R.H. [%]
0,0%-2,5%
-2,5%-0,0%
-5,0%--2,5%
-7,5%--5,0%
-10,0%--7,5%
-12,5%--10,0%
-15,0%--12,5%
-17,5%--15,0%
-20,0%--17,5%
“Analisi energetica di un sistema combinato di produzione di energie termica e frigorifera per la
climatizzazione di alberghi in diverse zone climatiche”
Modalità di produzione dell’ACS
67
GENNAIO
FEBBRAIO
MARZO
APR
ILE
MAGG
IO
GIU
GNO
LUG
LIO
AGOSTO
SETTE
MBRE
OTTO
BRE
NOVEM
BRE
DIC
EMBRE
10
15
20
25
30
35
40
45
50
55
60
65
[°C]
POMPA CALORE RECUPERO TOTALE CALDAIA AUSILIARIA
• L’unità polivalente produce sempre acqua a 45 [°C]
• In inverno funziona in pompa di calore, con priorità all’ACS
• D’estate sfrutta il calore di recupero, solitamente
disperso
• La caldaia integra la produzione fino a 60 [°C]
Fabbisogno termico ACS [kWh/anno]
24.044; 37%
21.360; 32%
20.638; 31%
caldaia aux. Recupero totale
heat pump
• Nei climi più caldi si può produrre acqua fino a 65 [°C]
• La polivalente HT può rinunciare alla caldaia ausiliaria
• Semplificazione dell’impianto e riduzione degli oneri
“Analisi energetica di un sistema combinato di produzione di energie termica e frigorifera per la
climatizzazione di alberghi in diverse zone climatiche”
Fabbisogni di Energia Primaria per la climatizzazione + ACS
“Analisi energetica di un sistema combinato di produzione di energie termica e frigorifera per la
climatizzazione di alberghi in diverse zone climatiche”
Costi d’esercizio a confronto
0
10000
20000
30000
40000
costi d'esercizio [€]
caldaia tradizionale + chiller caldaia condensazione + chiller Polivalente + caldaia aux. Polivalente HT
“Analisi energetica di un sistema combinato di produzione di energie termica e frigorifera per la
climatizzazione di alberghi in diverse zone climatiche”
Risparmio percentuale della polivalente + caldaia aux. Vs.
alla caldaia tradizionale + chiller
“Analisi energetica di un sistema combinato di produzione di energie termica e frigorifera per la
climatizzazione di alberghi in diverse zone climatiche”
71
Risparmio percentuale della polivalente + caldaia aux. Vs.
caldaia condensazione + chiller
“Analisi energetica di un sistema combinato di produzione di energie termica e frigorifera per la
climatizzazione di alberghi in diverse zone climatiche”
Tempi di ritorno dell’investimento
grazie alla riduzione dei costi
d’esercizio
0,0
0,2
0,4
0,6
0,8
1,0
1,2
1,4
1,6
1,8
2,0
Bolzano Venezia Izmir Paris Munchen Madrid Barcelona Roma Napoli Palermo
Tempo di ritorno vs. caldaia tradizionale [anni]
Polivalente + caldaia aux. Polivalente HT
0,0
0,5
1,0
1,5
2,0
Bolzano Venezia Izmir Paris Munchen Madrid Barcelona Roma Napoli Palermo
Tempo di ritorno vs. caldaia condensazione [anni]
Polivalente + caldaia aux. Polivalente HT
“Analisi energetica di un sistema combinato di produzione di energie termica e frigorifera per la
climatizzazione di alberghi in diverse zone climatiche”
Potenziale risparmio energetico in Uffici
74
Stabile per uffici
• 21600 m3 lordi
• 4500 m2 netti
• 10 piani
• 300 postazioni
• Facciate vetrate ad est ed ovest
• Trasmittanza pareti
opache: 0.3 W/(m2 K)
vetrate: 2.3 W/(m2 K)
“Confronto tra diversi impianti per la climatizzazione di un edificio per uffici”
75
• Temperature di
progetto
• Carico illuminazione:
Giornaliero: 7 W/m2
Notturno: 2 W/m2
• Presenze: dalle 8 alle 18
• Funzionamento UTA : 07-20
Mandata: 18°C
Ore
Lun-Ven
Sab
Dom
00-06
16°C/35°C
16°C/35°C
16°C/35°C
06-08
19°C/27°C
19°C/27°C
16°C/35°C
08-13
21°C/25°C
21°C/25°C
16°C/35°C
13-20
21°C/25°C
16°C/35°C
16°C/35°C
20-24
16°C/35°C
16°C/35°C
16°C/35°C
“Confronto tra diversi impianti per la climatizzazione di un edificio per uffici”
Carichi interni e set-point
76
Zone climatiche • Venezia
Temp aria esterna minima = -5.8°C
Temp. Aria esterna massima = 33.6°C
Umidità media annua = 80%
Radiazione media orizz. = 1270 kWh/m2
• Roma
Temp aria esterna minima = -4.2°C
Temp. Aria esterna massima = 31.2°C
Umidità media annua = 77%
Radiazione media orizz. = 1480 kWh/m2
“Confronto tra diversi impianti per la climatizzazione di un edificio per uffici”
77
Fabbisogni mensili e annuali
0
10
20
30
40
50
60
70
GEN
FEBM
AR
APR
MAG
GIU
LUG
AGO
SET
OTT
NO
VDIC
MWh caldo
MWh freddo
0
10
20
30
40
50
60
70
GEN
FEBM
AR
APR
MAG
GIU
LUG
AGO
SET
OTT
NO
VDIC
MWh caldo
MWh freddo
Riscaldamento: 8
kWh/m3
Raffrescamento: 11
kWh/m3
Riscaldamento: 4.5
kWh/m3
Raffrescamento:
12.6 kWh/m3
“Confronto tra diversi impianti per la climatizzazione di un edificio per uffici”
78
Soluzione 1
“Confronto tra diversi impianti per la climatizzazione di un edificio per uffici”
79
Soluzione 2
“Confronto tra diversi impianti per la climatizzazione di un edificio per uffici”
80
Soluzione1
14/19 [°C] 7/12 [°C]
40/45 [°C]
Soluzione 2
7/12 [°C] 14/17 [°C]
30/35 [°C]
“Confronto tra diversi impianti per la climatizzazione di un edificio per uffici”
UTA
81
“Confronto tra diversi impianti per la climatizzazione di un edificio per uffici”
Soluzione 3
82
7/12 [°C]
30/35 [°C]
14/17 [°C]
30/35 [°C]
L’acqua è prodotta alla temperatura cui è richiesta
“Confronto tra diversi impianti per la climatizzazione di un edificio per uffici”
Soluzione 3
83
Prestazioni ai carichi parziali
• Sviluppo di software dedicato per il calcolo delle prestazioni ai carichi parziali
• Considera le variazioni delle condizioni dell’aria esterna
• Tiene conto del fattore di carico della macchina
“Confronto tra diversi impianti per la climatizzazione di un edificio per uffici”
84 84
“Confronto tra diversi impianti per la climatizzazione di un edificio per uffici”
85
Risparmio
• Costo fisso energia elettrica: 0.16 €/kWh
• Costo fisso gas: 0.07 €/kWh
Risparmio annuale
€ 0
€ 2'000
€ 4'000
€ 6'000
€ 8'000
€ 10'000
€ 12'000
€ 14'000
€ 16'000
Sol. 1 ST Sol. 1 AE Sol. 2 ST Sol. 2 AE Sol. 3 ST Sol. 3 AE
Venezia
Roma
VENEZIA ROMA
ST € 39'322 € 37'260
AE € 33'514 € 31'565
ST € 33'018 € 31'683
AE € 27'437 € 26'055
ST € 32'850 € 31'283
AE € 25'550 € 23'827
Soluzione
1
Soluzione
2
Soluzione
3
Costi annui
• Pay Back:
< 4 anni
“Confronto tra diversi impianti per la climatizzazione di un edificio per uffici”
86
Protocollo LEED • Punti conseguibili credito energetico: 19
• Classificazione edificio:
Base 40 49 punti
Argento 50 59 punti
Oro 60 79 punti
Platino 80 110 punti
Confronto realizzato solo intervenendo sull’impianto e sulle macchine
“Confronto tra diversi impianti per la climatizzazione di un edificio per uffici”
Potenziale risparmio energetico nel retrofit di
impianti di raffrescamento per uffici
“Efficiency and flexibility. A new cooling system solution.”
Impianto tradizionale:
7°C
Acqua fredda
La produzione dell’acqua a 7°C non è sempre richiesta:
• Per le travi attive l’acqua viene normalmente richiesta a 14°C;
• Nelle UTA può essere utilizzato il free cooling (soprattutto in climi miti o
freddi).
“Efficiency and flexibility. A new cooling system solution.”
Soluzione alternativa:
Set point variabile
Portata variabile
Kit idronico
richiesta
“Efficiency and flexibility. A new cooling system solution.”
Zone climatiche:
Roma
Stoccolma Lisbona
Bombay
Due tipi di chiller: • Efficienza standard
• Alta efficienza
“Efficiency and flexibility. A new cooling system solution.”
Condizioni operative:
Potenza max. 200 kW
Temperatura al di sotto della quale lavorare in
free-cooling 16°C
Temperatura mandata aria alle travi 16°C
Portata d’aria 3.6 m3/s (13 000 m3/h)
Numero di travi 241
“Efficiency and flexibility. A new cooling system solution.”
Stock-
holm Rome Lisbon
Bom-
bay
Sta
ndard
chill
er Average
EER
(annual)
Fixed set point 4.6 3.2 3.9 3.3
Variable set
point 5.3 3.4 4.2 3.4
EER improvement 14% 6% 7% 3%
Hig
h
Effic
iency
chill
er
Average
EER
(annual)
Fixed set point 5.3 3.5 4.2 4.0
Variable set
point 6.3 3.9 4.7 4.2
EER improvement 17% 10% 11% 4%
High Efficiency with variable temperature
VS. Standard chiller with fixed temperature 28% 18% 18% 20%
“Efficiency and flexibility. A new cooling system solution.”
Stock-
holm Rome Lisbon
Bom-
bay
Sta
ndard
chill
er
Absorbed
energy
(annual),
[MWh]
Fixed set point 82 111 92 292
Variable set
point 75 107 88 29
Consumption reduction 9% 4% 5% 3%
Hig
h
Effic
iency
chill
er
Absorbed
energy
(annual),
[MWh]
Fixed set point 70 93 80 247
Variable set
point 60 88 73 24
Consumption reduction 13% 6% 8% 4%
High Efficiency with variable temperature
VS. Standard chiller with fixed temperature 36% 26% 26% 25%
Consumo di energia elettrica [Mwhe]
Conclusioni
• La normativa di prodotto permette di confrontare tra loro prodotti di diverse aziende
• Le normative di sistema permettono di effettuare un’analisi standardizzata per un edificio (arrivando alla certificazione dell’edificio)
• Non c’è ancora omogeneità nella normativa (UNI TS 11300 parti 3 e 4 necessitano di armonizzazione)
• Le analisi dinamiche per edifici non residenziali permettono di arrivare a risultati più vicini a quelli reali
• L’impianto deve essere progettato per lavorare efficientemente ai carichi parziali
• Esistono potenziali molto interessanti sul retrofit degli impianti di raffrescamento
VI RINGRAZIAMO PER L’ATTENZIONE