Il calcolo del fabbisogno termico (analizzeremo in questo articolo solo il bilancio energetico relativo alla climatizzazione invernale ma, con gli opportuni accorgimenti, le stesse considerazioni valgono per la climatizzazione estiva) viene effettuato sulla base di un bilancio termico dell’ambiente delimitato dall’involucro edilizio. Conoscendo i rendimenti dei sistemi impiantistici è possibile risalire, dalla domanda di energia termica, al fabbisogno di energia primaria.
È necessario fare attenzione a non confondere il fabbisogno di energia, cioè la quantità richiesta per garantire i livelli di temperatura di progetto, e l’energia primaria necessaria per soddisfare tali fabbisogni. Considerando, infatti, le perdite degli impianti (rendimento) l’energia primaria viene definita come l’energia che è necessario fornire all’impianto, comprensiva delle perdite, per poter soddisfare il fabbisogno di energia e garantire la temperatura interna di progetto.
Equazione di bilancio termico
Un bilancio energetico è tanto più accurato quanto più sono piccoli gli intervalli temporali di riferimento e quanto più viene scomposto l’edificio in parti omogenee e condizioni al contorno, quali l’irraggiamento. Ogni parte in cui viene suddiviso il sistema richiede un’equazione di bilancio termico.
La normativa consente di adottare delle semplificazioni al calcolo del bilancio energetico che, altrimenti, risulterebbe particolarmente complesso. In particolare viene presa in considerazione una zona dell’edificio, detta zona termica, di dimensioni non inferiori al vano, omogenea per temperatura interna e condizioni al contorno servita da uno stesso impianto. Il calcolo è previsto su base mensile. Tali sistemi si basano su ipotesi semplificative, ed in particolare:
- Stazionarietà degli scambi termici all’interno del periodo di calcolo che consente di assumere costanti i valori delle temperature
- Monodimensionalità dei flussi termici attraverso gli elementi dell’involucro edilizio
- Assunzione di valori medi mensili delle grandezze climatiche
- Valutazione semplificata dei contributi dei guadagni termici interno e di origine solare
L’equazione di bilancio energetico viene costruita a partire dalla valutazione dello scambio termico totale tra ambiente confinato ed esterno (QH,ht) a cui vanno sottratti gli apporti termici totali (Qgn) opportunamente corretti da un fattore di utilizzazione (ηH,gn).
QH,nd = QH,ht – ηH,gn Qgn [MJ]
quindi
QH,nd = (QH,tr + QH,ve) – ηH,gn (Qint + Qsol) [MJ]
dove:
| QH,nd | Fabbisogno ideale di energia termica per la climatizzazione invernale |
| QH,tr | Scambio termico per trasmissione |
| QH,ve | Scambio termico per ventilazione |
| ηH,gn | Fattore di utilizzazione degli apporti termici |
| Qint | Apporti termici interni |
| Qsol | Apporti termici solari |
Significato del fattore di utilizzazione degli apporti termici
È necessario sottolineare come, nell’equazione sopra riportata, il contributo dell’inerzia termica accumulata dalle masse dell’edificio venga considerato nel calcolo del fattore di utilizzazione degli apporti termici che è direttamente proporzionale alla capacità termica ed inversamente proporzionale alle dispersioni.
Nel caso invernale, infatti, il fattore di utilizzazione esprime la capacità della struttura di utilizzare il calore accumulato che viene utilizzato per diminuire il fabbisogno di energia termica.
Nei periodi freddi può capitare che gli apporti, ed in particolare quelli solari, maggiori nelle ore centrali più calde (quando le dispersioni sono minime), possano aumentare la temperatura interna oltre i limiti di progetto, generando il fenomeno del surriscaldamento. L’inerzia termica, che può essere definita come l’effetto combinato di accumulo termico e resistenza termica della struttura, interviene con la sua capacità di accumulare il calore e restituirlo nelle ore più fredde, quando le dispersioni sono maggiori.
Quando si verifica il surriscaldamento le maggiori dispersioni termiche vengono conteggiate nel fattore di utilizzazione che interviene riducendo i guadagni.
Dati di ingresso
L’equazione di bilancio richiede l’analisi e la conoscenza approfondita dei seguenti parametri:
Dati relativi alle caratteristiche tipologiche dell’edificio
- Volume lordo dell’ambiente climatizzato
- Volume netto dell’ambiente climatizzato
- Superficie utile dell’ambiente climatizzato
- Superfici dei componenti dell’involucro e della struttura edilizia
- Tipologia e dimensione dei ponti termici
- Orientamento
- Caratteristiche geometriche di tutti gli elementi esterni che ombreggiano i componenti trasparenti dell’involucro edilizio
Dati relativi alle caratteristiche termiche e costruttive dell’edificio
- Trasmittanze termiche dei componenti dell’involucro edilizio (ne avevamo parlato in questo articolo)
- Capacità termiche areiche dei componenti della struttura dell’edificio
- Coefficiente di trasmissione lineare dei ponti termici
Dati climatici
- Valori medi mensili delle temperature esterne
- Irradianza solare totale media mensile sul piano orizzontale
- Irradianza solare totale media mensile per ciascun orientamento
