Esempio di calcolo per una villetta - Ordine degli Ingegneri della ...

Esempio di calcoloVilletta di nuova costruzioneIng. Laurent SOCAL31/01/2011 Esempio villetta 1Villetta esempio31/01/2011 Esempio villetta 2Esempio villetta 1

31/01/2011 Esempio villetta 3ProgettazionePunto di partenza: esigenza di un servizio1. Dimensionamento– Scelta di un insieme di componenti per formareun sistema idoneo a fornire il servizio desideratoCriterio: “L’impianto ce la deve fare”Non necessaria una grande precisioneDIMENSIONAMENTOKO2. Verifica della prestazione energetica– Verifica della prestazione energetica dell’insiemedi componenti scelto, in esercizioIl calcolo deve essere fatto in condizioni medieNecessaria una buona precisioneVERIFICAOK31/01/2011 Esempio villetta 4Esempio villetta 2

Dimensionamento Calcolo del carico termico (UNI EN 12831) Dispersioni con temperatura esterna di progetto, eventuale aggiunta per la ripresaPotenza nominale corpi scaldanti– carico termico relativo al singolo locale in base alla temperatura media desiderata…Portate delle tubazioni– Sulla base di un salto termico 10 °C … 20 °CSistema di regolazione: agire sulla portata e/o sulla temperaturaCoibentazione delle tubazioni: in base al regime termicoScelta del generatore– Potenza sulla base del carico termico complessivo dell’edificio dimensionamento in base al calcolo dell’energia– Tipo di collegamento idraulico– Tipo di sistema di regolazione31/01/2011 Esempio villetta 5Il carico termico Il “carico termico” è la potenza dispersa pertrasmissione e ventilazione dalle strutture– In corrispondenza alla temperatura di progetto– In assenza di apporti gratuiti… anzi maggiorando a nord con i coefficienti di esposizioneper bilanciare i diversi apporti gratuiti Temperatura di progetto– Temperatura che ricorre con frequenza significativa,ad esempio, per 48 ore ogni 2 anni Bin: distribuzione di durate delle temperature:quante ore in un mese o in un anno la temperatura rientra inuna determinata fasciaIl carico termico è una proprietà dell’edificio31/01/2011 Esempio villetta 6Esempio villetta 3

Dati nominali del radiatoree grandezze di riferimentoT mandata = 80 C1000 WPortata43 kg/hT media70 CT amb20 CT ritorno = 60 C31/01/2011 Esempio villetta7Potenza radiatore in funzione della temperatura media dell'acquaPotenza lato ariaPotenza emessa [W]1600140012001000800600400200020 30 40 50 60 70 80 90 100Temperatura media dell'acqua [°C]62 °CLA POTENZA EMESSA DA UN CORPO SCALDANTEDIPENDE DALLA SUA TEMPERATURA MEDIAP=⎛⎜⎝Tmed70°C−Tamb− 20°C⎞⎟⎠n⋅ Pnomn è l’esponente caratteristico del corpo scaldanteRadiatori: n = 1,3 Pannelli n = 1,13…31/01/2011 Esempio villetta8Esempio villetta 4

Scelta della potenza nominaleLa potenza nominale di progetto del corpo scaldante Φ nom,prog risulta da:– Carico termico di progetto Φ prog– Temperatura media di progetto desiderata θ m,progPer ottenere la temperatura media θ m,prog desiderata, noti:– La temperatura media nominale θ m,nom dei corpi scaldanti (70 °C)– L'esponente del corpo scaldante n (radiatore 1,3)– La temperatura ambiente di riferimento θ int = 20 °C si ricava la potenza nom di progetto Φ nom,prog del corpo scaldanteΦnom,prog= Φprog⎛ θ⋅⎜⎝θm,nomm,prog−θ−θintint⎞⎟⎠n= Φprog⎛⎜∆θ⋅⎝ ∆θnomprog⎞⎟⎠n= Φprog⋅kcorrTemperatura media desiderata 45 50 55 60 65 70Fattore di correzione k corr 2,46 1,94 1,59 1,34 1,15 1,0031/01/2011 Esempio villetta 9Dati tipici di radiatoriModelloProfonditàAltezzaInterasseLarghezzaPesoPotenzaEspon.mm mm mm mm kgelem.WelemN350/100 97 429 350 80 1,07 97 1,31500/100 97 577 500 80 1,43 129 1,32600/100 97 676 600 80 1,65 147 1,33700/100 97 779 700 80 1,91 166 1,34800/100 97 879 800 80 2,21 183 1,3531/01/2011 Esempio villetta 10Esempio villetta 5

Potenza lato acquaPotenza[ W ] = Portata[l / h]× Saltotermico[° C]× 1,16Portata[l/ h]=Potenza[W ]Saltotermico[° C]× 1,16SCELTA DEL SALTO TERMICO MANDATA/RITORNO DI PROGETTOIL PIU ALTO POSSIBILE, CON RADIATORI 20 °C31/01/2011 Esempio villetta 11Basso costoRadiatoriFacile applicare dispositivi di regolazionedella temperatura ambiente per singolo ambienteNessun consumo elettricoRichiedono una portata di acqua modestaGeneralmente sovradimensionati negli impianti esistentiTemperatura di mandata medio alta elevataTempo di risposta rapidoTemperatura media relativamente bassa se fatti funzionare 24/24 o suimpianti nuoviNon utilizzabili in raffrescamentoLa potenza del radiatore è quella erogata 80/60 = massimo Potenza ricavabile dalle dimensioni con UNI 10200Adatti al funzionamento in condensazione (a bassa temperatura di ritorno)31/01/2011 Esempio villetta 12Esempio villetta 6

Perché regolare? Il dimensionamento riguarda la condizioni diprogetto, cioè quelle di massima potenzarichiesta non succederà quasi mai… Occorre far erogare all’impianto la potenzanecessaria istante per istante… occorrono:circuiti idraulici adeguatiun sistema di regolazione dell’emissione del calore… cosa succede a carico ridotto?31/01/2011 Esempio villetta 13Come regolare l’emissione del calore?Per modulare la potenza all’emissione di un corpo scaldantesi può agire su…– Temperatura di mandataIn funzione della temperatura esterna o della temperatura interna (raro)Con valvole miscelatrici o generatori a temperatura scorrevole– PortataIn funzione della temperatura interna (o del set-point aria)Con continuità, con valvole termostatiche e valvole a by-passON-OFF con valvole di zona (a 2 o 3 vie)– Scambio termicoIn funzione della temperatura interna (o del set-point aria)Con attivazione di un ventilatore (ventilconvettori ed aerotermi)… o una loro combinazione …31/01/2011 Esempio villetta 14Esempio villetta 7

Circuiti di distribuzione fondamentali Circuito direttoUtilizzato per l’utenza a temperaturapiù alta Circuito miscelatoUtilizzato per alimentare utenze atemperatura inferiore a quella dimandata Circuito a by-passL’utenza lavora a temperatura dimandata uguale al generatore ed aportata variabile. Utilizzato pergarantire la portata (?).31/01/2011 Esempio villetta 15Regolazione a temperatura variabile e portata costante9080Regolazione a temperatura variabile e portata costante700600Temperature °C70605040500400300200Portata kg/h301002000 1.000 2.000 3.000 4.000 5.000 6.000 7.000 8.000Potenza WMandata °C Media °C Ritorno °C Portata kg/hLa portata è costanteSi regola la mandata per ottenerela temperatura media desiderataMera compensazione climatica: rendimento KOPossibile anche regolare la temperatura dimandata in funzione della temperatura interna31/01/2011 Esempio villetta16Esempio villetta 8

BilanciamentoBilanciare l’impianto vuol dire: Distribuire i corpi scaldantiin base alla potenzadelle dispersioni Distribuire le portate di acquain base alle potenzedei radiatori– Controllo temperatura di ritorno– Agire sui detentori?31/01/2011 Esempio villetta 17Bilanciamento correttoSe le portate sono corrette (cioè quanto basta!),lo sbilanciamento ha effetti disastrosi31/01/2011 Esempio villetta 18Esempio villetta 9

Bilanciamento all’italianaSe le portate sono molto elevate, anche se la portatanel radiatore di destra si riduce a poco più della metà,lo sbilanciamento ha effetti modesti31/01/2011 Esempio villetta 19Sbilanciamento continuoCasa “passiva”: ampie finestre a sudCon il soleil locale a sud è caldoSenza soleil locale a sud è freddo31/01/2011 Esempio villetta 20Esempio villetta 10

Bilanciamento idraulico Manuale con detentori– Ci vuole troppo tempo: non verrà mai fatto– Se viene fatto sarà distrutto al primo smontaggio dei radiatori “All’italiana”, con portata esagerata– Produce elevati consumi elettrici– Aumento del diametro delle tubazioni maggiori dispersioni Automatico con regolazione per singolo ambiente– Con valvole termostatiche si riducono al minimo le portate fornisce anche una regolazione modulante della portata non consente di gestire degli orari– Con valvole elettrotermiche consentono di gestire orari e profili di temperatura aggiungono consumi elettrici31/01/2011 Esempio villetta 21Bilanciamento …tedesco31/01/2011 Esempio villetta 22Esempio villetta 11

Regolazione ON-OFFOFF9080Regolazione a temperatura costante e portata ON-OFF700600Temperature °C70605040500400300200Portata kg/h30100200 1.000 2.000 3.000 4.000 5.000 6.000 7.000 8.000Potenza W0Mandata °C Media °C Ritorno °C Portata kg/hLa portata è variabile “ad impulsi”In caso di regolazione di zona, occorre ancora ilbilanciamento idraulico.31/01/2011 Esempio villetta23Regolazione ON-OFF OFF compensata9080Regolazione a temperatura variabile e portata ON-OFF700600Temperature °C70605040500400300200Portata kg/h30100200 1.000 2.000 3.000 4.000 5.000 6.000 7.000 8.000Potenza W0Mandata °C Media °C Ritorno °C Portata kg/hLa portata è variabile “ad impulsi”Con la compensazione climaticasi può diminuire la temperatura di ritornoLa temperatura di mandata deve esseremaggiore di quella per compensazioneclimatica per dare autorità ai termostati?'H,em,ret?'H,dis,ret31/01/2011 Esempio villetta?'H,dis,flw24T?'H,cr,flwV'H,cr?'H,cr,retMM?'H,em,flwV'H,emTEsempio villetta 12

Regolazione a portata variabile935 W748 W571 W406 W70 °C70 °C70 °C70 °C160 l/h67,5 °C32 l/h60 °C14 l/h52,5 °C7 l/h45 °C65 °C50 °C35 °C20 °C20 °C20 °C20 °C20 °CRADIATORE DA 1000 W NOMINALI31/01/2011 Esempio villetta 25Regolazione a portata variabile9080Regolazione a temperatura costante e portata variabile700600Temperature °C70605040500400300200Portata kg/h301002000 1.000 2.000 3.000 4.000 5.000 6.000 7.000 8.000Potenza WMandata °C Media °C Ritorno °C Portata kg/hAi bassi carichi il radiatore stratifica molto(si “rimpicciolisce”)Calcolo vero a regime: nei transitorile portate aumentano (avviamento)o diminuiscono (forti apporti gratuiti)31/01/2011 Esempio villetta26Esempio villetta 13

Effetto della variazione di temperatura406 W406 W406 W406 W50 °C55 °C60 °C65 °C35 l/h45 °C18 l/h45 °C12 l/h45 °C9 l/h45 °C40 °C35 °C30 °C25 °C20 °C20 °C20 °C20 °CIn presenza di regolazione per singolo corpo scaldante agente sulla portata(valvole termostatiche), una variazione della temperatura di mandata provoca soloun cambiamento delle portate (entro il limite idraulico di massima portata).31/01/2011 Esempio villetta 27Regolazione a portata variabile con temperatura compensata9080Regolazione a temperatura compensata e portata variabile700600Temperature °C70605040500400300200Portata kg/h30100200 1.000 2.000 3.000 4.000 5.000 6.000 7.000 8.000Potenza W0Mandata °C Media °C Ritorno °C Portata kg/hAi carichi elevati, il limite di temperatura dimandata causa un aumento della portataCalcolo vero a regime: nei transitorile portate aumentano (avviamento)o diminuiscono (forti apporti gratuiti)T?'H,cr,flwV'H,cr?'H,cr,ret?'H,dis,ret?'H,dis,flwM?'H,em,flw?'H,em,ret31/01/2011 Esempio villetta28V'H,emTEsempio villetta 14

VentilconvettoriCosto moderatoIncorporano sempre un dispositivo di regolazione della temperatura ambiente(termostato agente sul ventilatore)Generalmente sovradimensionati negli impianti esistentiConsumo elettrico significativoRumoroso quando la ventola è in funzioneRichiedono un’elevataportata d’acqua continuaRichiedono manutenzione(pulizia filtro)Temperatura di mandata medio altaTempo di risposta rapidoUtilizzabili anche in raffrescamento(con scarico condensa)Inadatti per la condensazione31/01/2011 Esempio villetta 29VentilconvettoriTemperature °C9080706050403020Regolazione a temperatura costante e scambio variabile0 1.000 2.000 3.000 4.000 5.000 6.000 7.000 8.000Potenza W7006005004003002001000Portata kg/hLa portata è costante.All’aumentare dellapotenzaemessa, diminuisce latemperatura di ritorno.Viceversa, ai bassicarichi aumenta latemperatura di ritornoMandata °C Media °C Ritorno °C Portata kg/h31/01/2011 Esempio villetta30Esempio villetta 15

Regolazione ON-OFF OFF compensata45Regolazione a temperatura variabile e portata ON-OFF1.500401.200Temperature °C353025900600300Portata kg/h2000 1.000 2.000 3.000 4.000 5.000 6.000 7.000 8.000Potenza WMandata °C Media °C Ritorno °CPortata kg/hPortata ON [kg/h]La portata è variabile “ad impulsi”La compensazione climatica (o il punto fisso)si usa per avere unatemperatura di mandata indipendenteT?'H,cr,flwV'H,cr?'H,cr,retM?'H,em,flwV'H,em?'H,em,retMT31/01/2011 Esempio villetta33Circuito di distribuzione a miscelazione, pannelliQuando si interpone una valvola miscelatrice sull’alimentazione di unpannello, come carico per il generatore non c’è più alcuna differenza rispettoad un radiatore. Anzi il ∆T è sicuramente elevato.Caso tipico: utenze miste a bassa ed alta temperatura(pannelli + scaldasalviette in bagno o acqua calda sanitaria)31/01/2011 Esempio villetta 34Esempio villetta 17

Schemi con collettori a punto fisso31/01/2011 Esempio villetta 35Distribuzione bitubo/monotuboCALDAIA OCASSETTA DI ZONALe reti “monotubo” furono proposte per “semplificare l’installazione degli impiantitermici. Sono molto difficili da bilanciare ed incompatibili con la condensazione.Oggi sono praticamente abbandonate e si usano normali circuiti bitubo31/01/2011 Esempio villetta 36Esempio villetta 18

Circuito di distribuzione a by-pass• La temperatura di mandata agli emettitori è uguale alla temperatura dimandata dal collettore• CONDENSAZIONE KO: La temperatura di ritorno al collettore è maggioredella temperatura di ritorno dagli emettitori• CALDAIA OK: La portata prelevata dal collettore è superiore alla portatacircolante negli emettitori• Esempio: circuito monotubo31/01/2011 Esempio villetta 37E quindi, per i corpi scaldanti Calcolo carico termico tradizionale perfettamente accettabile(con regolazione per singolo ambiente) Dimensionare le potenze nominali dei corpi scaldanti in funzionedella temperatura media dell’impianto desiderata Sovradimensionare deliberatamente i corpi scaldanti perottenere un impianto a bassa temperatura– Radiatori: condensazione OK e disponibilità di un’elevatissima potenzaper la ripresa– Pannelli: riduzione della temperatura di mandata in connessione all’uso dipompe di calore La regolazione per singolo ambiente permette di scegliereliberamente i corpi scaldanti e garantisce il bilanciamento il calcolo di dimensionamento fornisce la taglia minima31/01/2011 Esempio villetta 38Esempio villetta 19

31/01/2011 Esempio villetta 39Circuito idraulico e scelta della pompaForza motrice:– Prevalenza della pompa HResistenze (perdite di carico)– Caldaia– Tubazioni– Radiatori– Valvole e detentori– …Espressi in m c.a., mbar, ecc. Portata in kg/h Q, oppure V’Temperature mandata Tm e ritorno Tr∆T mandata ritornoPotenza termica trasportata P = Q x ∆TA REGIME LE PERDITE DI CARICO DEVONO ESSERE UGUALI ALLAPREVALENZA DISPONIBILE31/01/2011 Esempio villetta 40Esempio villetta 20

Perdite di carico Le perdite di carico sono proporzionalial quadrato della portata∆P = K x Q 2 KV = portata con ∆P = 1 bar12Perdita di carico10Perdita di carico m c.a.864200 0,5 1 1,5 2 2,5Portata in m³/h31/01/2011 Esempio villetta 41PORTATA IN l/h∆T 20 °CRADIATORE DA 1000 W … ∆T 20 °C … 43 kg/h …Tubo 12/10 0,2 m/s 7 mm c.a./m50 + 50 metri di tubazione Perdita di carico 0,7 m c.a.31/01/2011 Esempio villetta 42Esempio villetta 21

Caratteristiche di una pompa centrifugaLa prevalenza della pompa diminuiscecon la portata a causa delle perdite dicarico interneLe diverse curve sono ottenutecambiando il numero di giri dellapompaLa prevalenza aumenta con il quadratodel numero di giriAnche la potenza elettrica cambia con:– il numero di giri– la portata istantanea31/01/2011 Esempio villetta 43Incrocio con l’impiantoIl punto blu è quello di funzionamentose la pompa è impostata su 3Il punto verde è il punto di progettodell’impiantoSul grafico sono riportate delleparabole che rappresentano ilcomportamento tipico di un impianto.La curva rossa è quella dell’impianto31/01/2011 Esempio villetta 44Esempio villetta 22

Variazione giripompaCosa succede in un circuitosemplice passando da 3 ad 1…31/01/2011 Esempio villetta 45Pompe elettronicheDispositivo a controllo elettronico parametrizzazioneA giri fissiA pressione costante impianti a zoneA pressione proporzionale valvole termostatiche31/01/2011 Esempio villetta 46Esempio villetta 23

31/01/2011 Esempio villetta 47Uso della pompa a pressione proporzionaleSCEGLIENDO LA REGOLAZIONE A PRESSIONE PROPORZIONALE(ALLA PORTATA), LA PRESSIONE DIFFERENZIALE A CAVALLODELLE VALVOLE TERMOSTATICHE E’ APPROSSIMATIVAMENTECOSTANTE.La regolazione a pressione proporzionale si utilizza quando si voglianeutralizzare l’influenza di un tratto di tubazione comune dell’impianto31/01/2011 Esempio villetta 48Esempio villetta 24

MTSoluzione classicaMassimi consumi elettriciMassime dispersioniPortata costanteSoluzione furbaConsumi elettrici ridottiMinime dispersioniPortata variabileMTSoluzione ottimaConsumi elettrici minimiMinime dispersioniNumero minimo di componentiPortata variabileT31/01/2011 Esempio villetta 49Scelta della regolazioneLa regolazione per singolo ambiente consente di scegliere liberamente la potenza del corpo scaldante– Il valore di dimensionamento diventa il valore minimo dellapotenza nominale del corpo scaldante da installare– Ogni eventuale sovradimensionamento può esseretrasformato in riduzione della temperatura dell’impianto bilanciare automaticamente l’impiantoLa scelta del circuito idraulico influenza le prestazionidella rete di distribuzione31/01/2011 Esempio villetta 50Esempio villetta 25

Dimensionamento della coibentazione La tabella allegato B è solo un minimo assoluto In relazione tecnica occorre indicare spessori emateriale delle coibentazioni Per i nuovi impianti è obbligatorio il calcoloanalitico delle reti di distribuzione Le reti di distribuzione hanno perdite molto piùelevate di quanto si pensi Non ci sono più margini di errore31/01/2011 Esempio villetta 51Spessore coibente della reteValutazione economica dello spessore dell’isolanteDipende da Tipo di carico applicato: continuo/impulsivo Carico applicato all’isolante espresso in gradi-ora annuali,corretti con il fattore di recupero(perdite recuperabili eccessive potrebbero non essere recuperate) Tasso di interesse per attualizzare gli importi Costo e potere calorifico del combustibile Costo al m³ dell’isolante in opera Conduttività dell’isolante31/01/2011 Esempio villetta 52Esempio villetta 26

Dimensionamento del generatoreCalcolo di dimensionamento (potenza, kW, portate, …)– Serve per stabilire la taglia di apparecchi e componenti– In condizioni di progetto condizioni estreme (l’impianto “deve farcela”)– Calcolo “dalla parte della sicurezza” + influenza costruttori (radiatori)– Conseguenza: forte sovradimensionamento, condizioni mai raggiuntenell’esercizio, frequenti problemi di marcia a regime ridottissimo– Tollerabile una scarsa precisione si limitano gli apparecchi piccoli… Facile finchè sono caldaie:– la prestazione energetica in termini di potenza massima è indipendentedalle condizioni climatiche– costo modesto del kW installato… Critico con altri tipi di generatori: Pompa di calore prestazione minima in condizioni di esigenze massime abbinamento con una caldaia di supporto31/01/2011 Esempio villetta 53Dimensionamento del generatore Metodi di dimensionamento tradizionali (potenza):– Elevato sovradimensionamento– Pompa di calore non competitiva con dimensionamenti abbondanti Dimensionamento con calcoli di energia:Calcolare il fabbisogno di energia mensile di progettoCalcolare la potenza media di progetto mensileCostruire il grafico potenza mensile / temperatura esterna media mensileInterpolare con una retta e leggere la potenza richiesta alla temperatura di progetto– Dimensionamento potenzialmente più preciso– Valorizza gli elevati apporti degli edifici ben isolati ed orientati– Si può tenere conto dell’inerzia dell’edificio aumentando la temperatura diprogetto– Occorre valutare la probabilità di mancanza di apporti gratuiti31/01/2011 Esempio villetta54Esempio villetta 27

Firma energetica di progettoFirma energetica di progetto, potenza utile generatore [W]8.0007.0006.0005.000Potenza utile media del generatoreMedia annoDimensionamentoLineare (Potenza utile media del generatore)4.0003.0002.0001.0000-10,0 -5,0 0,0 5,0 10,0 15,0 20,0Temperatura esterna [°C]Utilizzabile nei nuovi edifici, partendo da Q H,gen,out31/01/2011 Esempio villetta55Firma energetica di progetto, potenza utile generatore [W]8.0007.0006.000Potenza utile media del generatore con apportiMedia annoDimensionamentoPotenza utile media senza apportiLineare (Potenza utile media del generatore con apporti)Lineare (Potenza utile media senza apporti)5.0004.000APPORTI3.0002.0001.0000-10,0 -5,0 0,0 5,0 10,0 15,0 20,0Temperatura esterna [°C]Fattori di rischio nel dimensionamento con l’energia:Presenza apporti gratuiti nelle giornate più freddeValutazione ponti termici e ventilazione31/01/2011 Esempio villetta 56Esempio villetta 28