• Integrazione: impianti di illuminazione e HVAC

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Una sala riunioni presso il Schottenstein Center della Ohio State University è stata convertita in una elegante reception per accogliere ospiti VIP in occasione di concerti ed eventi sportivi. L'illuminazione funziona dal 30% (piena potenza) al 90% (offuscamento completo) al di sotto della potenza totale consentita dalle normative energetiche, a seconda dello scenario di illuminazione utilizzato per ciascun evento. La progettazione dell'illuminazione a risparmio energetico ha consentito una riduzione della quantità di raffreddamento necessaria. Metro CD Engineering ha realizzato la progettazione meccanica, elettrica e delle tubature e ha fornito servizi amministrativi di costruzione per la ristrutturazione. Fonte: Bob Winner"

Obiettivi di apprendimento:

  1. 1. Apprendere maggiori informazioni sull’interazione fra i carichi di illuminazione e raffreddamento.
  2. 2. Apprendere come utilizzare il software di modellazione energetica degli edifici per integrare la progettazione degli impianti di illuminazione e dimensionare correttamente gli impianti HVAC.

L’utilizzo di un progetto di illuminazione a risparmio energetico non solo garantisce notevoli risparmi per l’illuminazione ma è anche in grado di ridurre i requisiti di raffreddamento di un edificio. Gli ingegneri devono utilizzare il software di modellazione energetica degli edifici per integrare la progettazione degli impianti di illuminazione e dimensionare correttamente gli impianti HVAC.

Figura 1: un'esistente sala riunioni presso il Schottenstein Center della Ohio State University è stata convertita in una elegante reception per accogliere ospiti VIP in occasione di concerti ed eventi sportivi. L'illuminazione funziona dal 30% (piena potenza) al 90% (
Il software di modellazione energetica degli edifici è ampiamente utilizzato nel settore per una serie di scopi, tra cui la determinazione dei risparmi energetici, la progettazione degli impianti HVAC o come strumento di conformità per ottenere la certificazione LEED da parte del Green Building Council. Sono disponibili centinaia di diverse applicazioni di modellazione energetica degli edifici e ciascuna ha i propri punti di forza e le proprie debolezze.

Sebbene vi siano molti fattori importanti nella creazione di un accurato modello energetico degli edifici (superficie, orientamento, quantità di vetro dell'edificio, eccetera), i guadagni in termini di calore interno provenienti da persone, luci e apparecchiature nell'ambiente contribuiscono alla maggior parte del carico di raffreddamento in molti edifici. Quando gli ingegneri sono in grado di sviluppare modelli energetici più precisi, gli impianti HVAC possono essere dimensionati in modo ottimale, divenendo di conseguenza impianti a risparmio energetico con un comfort termico migliore per gli occupanti degli edifici e una maggiore soddisfazione dei proprietari.

Secondo ilmanuale U.S. EPA Energy Star Building Upgrade, l'illuminazione è in genere la fonte maggiore di calore di scarto, conosciuto anche come guadagno di calore, all'interno degli edifici commerciali. Circa il 18% dell'elettricità generata negli Stati Uniti viene consumata dai carichi di illuminazione, mentre un altro 5% è utilizzato per raffreddare il calore di scarto generato dall'illuminazione. Come illustrato nella figura 2, l'illuminazione costituisce il 35% dell'utilizzo di elettricità di un edificio. Poiché l'illuminazione rappresenta la maggior parte del consumo di elettricità di un edificio commerciale, essa presenta anche un'ottima opportunità di risparmio energetico grazie all'utilizzo di impianti e controlli di illuminazione efficienti dal punto di vista energetico. Questo vale sia per gli edifici esistenti che per i nuovi edifici.

Effetti di interazione dell'illuminazione sul riscaldamento e il raffreddamento

Il tipo di impianto di illuminazione installato può avere un grande impatto sui requisiti HVAC. La riduzione dell'energia utilizzata per l'illuminazione influisce sul riscaldamento e raffreddamento necessario. Quando vengono installati impianti di illuminazione più efficienti negli edifici, i carichi di raffreddamento vengono ridotti, mentre i carichi di riscaldamento possono aumentare. In un nuovo edificio progettato con impianti di illuminazione efficienti, i carichi di raffreddamento inferiori a loro volta consentono di dimensionare l'impianto di raffreddamento dell'edificio con dimensioni inferiori (con conseguenti risparmi di acquisto ed esercizio). In un edificio esistente in cui gli impianti di illuminazione vengono aggiornati per essere maggiormente efficienti dal punto di vista energetico, i carichi di raffreddamento inferiori possono consentire agli impianti di raffreddamento esistenti di fornire futuri carichi aggiuntivi o di essere sostituiti in futuro con unità di dimensioni inferiori.

La maggior parte degli edifici è costituita da diversi impianti, fra cui l'illuminazione, l'impianto HVAC e i sistemi di controllo. Per poter progettare le prestazioni ottimali degli impianti, tutti gli impianti dell'edificio devono essere presi in considerazione nell'insieme. Nella progettazione di un nuovo edificio o di una ristrutturazione di grande portata, le interazioni fra gli impianti di illuminazione e HVAC devono essere prese in considerazione per assicurare che le apparecchiature siano dimensionate correttamente per le condizioni reali. In modo simile, per gli aggiornamenti dell'efficienza di illuminazione, ingegneri e proprietari devono essere consapevoli e tenere conto dei potenziali impatti netti dei carichi di riscaldamento e raffreddamento che deriverebbero in caso di aggiornamenti.

Figura 2: nuovi edifici commerciali: questo grafico illustra la variazione dei carichi di riscaldamento e raffreddamento causata da una riduzione di 1 kWh dei carichi di illuminazione. Fonte: Interazioni fra utilizzi energetici per l’illuminazione e il condizionamento degli spazi negli edifici commerciali degli Stati Uniti, Lawrence Berk Figura 3: edifici commerciali esistenti: questo grafico illustra la variazione dei carichi di riscaldamento e raffreddamento causata da una riduzione di 1 kWh dei carichi di illuminazione. Fonte: Interazioni fra utilizzi energetici per l’illuminazione e il condizionamento degli spazi negli edifici commerciali degli Stati Uniti, Lawrence

Le figure 2 e 3, adattate da un rapporto del Lawrence Berkeley National Laboratory del 1998, intitolato Interazioni fra utilizzi energetici per l’illuminazione e il condizionamento degli spazi negli edifici commerciali degli Stati Uniti, redatto per il DOE (PDF, 139 Kb, apre una nuova finestra) illustrano le interazioni fra utilizzi energetici per l'illuminazione e il condizionamento degli spazi degli edifici commerciali negli Stati Uniti. Vengono illustrate le variazioni dei carichi di riscaldamento e raffreddamento corrispondenti a una riduzione di una unità (kWh) dell’energia di illuminazione. Si noti come in grandi uffici, hotel ed edifici ospedalieri, l'aumento medio del carico di riscaldamento venga annullato di quattro o più volte da una riduzione del carico di raffreddamento. Per edifici commerciali più piccoli e scuole, l'aumento dell'energia del carico di riscaldamento è simile in quantità alla riduzione energetica del carico di raffreddamento.

Le figure 2 e 3 rappresentano dati medi per ciascun tipo di edificio in tutte le aree geografiche degli Stati Uniti. Le variazioni effettive dell'utilizzo energetico di un particolare edificio sono influenzate da diversi altri fattori, tra cui il clima, le condizioni di funzionamento, le caratteristiche dell'edificio e l'efficienza degli impianti HVAC. Può risultare difficile quantificare l'impatto netto; esistono tuttavia strumenti software che aiutano ad effettuare questi calcoli. Un modello energetico dell'edificio (simulazione computerizzata) può aiutare gli ingegneri a determinare l'impatto energetico complessivo dell'impianto di illuminazione, fra cui gli effetti di interazione con gli impianti HVAC, per un particolare edificio.

Uno degli input per il calcolo del carico HVAC o del modello energetico dell'edificio è rappresentato dai watt di potenza in ingresso dell'illuminazione (W) o dalla densità di potenza (W/piede quadrato). La tabella 1 rappresenta un esempio di quanto possa essere ridotta la potenza di ingresso installando sugli inefficienti impianti di illuminazione T12 esistenti diverse opzioni di impianti di illuminazione T8 efficienti. L'utilizzo di impianti T8 standard comporta risparmi energetici del 26% rispetto ai valori di riferimento, mentre gli impianti T8 ad alte prestazioni consentono risparmi fino al 42%. La sostituzione di luci T12 con lampade T8 ad alte prestazioni e ballast, nuove lenti e riflettori speculari può consentire la rimozione della metà delle lampade con conseguenti risparmi energetici del 71% pur mantenendo gli stessi livelli di illuminazione. Inoltre l'integrazione di controlli di offuscamento sensibili alla luce diurna e all'occupazione fornisce ulteriori risparmi energetici. Si noti che questa tabella non prende in considerazione gli ulteriori risparmi energetici che possono essere realizzati diminuendo i carichi di raffreddamento.

Tabella 1: le opzioni di installazione a posteriori delle lampade fluorescenti sono confrontate in base a potenza, consumo energetico, costo e ritorni. Fonte: E Source; Lighting Technology Atlas (2005)

Elementi di base del trasferimento di calore

Prima di modellare i carichi di illuminazione di un edificio è importante comprendere gli elementi di base del trasferimento di calore e le possibili fonti di guadagno di calore all'interno di un ambiente. I tre tipi di trasferimento di calore che possono verificarsi sono la conduzione, la convezione e la radiazione termica. La conduzione si verifica attraverso il contatto diretto o l'interazione di particelle aventi un differenziale di temperatura. La convezione si verifica fra superfici e fluidi in movimento quando è presente un gradiente di temperatura. La radiazione termica è il trasferimento di energia attraverso onde elettromagnetiche. L'energia di illuminazione impiega due di queste tre modalità di trasferimento di calore: la convezione e la radiazione termica, mentre la conduzione è trascurabile. Sia il trasferimento di calore convettivo che per radiazione termica rilascia calore nell'ambiente e di conseguenza il 100% degli input di energia di illuminazione diventano carichi di raffreddamento. È importante notare che il calore convettivo diventa un carico di raffreddamento immediatamente, mentre la radiazione termica viene convertita in carico di raffreddamento nel corso del tempo. Questo vale per qualsiasi tipo di luce. Tuttavia diversi tipi di fonti di illuminazione (LED, fluorescente, a incandescenza, ecc.) presentano diversi livelli di guadagno di calore risultanti dalla convezione e dalla radiazione termica.

Ad esempio, in una lampadina a incandescenza da 60 W, circa il 20% o 12 W della potenza in ingresso viene trasferito nell'ambiente per convezione, diventando un carico di raffreddamento immediatamente. Il rimanente 80% o 48 W viene trasferito nell'ambiente sotto forma di radiazione. La maggior parte di tale radiazione è una radiazione infrarossa, con una quantità di luce visibile molto ridotta. La luce visibile e la parte di energia di scarto costituita dalla radiazione termica viene assorbita dalle superfici della stanza, come il soffitto, il pavimento, le pareti, il mobilio, e così via. Il calore aumenta la temperatura della superficie e viene immagazzinato nella massa di tale elemento. Il calore viene quindi irradiato nuovamente ad altre superfici nell'ambiente e parte di esso passa per convezione all'aria nella stanza, divenendo un carico di raffreddamento. Il processo di radiazione, immagazzinamento e convezione nell'ambiente continua fino a che tutta l'energia di riscaldamento viene trasferita nell'ambiente.

Nel caso di una lampadina LED comparabile da 14 W, circa il 50%, o 7 W, della potenza è trasferito nell'ambiente sotto forma di radiazione. Poiché i LED generano una luce infrarossa (IR) o ultravioletta (UV) scarsa o nulla, tutti e 7 i W sono convertiti in luce visibile. Il rimanente 50% o 7 W viene trasferito nell'ambiente sotto forma di convezione. Il calore da convezione è energia di scarto e diviene immediatamente un carico di raffreddamento. Tutti i 14 W iniziali della potenza elettrica di ingresso saranno convertiti in un carico di raffreddamento.