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DIP TER UDA SISTENciclo seminario

EFFICIENZA ENERGETICA E FONTI RINNOVABILITECNOLOGIE E SISTEMI

Arch. G. Fasano

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Il problema energetico ambientale

L’emergenza energetica ed ambientale è un problema conclamato a livello planetario. L’uso limitato di risorse fossili, il ritardo di fonti alternative realmente competitive, il costante aumento dei gas serra nell’atmosfera, rendono necessari interventi per incrementare l’efficienza energetica, ovvero consumare meno energia.

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Il problema energetico ambientale

1. Energia ed emissioni climalteranti problema cogente a livello mondiale

2. Le nuove direttive della UE sull’efficienza energetica3. I decreti sull’efficienza energetica degli edifici della UE

e nazionali4. Parco edilizio vecchio ed a basse prestazioni energetiche5. Prevalenze del retrofit sulle nuove costruzioni6. Prevalenza di azioni sull’impiantistica piuttosto che

sull’involucro

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Classificazione dei sistemi

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FORME DI ENERGIA 1

• Energia di massa: energie delle stelle, della atomica, rettori nucleari

• Energia meccanica: l’energia che si manifesta quando spostiamo il punto di applicazione di una forza.Quando questa forza è costituita dalla gravità abbiamo l’energia gravitazionale: (p.es quando saliamo una scala)

• Energia cinetica: è la forma in cui si trasforma l’energia gravitazionale quando ruzzoliamo da una scala

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FORME DI ENERGIA 2

• Energia chimica: si manifesta quando a seguito di reazioni chimiche alcune sostanze liberano o assorbono energia. Pensiamo per es. l’energia contenuta in un serbatoio di benzina, silenziosa e “tranquilla” finchè non le si avvicina una fiamma!

• Energia elettrica: è la forma che si manifesta con un movimento continuo di cariche elettriche

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FORME DI ENERGIA3

• Queste elencate prima sono dette :

ENERGIE COERENTI

• Esistono però altre forme di energia dette:

ENERGIE INCOERENTI

• Energia Radiante: la luce

• Energia Termica: per es.quella che condiziona il nostro benessere

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Cos'è una sorgente termica?

• Una sorgente termica è un corpo capace di cedere una quantità di calore, cioè di formare un flusso di energia calorifica verso un altro corpo posto a contatto, senza subire variazioni di temperatura.

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1° e 2° PRINCIPIO TERMIDINAMICAconcetti

• Il 1° principio è una legge rivolta alle forme energetiche secondo cui, a queste, alcune trasformazioni sono vietate ed altre sono discrezionalmente permesse. E’ una legge “democratica” che non fa distinzione tra le diverse forme energetiche: è uguale per tutte.

• Il 2° è invece una legge aristocratica che distingue tra le diverse forme distinguendo duchi a cui tutto è permesso, baroni a cui è permesso meno, borghesi a cui è permesso poco e plebei a cui non è permesso nulla.

• Le forme privilegiate sono quelle coerenti , le altre si allineano su una scala di privilegio decrescente.

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1° e 2° PRINCIPIO TERMIDINAMICAconcetti

• Queste scale di privilegio si arrestano ad un pianerottolo finale al di sotto del quale non vi è più nessuna possibilità di trasformazione. Nel caso del calore questo è rappresentato dalla temperatura ambiente.

• Praticamente il 2° principio afferma che le forme energetiche devono percorrere questa scala alla massima velocità possibile e solo in discesa, non possono risalirla di un solo gradino. Chi si trova in cima alla scala ha grande possibilità di azione che viene perduta ai livelli intermedi fino ad annullarsi al famoso pianerottolo.

• Il privilegio esiste e può essere usato ma il suo uso è irreversibile. Questa denobilitazione delle forme di energia si chiama aumento di entropia

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QV

QT

QS

QT

Qi

Qt

Qh

QW

Qr

Qt

SISTEMA EDIFICIO-IMPIANTO

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PARAMETRI DI PROGETTO

PARAMETRI PER LE SCELTE DEL PROGETTISTA :• CLIMA, MICROCLIMA, FENOMENI TERMOFISICI • INSERIMENTO, ORIENTAMENTO E

DISTRIBUZIONE PLANIVOLUMETRICA DEGLI EDIFICI,

• STRATEGIE DI ILLUMINAZIONE NATURALE,• MATERIALI DA UTILIZZARE E LORO

PROPRIETA’, • STRUMENTI DI AUSILIO ALLA PROGETTAZIONE,

CODICI DI CALCOLO, MODELLI IN SCALA, BEST PRACTICE ECC.

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PROGETTO INTEGRATO un nuovo approccio

• Soluzioni progettuali possono entrare in conflitto tra loro per soddisfare diverse richieste di utenza p.es.:

– comfort termico ed illuminotecnico

– architettura interna e uso dell’energia

– costi e finiture

• Necessità di armonizzazione:

– Approccio integrato (progetto, realizzazione e gestione)

– Modelli d’uso e richieste di utenza definiscono la geometria dell’edificio ed i suoi componenti architettonici

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EDIFICIO 1

• Edificio-impianto è un sistema complesso in grado di proteggere gli occupanti dalle avversità climatiche e garantire le condizioni di comfort e sicurezza, mediante impianti meccanici, sistemi naturali e misti, adeguate allo svolgimento delle attività cui è destinato.

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EDIFICIO 2

• Per produrre questo effetto scambia energia in diverse forme:

• con l’aria che lambisce le pareti : convezione• con il terreno attraverso le fondazioni:

conduzione• con la volta celeste, il sole, il terreno gli edifici

circostanti: irraggiamento• per infiltrazione ed exfiltrazione attraverso

l’involucro esterno

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EDIFICIO3

• Per lo studio del comportamento termico del sistema edificio, inteso come involucro, è sufficiente studiare i fenomeni della trasmissione del calore e della luce. Fenomeno, il primo, tramite cui l’energia si propaga e si trasforma attraverso un corpo o tra corpi diversi quando esistono differenze di temperatura.

• Per le nostre finalità analizzeremo questo fenomeno dal punto di vista macroscopico

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La situazione europea

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Consumi per principali fonti energetiche (Mtep)

0

5

10

15

20

25

1991 1992 1993 1994 1995 1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003

CH4 totale Energia elettrica Petrolio

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70

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76

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80

82

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1990 1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003

Emissioni CO2 nel civile (Mt)

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Consumi energetici anni 2001 20003

0,00

5000,00

10000,00

15000,00

20000,00

25000,00

2001 2002 2003

kT

EP

CH4 totale

Energia elettrica

Petrolio

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LE CASE IN ITALIA• IL 70% DELLE ABITAZIONI HA PIÙ DI 30

ANNI DI ETÀ E NON HA SUBITO INTERVENTI DI RISTRUTTURAZIONE DA ALMENO 20 ANNI.

• L’UTENZA ESPRIME UNA DOMANDA CON UN NOTEVOLE PROGRESSO QUALITATIVO E QUANTITATIVO: NUMERO DI APPARECCHIATURE ELETTRICHE, PERCENTUALE DI CASE RISCALDATE, NUMERO MEDIO DI SERVIZI IGIENICI UNITÀ ABITATIVA, SISTEMI ELETTRONICI PER IL TEMPO LIBERO, ECC.  

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I NODI NEL RESIDENZIALE

Il nodo critico della gestione dell’energia in casa appare ruotare intorno al raggiungimento congiunto di tre obiettivi che possiamo sinteticamente descrivere nel modo seguente:

spendere poco

consumare giusto

stare bene.

In sintesi integrazione e qualità di sistema

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USI ELETTRICI

• USI ELETTRICI OBBLIGATI (dati indicativi): ILLUMINAZIONE (12%) CONSERVAZIONE CIBI 20%, ELETTRODOMESTICI 40%, 28% ALTRO.

• NEL 2003 GLI APPARATI SONO DIVENTATI UNDICI ED IL 20% NE HA PIÙ DI QUINDICI IN CASA CON UNA POTENZA > 13 kW 

• FORTE INCREMENTO NELL’UTILIZZO DI MICRO IMPIANTI PER IL RAFFRESCAMENTO

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La Situazione al 2005 FonteCECED

• Il risparmio di energia elettrica rispetto a 20 anni fa ha raggiunto il 35% per le nuove lavabiancherie vendute e il 40% per i frigoriferi. Considerando che sono ancora in funzione 188 milioni di elettrodomestici con più di 10 anni (un terzo del totale), con la loro sostituzione con modelli di classe A o superiori si otterrebbe un risparmio di almeno altri 8 TWh/a. Negli scenari elaborati dal Ceced al 2010 si ipotizza un’ulteriore riduzione dei consumi - dal 3% al 37% - in relazione alle politiche che verranno messe in atto.

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POTENZIALI DI RIDUZIONE DEI CONSUMI ENERGETICI AL 2010 SECONDO L’OCSE

• Gli elettrodomestici come i computer, i frigi, i frullatori, le televisioni e i videoregistratori sono quelli che più velocemente stanno aumentando i consumi dopo le automobili nei paesi OSCE, e molti di essi sprecano l'elettricità quando rimangono in stand-by. Questi sono responsabili del 30% dei consumi energetici nell'OSCE e del 12% delle emissioni di gas serra. Secondo le stime dell'IEA, la domanda di energia è destinata a crescere del 13% entro il 2010 e del 25% entro il 2025.

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POTENZIALI DI RIDUZIONE DEI CONSUMI ENERGETICI AL 2010 SECONDO L’OCSE

• Secondo l'Agenzia Internazionale dell'Energia (IEA) i paesi ricchi industrializzati potrebbero ridurre i consumi energetici del 30% entro il 2010 usando elettrodomestidi efficienti. Nei paesi OSCE (Organizzazione per lo Sviluppo e la Cooperazione Economica) questa misura taglierebbe le emissioni dei gas serra in quantità pari a quella che si risparmierebbe se si togliessero 100 milioni di auto dalle strade.

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ILLUMINAZIONE

• Oltre il 5% dei consumi elettrici italiani potrebbero essere abbattuti con interventi di efficienza energetica nel settore dell’illuminazione [Krause, 1998]. La commissione europea ha avviato nel 1998 il programma Green light che prevede attività di promozione dell’efficienza energetica nell’illuminazione nel settore domestico e terziario ottenendo risultati importanti dal punto di vista dimostrativo. In Italia con l’emanazione dei DM 20 luglio 2004 l’efficienza energetica nel settore dell’illuminazione è stata promossa in modo significativo al punto che gran parte dei titoli di efficienza energetica emessi nel 2005 provengono da interventi di sostituzione di lampade a incandescenza tradizionali con lampade CFL di classe A ad alta efficienza. Anche interventi di miglioramento dell’efficienza energetica nell’illuminazione pubblica sono stati implementati da molte amministrazioni, pur nella lentezza che caratterizza il settore pubblico italiano.

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LAMPADE

• Anche sulle lampade deve esserci l'etichetta di consumo, in modo che il consumatore possa scegliere tra quelle a basso od alto consumo di energia elettrica. Lo ha previsto la direttiva 98/11/CE. L'etichetta si presenta come quella degli elettrodomestici ma alla base dovrà riportare anche il flusso luminoso in lumen, la potenza assorbita in watt e la durata media in ore. La direttiva riguarda tutte le lampade elettriche per uso domestico alimentate direttamente dalla rete, incandescenti o fluorescenti, escluse quelle di flusso superiore a 6500 lumen, quelle di potenza inferiore a 4 watt, le lampade a riflettore e quelle a batteria. Come per tutti gli schemi UE di etichettatura, non è richiesta la certificazione da parte di enti terzi, ma il costruttore può apporre la sua dichiarazione direttamente, per mezzo delle cosiddette autocertificazioni. Le direttive UE e i decreti vigenti prevedono che se le organizzazioni dei consumatori o i concorrenti pensano che il prodotto non risponda ai dati dichiarati, il governo può intervenire ordinando delle prove di controllo

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TECNICHE E TECNOLOGIE• BIOCLIMATICA- SOLARE ATTIVO PASSIVO• FONTI RINNOVABILI-SOLARE EOLICO

BIOMASSE SISTEMI ELIOASSISTITI ECC.• TECNOLOGIE A BASSO CONSUMO DI

ENERGIE NOBILI (EXERGIA)• SOSTENIBILITÀ• NUOVE TECNOLOGIE- EDIFICIO

INTELLIGENTE, SISTEMI MISTI ECC.• INNOVAZIONI -INVOLUCRO DINAMICO,

CELLE A COMBUSTIBILE, ECC.• INNOVAZIONE TECNOLOGICA-MATERIALI

INNOVATIVI, NUOVE TECNOLOGIE ECC.

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Le Fonti Rinnovabili

• Biomasse

• Solare Fotovoltaico

• Solare Termico

• Eolico

_____________________________________

• Uso Razionale dell’Energia (metodologia assimilata alle Rinnovabili)

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Applicazioni dei sistemi solari termici

1. Produzione di acqua calda ad uso sanitario

2. Riscaldamento invernale delle

abitazioni

3. Raffrescamento estivo delle

abitazioni

4. Riscaldamento di piscine

5. Fornitura di calore di

processo a bassa e media

temperatura

6. Essiccazione prodotti agricoli (aria)

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Come si converte la radiazione solare in acqua calda?

1. radiazione solare

2. un sistema di conversione dell’energia elettromagnetica in calore COLLETTORE

3. un vettore (acqua, miscela antigelo, aria)

4. circuito di trasporto

5. sistema di accumulo del calore

6. sistema di regolazione e controllo

7. sistema di sicurezza

8. sistema di riscaldamento integrativo

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Classificazione degli impianti

In base al fluido che circola nel collettori:

• sistemi aperti, in cui il fluido che circola all’interno del collettore è la stessa acqua che, raggiunta la temperatura richiesta, arriva all’utenza;

• sistemi chiusi, in cui si evidenziano due circuiti perfettamente separati per il fluido termovettore e l’acqua da scaldare

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Classificazione degli impianti

In base al sistema di circolazione del fluido:

• sistemi a circolazione naturale in cui la corretta movimentazione del fluido all’interno del collettore si auto-regola grazie all’innescarsi di moti convettivi spontanei

• sistemi a circolazione forzata in cui si rende necessario, per la regolazione del flusso, l’inserimento di un sistema automatico (essenzialmente costituito da un circolatore ed un centralina di controllo

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Tipologie di collettori solari

• Collettori solari piani• Collettori ad accumulo

integrato• Collettori non vetrati• Collettori sottovuoto

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EDIFICIO INTELLIGENTE• Tutte le funzioni sono controllate da un sistema informatico

collegato in rete a sensori ed attuatori sull’intero edificio, che, a sua volta, fa parte del sistema. Interfacce ergonomiche per ogni utenza 

  Integrazione, molto più di una somma di automazioni. Sistema olistico.

• CIB (Computer Integrated Building), rivolto al terziario dei servizi (banche, centri direzionali, servizi tecnologici), domotica, rivolta alla gestione delle abitazioni, teleservizi in rete, diversificati, crescenti nel tempo

•   Si ritengono accettabili oggi costi del sistema domotico dell’ordine del 10% del costo dell’abitazione

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OBIETTIVI DELLA DOMOTICA

Domotica come tecnologia di riferimento per raggiungere tre obiettivi : risparmio economico, risparmio energetico, comfort elevato

La domotica é una soluzione che smorza i picchi, distribuisce le contemporaneità, avvisa delle disfunzioni, elimina gli sprechi e in una certa misura educa il consumatore, con in più qualche vantaggio aggiuntivo (safety, security, telecomandi/telecontrolli ecc.) che contribuisce il modo determinante al benessere in casa.

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LE FUNZIONI• Comunicazione tra Sistemi ed espandibillità

• Servizio di assistenza diffuso nel territorio

• Soluzioni innovative per la parte sicurezza

• Innovazione tecnica “visibile “

• Gestione degli impianti tecnologici

• Sistemi affidabili e riconfigurabili

• Possibilità di gestione e verifica dei sistemi da più punti (stazioni)

• Gestione dei sistemi di safety e security

• Tempi d’interventi immediati, reperibilità dei tecnici di sistema

• Sistemi tecnologicamente affidabili e flessibili

• Interfacce user friendly

• Possibilità di integrazione tra diversi sistemi

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ENERGIA POTENZIALMENTE RISPARMIABILE

Intelligent Buildings TechnologyIntelligent Buildings Technology

Potenzialità R.E. Stima % risparmio conseguibile Gestione impianto riscaldamento 5% Gestione impianto raffrescamento 3% Gestione impianti max efficienza 10% Gestione impianto cdz 15% Gestione impianto ACS 6-12% Daylighting 50% Gestione impianto illuminotecnico 15-28% Gestione e manutenzione parco luci 15-28% Serramenti ad alta efficienza 10-16%

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Le funzioni dei serramenti: tra comfort ed energia

• Isolamento termico• Apporti solari• Illuminazione naturale • Comfort termico• Comfort visivo• Relazione con spazio esterno

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La scelta dei serramenti

• Costo

• Aspetto estetico

• Rete commerciale

• Proprietà fisiche

Acustiche

Meccaniche

Energetiche

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Quale metodo per la classificazione energetica per serramenti?

1. Proprietà energetiche del serramento

2. Bilancio dei flussi attraverso il serramento

3. Bilancio termico dell’edificio tipo equipaggiato con diversi tipi di serramento

4. Bilancio termico del singolo edificio equipaggiato con diversi tipi di serramento

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Caso studio su larga scala: Italia

Incrociando i dati della ricerca ENEA su energia e ambiente, anno 2000, con la ricerca del Gruppo Europeo Produttori Vetro Piano dello stesso anno, se tutti i serramenti venissero sostituiti con nuovi e più efficienti finestre negli edifici residenziali, si otterrebbe:

Riduzione del fabbisogno energetico nazionale: 2.5%

Riduzione del fabbisogno energetico civile: 9%

Riduzione del fabbisogno energetico residenziale: 13%

Riduzione delle emissioni CO2 nazionale: 2.5%

Riduzione delle emissioni CO2 civile: 14.9%

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CONSIDERAZIONI

Seppure di valutazione più complessa, i vantaggi ottenibili nelle abitazioni, possono essere conseguiti anche in edifici non residenziali. Particolare giovamento potrebbe, in particolare, trarne il settore pubblico.

Agli innegabili vantaggi economici dei singoli utenti, vanno aggiunti quelli a livello sociale. Quindi benefits energetici, con riduzione dell’utilizzo delle fonti fossile e non rinnovabili, ed ambientali, con riduzione delle emissioni di gas serra, che possono aiutare il Paese a mantenere gli impegni internazionali, assunti in materia di sviluppo sostenibile.

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• Sono così definiti quei materiali in grado di modificare le proprie caratteristiche ottiche ed energetiche in funzione di uno stimolo di diversa natura. A differenza dei trasparenti isolanti, per i quali esiste una tecnologia ormai abbastanza diffusa e standardizzata, in questo settore la situazione è ancora in piena fase evolutiva. Da diversi anni esiste una notevole attività di laboratorio, che si è concretizzata commercialmente solo in piccola parte.

• Si dividono in attivazione naturale (per es fotocromici) ed attivazione elettrica (per es. elettrocromici)

I MATERIALI INNOVATIVI PER L’EDILIZIAMATERIALI TRASPARENTI CROMOGENICI

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Caratteristiche di un vetro camera con Aerogel in intercapedine

• Un vetro camera con una lastra di due centimetri di Aerogel è in grado di avere una trasmittanza termica al centro della lastra di 0.5-0.6 W/m2°K, tuttavia questi valori possono aumentare del 70% considerando la trasmittanza termica di tutto il componente, pregiudicandone le prestazioni. Affinché ciò non accada, è necessario sigillare i bordi con grande cura per garantire:

      Resistenza all’acqua       Resistenza al vapore       Assenza di ponti termici

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TIM

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Materiali a selettività angolare

PROPOSTA PER LA PROFESSIONE

Tre proposte per la crescita professionale

1.Esercitarsi in una audit dell’edificio scolastico

2.Fare una applicazione di certificazione energetica dell’edificio con le raccomandazioni per migliorarne le prestazioni

3.Fare lo stesso esercizio per la propria casa e per l’edificio in cui abitate

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STRUMENTI• A supporto di questo studio è da tener presente

l’uso di strumenti SW tipo il DOCET sviluppato da ENEA e ITC CNR e l’uso di strumenti di misura per la valutazione delle grandezze termofisiche dei componenti edilizi e la misura dei parametri impiantistici e ambientali per il comfort .

Si potrebbe anche pensare ad una sorta di “gara” scolastica a premio!

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EDIFICIO DOMOTICO EDO

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Des

criz

ione

del

l’ed

ific

io Piano seminterrato: locale tecnologico e are box.

Piano terra: appartamento con predisposizione per portatori di handicap

Piano primo: appartamento tipo

Piano copertura: locale tecnologico

IL LABORATORIO

PRESENTAZIONE EDO

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MATERIALI INVOLUCRO

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IMPIANTO CDZ

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PAVIMENTO RADIANTE