bilancio energetico di un edificio e calcolo del ... · vacanza, si utilizzano le prescrizioni...

Prof. Ing. M. Mistretta

Bilancio Energetico di un Edificio e calcolo del

Fabbisogno Energetico per la Climatizzazione

(La Norma UNI TS 11300-1-2)

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Bilancio Energetico: Definizione.

1

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CORSO Termofisica degli edifci Bilancio Energetico di Un Edificio.

Bilancio Energetico di un Edificio:

Analisi dei Flussi di energia che entrano (consumi) ed escono dall’edificio (apporti)

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Perché si consuma energia?

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CORSO Termofisica degli edifci Bilancio Energetico di Un Edificio

Noti iconsumi e gli apporti si può definire il Fabbisogno energetico

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Fabbisogno energetico totale e parziale.

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Energia Primaria

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Norma Tecnica UNI TS 11300

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Norma Tecnica UNI TS 11300 –Fasi della valutazione-

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Nell'ordine si susseguono i seguenti passi:

1. Definizione dei confini dell'insieme degli ambienti climatizzati e

non climatizzati dell'edificio.

2. Definizione dei confini delle diverse zone di calcolo.

3. Definizione delle condizioni interne di calcolo e dei dati di

ingresso relativi al clima esterno

4. Calcolo per ogni mese e per ogni zona dell'edificio dei

Fabbisogni di energia utile per Riscaldamento(QH,nd)e

Raffrescamento (QC,nd)

1. Aggregazione dei risultati relativi ai diversi mesi ed alle diverse

zone servite dagli stessi impianti.

Norma Tecnica UNI TS 11300 –Definizioni Principali-

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Suddivisione dell’edificio in Zone Termiche

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I flussi termici visti devono essere riferiti alle zone termiche

dell'edificio.

A tal fine sono necessari dati relativi alle caratteristiche del:

• volume climatizzato, • dell'orientazione dei prospetti,

• della presenza o meno di ostruzioni esterne.

È essenziale conoscere la maniera in cui l'edificio è stato o sarà costruito:

1. la stratigrafia delle pareti, dei solai e delle superfici vetrate, con le

relative trasmittanze ;

2. le capacità termiche,

3. i possibili ponti termici.

La norma fornisce delle regole di suddivisione dell'edificio, che rendono

universali i criteri di ripartizione dei volumi.

zona termica:

porzione dell'edificio, climatizzata ad una data temperatura, con

identiche modalità di regolazione in tutto il suo volume. Differenti zone termiche possono anche essere servite dallo stesso

generatore, ma se i loro impianti termici e le loro modalità di regolazione

sono indipendenti allora costituiscono una porzione isolata del sistema

edificio impianto.

CORSO CERTIFICATORE ENERGETICO PER EDIFICI Individuazione Sistema Edificio-Impianto

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CORSO CERTIFICATORE ENERGETICO PER EDIFICI Confini tra zona termiche

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CORSO CERTIFICATORE ENERGETICO PER EDIFICI Dati di ingresso

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CORSO CERTIFICATORE ENERGETICO PER EDIFICI Dati di ingresso

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CORSO CERTIFICATORE ENERGETICO PER EDIFICI Norma Tecnica UNI TS 11300 –Temperatura Interna-

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CORSO CERTIFICATORE ENERGETICO PER EDIFICI Norma Tecnica UNI TS 11300 –Temperatura Interna-

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La temperatura degli edifici confinanti, essenziale per

la determinazione dei flussi termici, viene considerata pari a 20°C nel caso di edifici comunemente abitati e

riscaldati.

Per edifici normalmente disabitati, come case

vacanza, si utilizzano le prescrizioni della UNI EN ISO

12381, mentre per ambienti totalmente privi di

riscaldamento (VANO SCALE, MAGAZZINI ETC...), si

utilizzano i valori ricavabili tramite le procedure di cui

all'appendice A della UNI EN ISO 13789.

CORSO CERTIFICATORE ENERGETICO PER EDIFICI Durata Periodo Riscaldamento

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Per quanto concerne la durata della stagione di riscaldamento,

rimane valida la suddivisione introdotta dal DPR 412/93 in base ai Gradi Giorno, ma con delle piccole varianti che rendono

necessaria la seguente tabella:

Zona Climatica Inizio Fine

A 1° dicembre 15 marzo

B 1° dicembre 31 marzo

C 15 novembre 31 marzo

D 1° novembre 15 aprile

E 15 ottobre 15 aprile

F 5 ottobre 22 aprile

CORSO CERTIFICATORE ENERGETICO PER EDIFICI Durata stagione di Raffrescamento

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Il periodo di raffrescamento comincia nel giorno in cui la

temperatura media giornaliera esterna θe,day, diventa maggiore

della temperatura di regolazione dell'impianto per il raffrescamento

θi,set,c, a meno di un termine aggiuntivo che tiene conto degli apporti termici gratuiti giornalieri Qgn,day, ovvero quando si verifica che:

Dove H è il coefficiente globale di scambio termico dell'edificio , e tday è

la durata del giorno espressa in secondi.

Norma Tecnica UNI TS 11300 –Flussi Termici-

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I flussi termici coinvolti, sono gli stessi per la stagione di

riscaldamento e per quella di raffrescamento, cambia il loro segno.

Il fabbisogno energetico della generica zona termica

dell'edificio è, in linea generale, dato dalla differenza tra gli

scambi termici globali e gli apporti termici gratuiti.

In inverno il fabbisogno dell'edificio è quello di compensare una

privazione di calore, lo scambio termico con l'esterno, un flusso

uscente bilanciato solo in parte (da qui il fattore di riduzione η) dal calore degli apporti termici gratuiti, come quelli solari o quelli

dovuti ad elettrodomestici e metabolismo umano.

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CORSO Termofisica degli edifci Bilancio Energetico di Un Edificio. Involucro Edilizio

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CORSO Termofisica degli edifci Fabbisogni utili di energia in Riscaldamento QH e Raffrescamento QC

Norma Tecnica UNI TS 11300

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In estate, al contrario, il fabbisogno di energia, intesa

come frigoria, deve compensare gli apporti termici

globali, dovuto agli apporti solari, ad

apparecchiature elettriche e al metabolismo umano,

soltanto in parte coperto dalle dispersioni di calore

attraverso l'involucro.

Scambi Termici attraverso l’involucro

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Indicando col pedice “i” sia la H di riscaldamento, che la C

di raffrescamento, possiamo in linee generali, considerare

ambedue gli scambi termici, per trasmissione e per

ventilazione, come il prodotto della differenza di

temperatura tra interno ed esterno, nel tempo di un mese,

differenti ad una prima approssimazione solo per il

coefficiente di scambio termico globale, cioè:

Scambi Termici attraverso l’involucro

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Htr,adj È il coefficiente globale di scambio termico per trasmissione, identico sia per il raffrescamento che per il riscaldamento

Hve,adj È il coefficiente globale di scambio termico per la ventilazione, identico sia per il raffrescamento che per il riscaldamento

θe È la temperatura media mensile dell'ambiente esterno, ricavabile da norme come la UNI 10349

t È la durata del mese considerato espressa in s (secondi)

Coefficiente globale di trasmissione attraverso l’involucro Htr

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Valutazione di progetto o standard – Parametri di Trasmissione

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I coefficienti di scambio termico (H) devono essere calcolati in base

alle procedure specificate nella norma UNI EN ISO 13789:2008.

Per caratterizzare una parete, un solaio o di qualsivoglia opera in

muratura appartenete all'involucro edilizio utilizziamo la sua

capacità di trasmettere calore, o meglio la sua trasmittanza, che

deve essere determinata in base alle sue proprietà termofisiche,

desumibili dai dati di accompagnamento della marcatura CE, o

ricavate tramite le disposizioni delle norme UNI 10351 o UNI EN 1745.

Inoltre i coefficienti di scambio termico e le resistenze termiche delle

intercapedini d'aria devono essere conformi alla UNI EN ISO 6946.

Valutazione di progetto o standard – Parametri di Trasmissione

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Q

Q

Q

Q

CORSO CERTIFICATORE ENERGETICO PER EDIFICI

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Appendice A - Trasmittanze precalcolate

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Appendice B – Abaco strutture murarie utilizzate in Italia

In appendice B vengono riportate le caratteristiche di svariate tipologie

edilizie, ad esempio:

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Appendice B – Abaco strutture murarie utilizzate in Italia

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Le componenti trasparenti dell'involucro possono

essere sia comuni finestre che strutture continue,

costituenti l'intera facciata. Al fine della

determinazione della trasmittanza termica della prima

tipologia di componenti si utilizza la norma UNI EN ISO

10077 -1, le seconde seguono invece quanto stabilito

nella UNI EN 13947.

In ogni caso la 11300 -1 fornisce tre prospetti dai quali è

possibile rispettivamente ricavare la trasmittanza della

componente vetrata, del telaio, e della finestra con l'area

del telaio pari al 20% dell'area totale:

Parametri di Trasmissione – Componenti trasparenti

CORSO CERTIFICATORE ENERGETICO PER EDIFICI

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Parametri di Trasmissione – Prospetto C.3 Componenti trasparenti

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Resistenze termiche addizionali

Usualmente per un periodo di utilizzazione giornaliero di 12h delle

chiusure oscuranti basterà sommare alla resistenza termica della finestra,

un’aggiuntiva ΔR ricavabile dal prospetto

Tecnica del Controllo Ambientale

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Esempio di Calcolo- Scambio termico con l’esterno


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Parametri di Trasmissione – Ponti termici

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La norma di riferimento per i ponti termici è la UNI EN ISO 14683,

attraverso la quale possiamo calcolare rigorosamente il surplus

energetico dovuto al loro coinvolgimento nella trasmissione del

calore. La norma 11300 ci viene comunque incontro fornendo un

metodo forfettario di calcolo, da utilizzare in mancanza di dati di

progetto attendibili o di informazioni importanti.

Il metodo consiste in una maggiorazione percentuale da aggiungere allo scambio termico relativo alla componente

dell'involucro edilizio, affetta dal ponte termico.

Parametri di Trasmissione – Ponti termici

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Detta M la maggiorazione espressa in termini di

percentuale, lo scambio termico risultante dal

naturale flusso della parete “i” e del suo ponte termico

sarà:

Se il ponte termico è situato in corrispondenza di un

giunto che divide due zone dello stesso edificio, il

valore della trasmittanza termica lineare deducibile

dalla UNI EN ISO 14683 deve essere suddiviso tra le due

zone.

Scambio termico con il terreno Hg

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Procedendo nell'analisi della equazione di bilancio, la

seconda componente incontrata è quella relativa allo

scambio di calore con il suolo:

La norma di riferimento per questa componente è la

UNI EN ISO 13370

Il coefficiente di scambio termico in regime

stazionario tra l'ambiente interno e l'esterno è dato da:

Htr = HD + Hg + HU + HA

Scambio termico con il Terreno

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A Area del pavimento (qualsivoglia elemento di

scambio con il terreno)

Uf È la trasmittanza della soletta, o meglio, della parte sospesa di pavimento, che divide

l'ambiente interno e il sottopavimento

btr,g È un coefficiente correttivo che tiene conto della

tipologia di elemento di scambio. Ad esempio,

vale 0,45 per normale pavimento controterra e

per le pareti verticali controterra, mentre vale 0,8 per pavimento su vespaio aerato

CORSO CERTIFICATORE ENERGETICO PER EDIFICI Scambio termico con ambienti non climatizzati

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Questa quantità è rappresentata dalla terza

componente dell'equazione vista sul bilancio

energetico delle’edificio:

Essa non è semplicemente il coefficiente di scambio

termico tra i due ambienti adiacenti Hi,u,

Htr = HD + Hg + HU + HA

Scambio termico con ambienti non climatizzati

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contiene in se l'influenza dello scambio termico tra l'ambiente non climatizzato e l'esterno Hue

Questa influenza viene affidata ad un fattore di

correzione btr,x, esprimibile come:

In funzione di questa correzione, il coefficiente di

scambio termico attraverso ambienti non climatizzati

HU, può essere espresso come:

CORSO CERTIFICATORE ENERGETICO PER EDIFICI Scambio termico con ambienti non climatizzati

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Qualora non fosse possibile determinare in maniera

attendibile il valore del coefficiente di correzione, si

possono assumere i valori del prospetto:


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Esempio di Calcolo- Scambio trasmissione Calcolo QT

Moltiplicando i coefficienti di trasmissione K [W/(m2 K)]

per le relative superfici di scambio si determinano così i

coefficienti di scambio termico per trasmissione HD HG

HU HA che sommati determinano HT [W/K].

Scambio Termico per Ventilazione –Ventilazione Naturale-

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CORSO CERTIFICATORE ENERGETICO PER EDIFICI Scambio Termico per Ventilazione – Non Residenziale

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Esempio di Calcolo- Scambio Ventilazione Calcolo QV

Determinato Hve [W/K)] possiamo ricavare lo scambio termico per

ventilazione attraverso l’involucro Qve [J] o [KWh] in funzione come

visto della differenza di temperatura e del tempo in secondi per il

mese considerato.

CORSO CERTIFICATORE ENERGETICO PER EDIFICI Gli apporti termici gratuiti

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Si tratta di quei flussi di energia, di calore, utili in

inverno ma indesiderabili in estate; attribuibili a

persone, elettrodomestici e soprattutto

all'irraggiamento solare.

Il calcolo si basa sulla determinazione dei flussi

generati nella zona termica in esame e da quelli

provenienti da zone termiche adiacenti non

climatizzati, che vengono infatti sommati a meno di un

coefficiente di riduzione.

Rendimento di utilizzazione degli apporti gratuiti

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Nella formula iniziale della metodologia di calcolo che esprimeva

semplicemente il bilancio termico dell'ambiente riscaldato :

Il rendimento di utilizzazione degli apporti gratuiti è la frazione degli

apporti termici Qgn che contribuisce al riscaldamento dell'ambiente

termico QH,nd.

Il rendimento di utilizzazione degli apporti gratuiti dipende da:

γH rapporto tra gli apporti e le trasmissioni

Cm capacità termica della zona considerata

τ costante di tempo termica della zona considerata

CORSO CERTIFICATORE ENERGETICO PER EDIFICI Gli apporti termici gratuiti

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btr,l Fattore di riduzione per il flusso proveniente da ambiente non climatizzato, per la sua fonte di calore interna o per il contributo solare

Φint,mn,k Flusso termico prodotto dalla k-esima sorgente di calore interna, mediato sul tempo

Φsol,mn,k Flusso termico di origine solare, mediato sul tempo

Φint,mn,u,l Flusso termico prodotto dalla l-esima sorgente interna all'ambiente non climatizzato u, mediato nel tempo

Φsol,mn,u,l Flusso termico l-esimo di origine solare nell'ambiente non climatizzato u, mediato nel tempo

Apporti Interni nell’ambiente climatizzato

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Apporti Interni

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Apporti Interni

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Gli apporti interni ad ambienti non climatizzati,

adiacenti la zona in esame, possono essere trascurati,

a meno di una loro comprovata rilevanza:

Una comprovata rilevanza è per esempio quella di un

edificio adiacente una serra, la quale, pur non

essendo un ambiente climatizzato, garantisce senza

ombra di dubbio un flusso termico molto ingente.

Apporti gratuiti dovuti alla radiazione solare

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Apporto dovuto all'energia solare:

Anche in questa espressione, il secondo flusso, quello

relativo agli ambienti non climatizzati, viene

considerato trascurabile a meno di comprovata

rilevanza.

La maniera standard di procedere è quella di

sommare i flussi di energia incidenti sui k elementi

opachi e trasparenti dell'involucro edilizio.

Apporti gratuiti solare. Effetti Irraggiamento su parete

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Apporti gratuiti solare Effetti Irraggiamento su superficie trasparente

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Apporti gratuiti dovuti alla radiazione solare su superfici opache

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Come prima approssimazione è lecito pensare che i

componenti opachi di colore chiaro assorbano una

frazione pari al 30% dell'energia incidente, il 90% per le

superfici scure e un 60% per le superfici di colore

intermedio.

Definendo Ksol, i coefficienti decimali che

corrispondono ai valori percentuali sopra introdotti

(Ksol,dark = 0,9), per ottenere il flusso termico attraverso

una parete opaca di estensione superficiale pari a Ap

è sufficiente fare il prodotto di questi tre fattori:

Dove I è il valore di irraggiamento medio sulla componente di

involucro.

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Esempio: parete bianca (ksol= 0,3) verticale esposta a sud in località Palermo.

Dalla tabella sulla radiazione su superficie verticale della norma UNI 10349, in

corrispondenza del mese di gennaio (valori giornalieri):

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Possiamo determinare il flusso energetico corrispondente come:

Sia per le componenti di involucro opache che per

quelle trasparenti, tenendo in considerazione

innanzitutto il fattore di riduzione per ombreggiatura della radiazione solare Fsh (shading factor) :


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Ombreggiamenti

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Ombreggiamenti

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Ombreggiamenti

68

Ombreggiamenti

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Queste tre componenti sono funzione degli angoli che

le ombre proiettate dagli aggetti esterni

dell'abitazione formano con le facciate, secondo le

figure 6 e 7 della UNI 11300-1.

Ostruzioni

esterne Fhor

Aggetti

orizzontali Fov

Aggetti

verticali Ffin


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In base agli angoli di ostruzione i fattori di riduzione possono

essere determinati tramite interpolazione lineare dei valori in prospetto, in funzione del mese dell'anno e della latitudine. Ad

esempio relativamente al mese di gennaio la norma fornisce i prospetti seguenti::


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Ombreggiamenti

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Apporti solari su componenti trasparenti

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Rimane valida l'espressione generale del flusso termico di origine

solare:

Mentre differente è la caratterizzazione della

superficie coinvolta nello scambio termico, Asol :

Questa espressione introduce Fsh,gl, fattore di

riduzione degli apporti solari, dovuto alla presenza di

schermature mobili, il fattore telaio Ff e la trasmittanza

solare ggl, con la quale si intende la capacità

dell'infisso di lasciarsi attraversare dal solo calore di

origine solare,

Apporti solari su componenti trasparenti –Trasmittanza solare

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I valori di trasmittanza solare per incidenza normale, sono usualmente

forniti dal produttore. Se comunque questi dati non sono disponibili è

possibile utilizzare il prospetto:

Apporti solari su componenti trasparenti –Fattore Telaio

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Il fattore telaio (Ff) è inteso come il rapporto tra l'area

trasparente (Agl) e l'area totale dell'unità vetrata

comprensiva di telaio (Aw). Proprio perchè Ff è il

rapporto tra l'area del telaio e quella totale della

finestra:

In assenza di dati certi sul rapporto finale telaio - vetro (valutazione

da progetto) si può utilizzare il valore convenzionale di 0,8.

Apporti solari su componenti trasparenti –Riduzione schermature

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Fattore di riduzione legato alla presenza di schermature Fsh,gl

Per la valutazione del termine Fsh,gl, fattore di riduzione

degli apporti solari, dovuto alla presenza di

schermature mobili tale fattore di riduzione dipende

dalla trasmittanza termica della finestra nella sua

totalità, quando gli oscuranti non sono attivi e quando

invece sono presenti nonché dal tempo di loro utilizzo.

Apporti solari su componenti trasparenti –Riduzione schermature

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La norma fornisce un abaco in cui viene direttamente fornito il loro

rapporto, in funzione della tipologia di oscurante :

Apporti solari all’interno di ambienti non climatizzati (Serre)

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Parametri dinamici

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