La trasmissione del calore in regime dinamico

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1 Laboratorio Integrato di Progettazione Tecnica e Strutturale - IMPIANTI TECNICI (prof. Andrea Frattolillo) La trasmissione del calore in regime dinamico Prof. A. Frattolillo andrea.frattolillo@unica.it

2 Le prestazioni estive alla luce del DM 26 giugno 2015 La progettazione delle prestazioni estive dell involucro assume con il DM una rilevanza molto maggiore rispetto a quanto in essere nella legislazione precedente. Nei nuovi edifici (e ristrutturazioni importanti di primo livello) è infatti prescritta la verifica dell indice di Prestazione Energetica Estiva di involucro: un parametro che esprime la capacità dell involucro di controllare il carico termico in entrata in estate. Soprattutto per le coperture questo aspetto è sottolineato in modo marcato attraverso la prescrizione della «valutazione della convenienza dell uso di materiali e rivestimenti ad alta riflettanza solare atti a migliorarne le prestazioni» nei termini di mantenere una temperatura superficiale esterna della copertura più bassa riducendo così il flusso termico in entrata. Questa prescrizione è valida per tutti gli ambiti di intervento: - nuovi edifici - ristrutturazioni - riqualificazione energetica

3 Le prestazioni estive alla luce del DM 26 giugno 2015 Sui nuovi edifici e ristrutturazioni importanti di primo livello e per tutti gli interventi di riqualificazione energetica, sono inoltre definiti requisiti da rispettare sulla trasmittanza termica periodica delle strutture in località con irraggiamento > 290 W/m2. Ma cosa significa trasmittanza termica periodica? ed ancora come è correlata alle caratteristiche costruttive dell involucro?

4 Temperatura dell aria esterna UNI :2016 Riscaldamento e raffrescamento degli edifici - Dati climatici Parte 1: Medie mensili per la valutazione della prestazione termo-energetica dell'edificio e metodi per ripartire l'irradianza solare nella frazione diretta e diffusa e per calcolare l'irradianza solare su di una superficie inclinata

5 Temperatura dell aria esterna UNI :2016 Riscaldamento e raffrescamento degli edifici - Dati climatici

6 Temperatura dell aria esterna A differenza delle analisi relative al periodo invernale, lo studio delle prestazioni energetiche estive di un edificio non può essere in alcun modo condotto assumendo l ipotesi di regime stazionario. In estate diventa rilevante il ruolo della radiazione solare, che costituisce una forzante fortemente variabile nell arco della giornata E necessario, inoltre, tener conto dell inerzia termica dell involucro opaco, che è in grado di assorbire la radiazione solare e trasmetterla agli ambienti interni attenuata e sfasata nel tempo.

7 Le prestazioni estive alla luce del DM 26 giugno 2015

8 Temperatura "virtuale" dell aria esterna: tsol air Nel valutare il comportamento energetico di un involucro edilizio in regime estivo bisogna tener conto del profilo orario assunto da due specifiche forzanti: - la temperatura dell aria esterna - la radiazione solare incidente. L effetto combinato delle due forzanti viene descritto tramite un unico parametro sintetico, chiamato Tsol-air : that temperature of outdoor air which, in the absence of all radiation exchanges, would give the same rate of heat entry into the surface as would exist with the actual combination of incident solar radiation, radiant energy exchange with the sky and other outdoor surroundings, and convective heat exchange with the outdoor air tae S I hae = temperatura media oraria dell aria esterna [ C] = coefficiente di assorbimento solare della finitura esterna [---] = irradianza solare agente sulla superficie considerata orizz./incl./vert. [W/m 2] = coefficiente di adduzione esterno [W/m2K]

9 Temperatura "virtuale" dell aria esterna: tsol air

10 Temperatura "virtuale" dell aria esterna: tsol air Il valore assunto dalla temperatura aria-sole è funzione anche delle proprietà ottiche della finitura superficiale esterna della parete S A parità di condizioni climatiche (temperatura, radiazione solare incidente), una parete dal colore scuro (elevato coefficiente di assorbimento), tratterrà una frazione considerevole dell energia solare su di essa incidente, determinando un flusso termico verso l ambiente interno superiore rispetto ad una parete intonacata di colore chiaro Andamento della Tsol-air in condizioni di progetto estive (Catania) Linea tratteggiata: parete con intonaco chiaro ( s = 0,2) Linea continua: parete con intonaco grigio ( s = 0,75)

11 Temperatura "virtuale" dell aria esterna: tsol air Si noti, inoltre, che la parete soggetta alle condizioni climatiche più gravose è quella orientata ad ovest, in quanto su di essa il picco della radiazione solare incidente si verifica nelle stesse ore in cui è massima anche la temperatura dell aria esterna

12 Modello di regime stazionario Nell ipotesi di regime stazionario si assume che le forzanti e la risposta del sistema si mantengano costanti nel tempo. Secondo questo approccio, la grandezza caratteristica atta a descrivere il comportamento di una parete opaca è la trasmittanza U, definita come la potenza termica che attraversa la parete per unità di superficie e per unità di gradiente termico fra i due ambienti da essa separati.

13 Modello di regime stazionario Il valore della trasmittanza dipende unicamente dallo spessore e dalla conducibilità termica dei materiali che costituiscono la parete, e non dall ordine in cui essi si presentano.

14 Modello di regime DINAMICO Tale approccio è però molto approssimato, in quanto non tiene conto della capacità dei materiali di accumulare e rilasciare il calore con un certo ritardo e con una certa attenuazione. Il suo utilizzo è accettato nei calcoli finalizzati alla definizione del carico termico di picco in regime invernale. Nell analisi in regime estivo, è invece opportuno studiare il comportamento dell involucro opaco in regime DINAMICO. A tal fine, occorre considerare che su una parete che si affaccia verso l esterno agiscono due forzanti distinte e fortemente variabili nel tempo: - sulla faccia esterna la Tsol-air, che tiene conto dell effetto combinato della temperatura esterna dell aria e della radiazione solare incidente sulla superficie esterna del paramento - sulla faccia interna i flussi endogeni, generati all interno del locale (persone, luci, macchinari), o associati ai guadagni solari attraverso gli elementi finestrati

15 Modello di regime DINAMICO Ai fini dell analisi energetica dell edificio, la risposta della parete all azione delle forzanti menzionate è rappresentata dal flusso termico che essa cederà all aria all interno del locale. Gli effetti inerziali si traducono nell attenuazione e nello sfasamento del trasferimento di calore rispetto alla forzante che lo ha generato. Assumendo che quest ultima abbia andamento sinusoidale con periodo pari a 24 h, e che quindi possa essere descritta dalla somma di un valor medio e di una oscillazione di ampiezza nota e valor medio nullo, si possono definire i seguenti parametri caratteristici: - trasmittanza termica periodica (YIE): è il rapporto tra l ampiezza della parte oscillante del flusso termico trasmesso attraverso il componente opaco e l ampiezza della forzante termica esterna, assumendo costante la temperatura interna

16 Modello di regime DINAMICO - fattore di attenuazione (fa): è il rapporto tra la trasmittanza termica periodica e la trasmittanza termica stazionaria; esso è sempre inferiore all unità, e rappresenta il rapporto fra le ampiezze di due flussi termici, rispettivamente riferiti al caso reale e al caso in cui la parete sia sprovvista di capacità inerziale - sfasamento (Φ): è lo sfasamento temporale, misurato in ore, tra il picco della forzante esterna e il picco del flusso termico da essa indotto, che si manifesta sempre in ritardo rispetto al primo. Lo sfasamento dunque è la differenza di tempo che intercorre tra l ora in cui si ha la massima temperatura all esterno e l ora in cui si ha la massima temperatura all interno Non deve essere inferiore alle 8/12 ore. Lo smorzamento esprime il rapporto tra la variazione massima della temperatura esterna delta Te e quella della temperatura interna delta Ti in riferimento alla temperatura media della superficie interna.

17 Modello di regime DINAMICO Gli effetti inerziali garantiscono, inoltre, il rilascio in ambiente solo di una frazione del flusso ricevuto dalla parete, e con un certo ritardo temporale. Un altro parametro caratteristico è, dunque, la: - capacità termica areica interna periodica (Cint): essa può essere definita come la quantità di calore per unità di superficie che la parete, in regime dinamico, è in grado di accumulare in seguito ad una fluttuazione unitaria di temperatura interna agente sulla sua faccia esposta, misurata in kj/m2k Infine, le prestazioni dinamiche dei paramenti opachi sono senza dubbio influenzate dalla massa superficiale Ms degli stessi (espressa in kg/m2), valutata escludendo gli intonaci, come richiesto dal Decreto Legislativo 19 agosto 2005, n. 192.

18 Modello di regime DINAMICO Tipologia parete A: parete a cassetta vuota con elementi di laterizio a foratura orizzontale (interno 8 cm, esterno 12 cm) ed intercapedine d aria da 6 cm, con intonaco civile per interni ed esterni da 2 cm Tipologia parete B: parete monostrato in mattoni pieni di spessore complessivo 42 cm UNI EN ISO G. Evola, L. Marletta Prestazioni energetiche di pareti in laterizio in clima mediterraneo (CT)

19 Modello di regime DINAMICO Forzante su parete OVEST Parete B ( =0,6) Parete B ( =0,3) Parete A ( =0,3) G. Evola, L. Marletta Prestazioni energetiche di pareti in laterizio in clima mediterraneo (CT)

20 Modello di regime DINAMICO La scelta della soluzione costruttiva più idonea è comunque legata allo specifico profilo d uso del locale: nel caso in esame, ad esempio, il flusso trasmesso dalla parete in mattoni pieni si mantiene più elevato nelle ore della mattina potenziali disagi in edifici pubblici quali scuole ed uffici indubbi vantaggi nell edilizia residenziale L elevato coefficiente di assorbimento solare sulla faccia esterna della parete è in grado di provocare un aumento del flusso termico di circa il 50% rispetto alla soluzione con finitura superficiale chiara, a parità di stratigrafia della parete!

21 Le correlazioni con le condizioni di Comfort interne Oltre che in chiave energetica, gli aspetti dinamici connessi alle soluzioni di involucro in laterizio possono essere anche interpretati alla luce del comfort ambientale garantito agli occupanti. I risultati della simulazione evidenziano, nelle ore serali, una temperatura superficiale di quasi un grado superiore per la parete a cassetta rispetto alla parete in mattoni pieni e ciò comporta, a parità di temperatura a bulbo secco dell aria (per ipotesi fissata a 26 C), uno spiccato discomfort di natura radiativa.

22 Modello di regime DINAMICO ATTENZIONE: la massa superficiale NON è l unico fattore determinante ai fini delle qualità dinamiche di un paramento opaco Due pareti costituite dagli stessi materiali, ma disposti in ordine diverso, possono avere capacità termica e fattore di attenuazione ben distinti, pur essendo caratterizzate da uguale massa superficiale e trasmittanza stazionaria. 5 cm la posizione esterna dello strato isolante (A) penalizza fortemente la capacità termica della struttura 5 cm 30 cm 15 cm 15 cm 30 cm 5 cm la posizione intermedia (B) garantisce, invece, la massima capacità termica ma valori eccessivi del fattore di attenuazione U [W/m2K] Ms [kg/m2] fa [--] [h] Cint [kj/m2k] A 0, ,19 11,1 21,8 B 0, ,24 11,7 45,8 C 0, ,15 11,5 42,7 Parete

23 Modello di regime DINAMICO Questa incoerenza è stata in qualche modo emendata nel DPR 59 del 2 aprile 2009 (art. 4, comma 18): Il progettista a) valuta puntualmente e documenta l'efficacia dei sistemi schermanti delle superfici vetrate, esterni o interni, tali da ridurre l'apporto di calore per irraggiamento solare; b) esegue, in tutte le zone climatiche ad esclusione della F, per le località nelle quali il valore medio mensile dell'irradianza sul piano orizzontale, nel mese di massima insolazione estiva, Im, sia maggiore o uguale a 290 W/m2: 1) relativamente a tutte le pareti verticali opache con l'eccezione di quelle comprese nel quadrante nord-ovest / nord /nord-est, almeno una delle seguenti verifiche: 1.1 che il valore della massa superficiale Ms, [ ] sia superiore a 230 kg/m²; 1.2 che il valore del modulo della trasmittanza termica periodica (YIE), [ ] sia inferiore a 0,12 W/m²K; 2) relativamente a tutte le pareti opache orizzontali ed inclinate che il valore del modulo della trasmittanza termica periodica YIE [ ] sia inferiore a 0,20 W/m2K

24 Modello di regime DINAMICO Il progettista c) utilizza al meglio le condizioni ambientali esterne e le caratteristiche distributive degli spazi per favorire la ventilazione naturale dell'edificio; nel caso che il ricorso a tale ventilazione non sia efficace, può prevedere l'impiego di sistemi di ventilazione meccanica [ ]. Gli effetti positivi che si ottengono con il rispetto dei valori di massa superficiale o trasmittanza termica periodica delle pareti opache previsti alla lettera b), possono essere raggiunti, in alternativa, con l'utilizzo di tecniche e materiali, anche innovativi, ovvero coperture a verde, che permettano di contenere le oscillazioni della temperatura degli ambienti in funzione dell'andamento dell'irraggiamento solare.

25 D.M. 26 giugno 2009 Linee guida nazionali per la certificazione energetica degli edifici Valutazione qualitativa delle caratteristiche dell involucro edilizio volte a contenere il fabbisogno per la climatizzazione estiva. Riferimenti nazionali.

28 Temperatura dell aria esterna Definire la Tsol-air (01 Martha e 03 Kherad) Esempi di calcolo della Tsol-air Mammi o altri Andamento sinusoidale del caricoq