Carichi termici in regime invernale ed estivo. Prof.Arch.Gianfranco Cellai

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1 Carichi termici in regime invernale ed estivo Prof.Arch.Gianfranco Cellai

2 Generalità Mantenere condizioni ambiente interne confortevoli significa controllare i carichi termici perturbatori generati nell edificio o trasmessi attraverso le strutture. I carichi termici che si manifestano con variazioni di temperatura, positive o negative, vengono definiti sensibili; Sono definiti latenti quelli corrispondenti alla potenza termica scambiata nei processi di deumidificazione/umidificazione dell aria. L aria esterna di ventilazione/infiltrazione immessa direttamente in ambiente rappresenta per i locali un carico sensibile e latente.

3 Tipologia dei carichi termici I carichi termici sensibili sono di due tipi: in ingresso/interni all edificio per convenzione assunti positivi (regime estivo) in uscita dall edificio per convenzione assunti negativi (regime invernale) I carichi interni provocano sempre un aumento della temperatura. Al fine di mantenere le condizioni igrometriche desiderate occorre anche deumidificare/umidificare l aria di ventilazione (carico latente). Negli impianti cdz questo è fatto centralmente. In sintesi occorre fornire o sottrarre una certa quantità di energia e vapor d acqua

4 Schema funzionale

5 Il dimensionamento degli impianti La somma dei carichi termici relativi a ciascun ambiente da climatizzare sono la base per il dimensionamento degli impianti di climatizzazione. A livello di centrale ed a seconda del tipo di impianto si dimensionano: generatore di calore, gruppo frigorigeno, batterie di scambio termico, elettroventilatori, elettropompe A livello locale si dimensionano i terminali d impianto : radiatori, ventilconvettori, pannelli radianti, bocchette, anemostati.

6 Condizioni di progetto All interno degli ambienti tipicamente si assume in regime invernale: una temperatura dell aria interna θ a pari a 20 C una umidità relativa compresa tra il 40-60% In regime estivo una temperatura dell aria θ a pari a 27 C una umidità relativa compresa tra il 40-60%

7 Le condizioni di progetto esterne Le condizioni esterne di progetto sono determinate in funzione della località climatica: ad esempio la temperatura esterna θ e può essere pari a 0 C e 35 C rispettivamente in inverno ed estate. I valori di progetto in inverno sono definiti dal DPR n 1052/77, i valori estivi sono reperibili nella UNI La UNI fornisce i valori dei ricambi d aria necessari per assicurare condizioni igieniche accettabili. La norma UNI UNI riporta le condizioni climatiche, compreso i valori di irraggiamento solare, per i capoluoghi di Provincia.

8 UNI temperature di progetto estive

9 Dati climatici: UNI 10349

10 UNI 10349

11 Azioni degli impianti Il controllo delle condizioni termoigrometriche interne al fine del benessere degli individui si esercita mediante l azione degli impianti di climatizzazione con: uno scambio di calore (azione termica); la fornitura di aria esterna (azione di ventilazione) uno scambio di vapore (azione igrometrica). Gli impianti di condizionamento dell aria attuano tutte le azioni suddette. Senza il controllo dello scambio di vapore (umidificazione o deumidificazione) e dell aria di ventilazione si è in presenza di impianti di solo riscaldamento o raffrescamento.

12 Azioni in regime invernale Fornire calore in quantità pari a quello disperso per trasmissione per differenza di temperatura (eventualmente diminuito per tener conto degli apporti gratuiti interni ed esterni) Riscaldare ed umidificare l aria esterna di rinnovo. NB in genere si trascurano i guadagni interni positivi

13 Azioni in regime estivo Asportare il calore entrato dall esterno per differenze di temperatura e irraggiamento; Asportare il calore emanato dalle persone e altre fonti interne; Asportare il vapore acqueo emanato dalle persone; Raffreddare e deumidificare l aria esterna di ventilazione.

14 Convenzione dei segni inverno --- asporto calore all aria ambiente + fornisco calore all aria ambiente estate

15 Bilancio termico in un ambiente Per il principio di conservazione dell energia il bilancio termico dell aria racchiusa in un ambiente ad un dato istante è espresso dalla seguente equazione (segni in valore assoluto): Q C + Q V + Q G + Q P = 0 Q C = potenza termica scambiata per convezione con le pareti; Q V = potenza termica dovuta alle portate d aria di ventilazione ed infiltrazione; Q G = apporti interni gratuiti; Q P = potenza fornita dal terminale d impianto

16 Scambio termico in regime invernale generalmente Q G si trascura -Q C -Q V + Q G + Q P = 0 In regime stazionario la componente convettiva Q C può essere determinata ricorrendo al principio di sovrapposizione degli effetti : Q C =Qt+ Qs Qt = potenza termica scambiata per trasmissione Qs = potenza termica attribuita all irraggiamento solare Generalmente Qs si trascura.

17 L equazione del bilancio termico diviene: -Q t -Q V + Q P = 0 Q V è un carico termico per il terminale solo se l aria di ventilazione è immessa direttamente in ambiente; se l aria è trattata centralmente il carico termico corrispondente grava sulle batterie dell unità di trattamento aria e quindi si ha: Qt è dato da : -Q t + Q P = 0 Qt = Σ i =1,n [Ui Si (θ a θ e )] i + Σ i =1,p [k L (θ a θ e )] i (W) U = Trasmittanza termica del componente S = superficie del componente k = trasmittanza lineare del ponte termico L = dimensione caratteristica del ponte termico

18 Ricambi d aria Nel caso di ventilazione naturale: - per gli edifici residenziali si assume convenzionalmente un numero di ricambi d aria pari a 0,3-0,5 vol/h; - per tutti gli altri edifici si assumono i valori di ricambio d aria riportati nella norma UNI I valori degli indici di affollamento sono assunti pari al 60% di quelli riportati all appendice A di detta norma. Per gli edifici dotati di sistemi di ventilazione meccanica il ricambio d aria è fissato pari a: dove V f è la portata d aria di progetto del sistema per ventilazione meccanica, η v è il fattore di efficienza dell eventuale recuperatore di calore dell aria (pari a 0 se assente).l obbligo del recupero è stabilito per legge.

19 UNI 10339

20 Ventilazione naturale e infiltrazioni d aria si possono determinare mediante il seguente prospetto (fonte UNI 10344) m 3 /(h x m 3) = h -1

21 Il numero dei volumi d'aria ricambiati in 1 h (valore medio nelle 24 ore) si può calcolare come segue : n (24 t = 0,15 24 Dove: 0,15 è il ricambio d'aria minimo in assenza di persone; oc ) ϕ toc ia A V p ϕ t oc A p i a è la portata d'aria esterna in metri cubi per ora per persona richiesta nel periodo di occupazione dei locali; è il periodo di occupazione giornaliero dei locali, espresso in ore; è l area utile del pavimento; l indice di affollamento dei locali, espresso in numero di persone per 100 m 2 di superficie calpestabile; V a è il volume dell aria nello spazio riscaldato ed è calcolato facendo riferimento alle dimensioni interne delle strutture edilizie. I dati di portata d'aria esterna in metri cubi all ora per persona e dell'indice di affollamento dei locali si desumono dalla UNI

22 Carico termico per ventilazione Una volta sommati i contributi per ventilazione ed infiltrazione si ottiene la portata d aria q v e quindi il carico termico Q v dovuto alla ventilazione è dato dalla relazione: Q v = q v ρ c p (θ a θ e ) (W) q v = portata d aria in m 3 /s ρ a = densità dell aria (circa 1,2 kg/m 3 ) c a = calore specifico dell aria (0,29 J/kg C) Oppure : Q v = 0,34 n V (θ a θ e ) (W) n = n ricambi orari (h 1 ) V = volume dell ambiente (m 3 ) ρ a c p = 0,34 (Wh/m 3 C)

23 Carichi termici estivi Diventa fondamentale sia il carico termico dovuto alla ventilazione Q V, talora anche quello degli apporti interni Q G ma soprattutto quello dovuto all irraggiamento solare Q S : Q S = Q SE +Q SI (W) Q S = potenza termica attribuita all irraggiamento solare Q SE apporti della radiazione solare attraverso componenti opachi; Q SI apporti attraverso componenti trasparenti;

24 Apporti solari attraverso componenti opachi Per tenere conto della trasmissione di calore attraverso i componenti opachi e quindi dell effetto di accumulo e ritardo delle murature (inerzia) si introduce il concetto della differenza di temperatura equivalente DTE ( C). Si ha pertanto per le pareti i-esime: Q SE = Σ i (Ui x Si x DTE) Q SE = U S [(tem-ti) + γ (te tem)] DTE = [(tem-ti) + γ (te tem)] γ < 1 inerzia termica della costruzione

25 DTE La DTE si trova tabulata in funzione della massa superficiale della parete (kg/m²), della latitudine 40N per una temperatura esterna di 34 C, una escursione termica di 11 C, ed una temperatura interna di 26 C. Per valori diversi dai suddetti si apportano delle correzioni.

26 Apporti solari attraverso componenti trasparenti L energia solare che attraversa le finestre è funzione della natura del vetro, di eventuali schermi e dell effetto di ombre portate; quando l energia solare ha attraversato il vetro viene in parte assorbita dalle pareti ed in parte riflessa: non diviene pertanto un carico termico immediato, ma dipende dall effetto di accumulo nelle strutture e quindi dalla loro massa superficiale. Per tenere conto dell effetto di accumulo si introduce un fattore di accumulo f a tale che Q SI diviene: Q SI = Σ i (Q smax f a ) i (W) Q max = I max S f f f f s g Dove I max si determina dalla UNI 10349, S f è la sup. della finestra, F f è funzione del telaio (1 per legno, 1,17 per metallo) F s è il fattore di ombreggiatura, e g è il fattore solare del vetro fornito dal costruttore (vetro chiaro 0,76 singolo - 0,67 doppio)

27 Fattore di accumulo M

28 Contributo di apporti gratuiti Gli apporti gratuiti Q G possono ridurre anche significativamente i carichi termici dispersi; essi possono essere riferiti a: apporti da fonti interne (illuminazione, persone, elettrodomestici, ecc.) Q I ; recupero di calore, ad esempio sull aria di ventilazione espulsa all esterno Q R.

29 Carichi endogeni Qi

30 Il carico termico massimo contemporaneo I carichi termici dell irraggiamento solare, della ventilazione, e dei carichi interni sono tra loro indipendenti e possono raggiungere valori massimi in tempi tra loro differenti. Per il dimensionamento dei gruppi frigoriferi nasce allora il problema di determinare la punta massima raggiunta dalla combinazione contemporanea dei vari carichi che rappresenta la massima potenzialità frigorigena che dovrà erogare la macchina. Tuttavia è noto che il carico massimo complessivo dei vari locali si verifica in genere in coincidenza col massimo valore della radiazione solare e pertanto per ogni esposizione è determinata l ora cui riferire il calcolo dei carichi massimi istantanei, tenuto conto delle superfici finestrate e dei valori della DTE. Analogamente anche elevati affollamenti nei mesi estivi in determinate ore porta al conteggio nel mese più caldo in quanto il trattamento dell aria esterna incide notevolmente sul carico complessivo.

31 Esposizione prevalente a sud Massimo carico contemporaneo trasmissione ventilazione irraggiamento

32 Considerazioni finali La conoscenza della massima irradiazione su superfici verticali e orizzontali non è esaustiva al fine della determinazione del massimo carico istantaneo. Ad esempio per l esposizione a sud l irradiazione massima alle nostre latitudini si ha al mezzogiorno, mentre dall esame della tabella dei fattori di accumulo si rileva che questi raggiungono valori massimi nelle ore immediatamente successive (verso le ore 15.00), così come i valori della DTE per le rientrate di calore attraverso i muri e la copertura. La percentuale di superfici vetrate a sud e la massa superficiale delle pareti e della copertura possono pertanto influenzare la determinazione del massimo carico contemporaneo. Analogamente si dovrà procedere all esame delle altre esposizioni.

33 Il ruolo del progettista Per quanto precede si vede come il progetto influenzi i carichi termici e conseguentemente il dimensionamento delle macchine e dei consumi energetici nei seguenti modi: percentuale delle superfici vetrate e loro orientamento; presenza o meno di schermi alla radiazione solare; fattore di trasmissione solare del vetro; massa superficiale delle pareti opache.

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