Termoigrometria: Verifica dei fenomeni di condensazione superficiale ed interstiziale.

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1 Termoigrometria: Verifica dei fenomeni di condensazione superficiale ed interstiziale. Prof. Paola Ricciardi Dipartimento di Ingegneria Idraulica e Ambientale - Università di Pavia Prof. Paola Ricciardi - Le basi del bilancio energetico del sistema edificio-impianto termico 1

2 PSICROMETRIA ARIA + VAPOR D ACQUA = ARIA UMIDA aria secca (O 2 23% e N 2 76% in massa) componente unico composizione costante durante le trasformazioni vapor d'acqua ( 1% in massa) acqua in fase liquida e in fase vapore Umidità assoluta o grado igrometrico x = m v / m a [kgv /kga] Prof. Paola Ricciardi - Le basi del bilancio energetico del sistema edificio-impianto termico 2

3 GRANDEZZE IGROMETRICHE Pressione di saturazione corrisponde alla massima quantità di vapore che può essere contenuta nella miscela gassosa Umidità relativa eccesso di vapore liquido Massa del vapore d'acqua alla temperatura t Massa del vapor saturo alla stessa temperatura i = P / P v s i nell'intervallo (0 1) (0% 100%) P nell'intervallo (0 P v s ) Prof. Paola Ricciardi - Le basi del bilancio energetico del sistema edificio-impianto termico 3

4 DIAGRAMMA DI MOLLIER Prof. Paola Ricciardi - Le basi del bilancio energetico del sistema edificio-impianto termico 4

5 DIAGRAMMA DI MOLLIER t i = 20 C i i =70% t e = - 8 C Temperatura di rugiada: t r =14 C Temperatura limite superficiale Prof. Paola Ricciardi - Le basi del bilancio energetico del sistema edificio-impianto termico 5

6 Prof. Paola Ricciardi - Le basi del bilancio energetico del sistema edificio-impianto termico 6

7 Alcuni problemi comuni Prof. Paola Ricciardi - Le basi del bilancio energetico del sistema edificio-impianto termico 7

8 Prof. Paola Ricciardi - Le basi del bilancio energetico del sistema edificio-impianto termico 8

9 Prof. Paola Ricciardi - Le basi del bilancio energetico del sistema edificio-impianto termico 9 A

10 Distribuzione dell'acqua in funzione del tipo di problema Prof. Paola Ricciardi - Le basi del bilancio energetico del sistema edificio-impianto termico 10

11 Problemi igrometrici degli edifici Effetti: degrado di intonaci; imputridimento delle strutture lignee; formazione di muffe sulla superficie interna; migrazione di sali, formazione di efflorescenze; presenza di acqua condensata sulla superficie ed all'interno delle pareti; riduzione del grado di isolamento termico dell'involucro aumento della conduttività termica; variazione dimensionale e danneggiamento di manufatti (fessurazioni e deformazioni). Prof. Paola Ricciardi - Le basi del bilancio energetico del sistema edificio-impianto termico 11

12 Problemi igrometrici degli edifici FENOMENI IGROMETRICI DI SUPERFICIE raggiungimento di elevati valori di umidità relativa o condensazione del vapore sul lato interno dell'involucro edilizio (fenomeni di superficie); CONDENSAZIONE INTERSTIZIALE all'interno delle strutture perimetrali Prof. Paola Ricciardi - Le basi del bilancio energetico del sistema edificio-impianto termico 12

13 Problemi igrometrici degli edifici fenomeni con uno sviluppo in più lento nel tempo, rispetto a quelli termici partecipazione delle strutture trasmissione del calore costanti di tempo dell ordine di ore-giorni trasmissione del vapore tempi più lunghi, dell ordine di settimane, mesi con effetti anche nel ciclo stagionale e annuale Prof. Paola Ricciardi - Le basi del bilancio energetico del sistema edificio-impianto termico 13

14 Problemi igrometrici degli edifici Criteri di progettazione per prevenire fenomeni di degrado FENOMENI IGROMETRICI DI SUPERFICIE CONDENSAZIONE INTERSTIZIALE per evitare danneggiamenti: intervenire sulle condizioni climatiche interne modificare il disegno delle parti di edificio interessate Prof. Paola Ricciardi - Le basi del bilancio energetico del sistema edificio-impianto termico 14

15 Problemi igrometrici degli edifici Criteri di progettazione per prevenire fenomeni di degrado il trasporto di vapore è determinato da differenze di temperatura differenze di pressione del vapore Non si prendono in considerazione: risalita capillare accumuli di condensa all'interno di componenti edilizi tenuta all'acqua meteorica, etc. Prof. Paola Ricciardi - Le basi del bilancio energetico del sistema edificio-impianto termico 15

16 Numero abitanti Produzione di vapore in un ambiente Produzione media oraria di vapore G [kg/h] P v = [G / (n V)] R v T Prof. Paola Ricciardi - Le basi del bilancio energetico del sistema edificio-impianto termico 16

17 Produzione di vapore in un ambiente P v = [G / (n V)] R v T UNI EN ISO molto alta alta [Pa] media P v = 400 Pa bassa 200 molto bassa (P vi - P ve temperatura media mensile dell'aria esterna [ C] ve ) in funzione della temperatura esterna e della produzione di vapore (classi) Prof. Paola Ricciardi - Le basi del bilancio energetico del sistema edificio-impianto termico 17

18 Classi di concentrazione del vapore in un ambiente Classe Molto bassa Bassa Media Alta Molto alta Uso dell edificio Magazzini Uffici Alloggi con basso indice di affollamento Alloggi con alto indice di affollamento Edifici speciali (es. lavanderie, distillerie, piscine) Prof. Paola Ricciardi - Le basi del bilancio energetico del sistema edificio-impianto termico 18

19 BILANCIO IGROMETRICO DI UN AMBIENTE P v = [G / (n V)] R v T (P vi - P ve ) direttamente proporzionale a produzione di vapore per unità di volume G/V inversamente proporzionale al rinnovo di aria n. inverno: se n molto ridotto (serramenti a tenuta) per ambienti piccoli + molte persone P vi elevate estate: frequente apertura di finestre, elevato rinnovo d'aria maggiore P vi P vi P ve Prof. Paola Ricciardi - Le basi del bilancio energetico del sistema edificio-impianto termico 19

20 P v = [G / (n V)] R v T (P vi - P ve ) Pressione del vapore inversamente proporzionale a n, rinnovo di aria direttamente proporzionale a G/V, produzione di vapore per unità di volume (P vi - P ve ) elevata maggiore portata di vapore maggiore probabilità di condensazione Prof. Paola Ricciardi - Le basi del bilancio energetico del sistema edificio-impianto termico 20

21 Fenomeni di superficie U.R. = P v /P /P s U.R. dipende dalla temperatura e quindi da: valore di riscaldamento intermittente, riferimento limite: attenuazione notturna, U.R. = 80 % cambiamenti climatici, su superfici effetti connessi con l'inerzia termica interne delle pareti (normativa) Specie UR min necessaria per la crescita Alternaria alternata 85 % Aspergillus versicolor 75 % Penicillium chrysogenum 79 % Stachybotrys atra 94 % Mucor plumbeus 93 % Prof. Paola Ricciardi - Le basi del bilancio energetico del sistema edificio-impianto termico 21

22 Fenomeni di superficie Fattore di temperatura f Rsi = t t pi i t t e e P' v = R v T (G / V) / n P v = 1.10 'P v t t P s = e P = P v vi P = P s vi / P ve P ve = f (mese) t pi = f -1 (P s ) max f Rsi Il più alto valore di f Rsi, valutato nella stagione invernale (Ottobre-Aprile), è il fattore di temperatura minimo ammissibile Prof. Paola Ricciardi - Le basi del bilancio energetico del sistema edificio-impianto termico 22

23 Fenomeni di superficie - Trasmittanza U Valore di progetto per strutture perimetrali flusso termico (parete perimetrale): ϕ = U A (t i - t e ) in funzione di t pi ϕ = h i A (t i - t pi ) f Rsi = t t pi i t t e e quindi: U = h (1 - f i Rsi ) max f Rsi > f Rsi 1 f < 1- max Rsi f Rsi max U = h i (1 - f Rsi ) < h i (1 - f Rsi ) Prof. Paola Ricciardi - Le basi del bilancio energetico del sistema edificio-impianto termico 23

24 Fenomeni di superficie - Trasmittanza K Valore di progetto per strutture perimetrali flusso termico (parete perimetrale): ϕ' ' = K (t i - t e ) in funzione di t pi ϕ' = h (t i i - t pi ) K = h (t i i - t pi ) / (t i - t e ) (t i - t pi ) / (t i - t ) = (1 - f e Rsi quindi: K = h (1 - f i Rsi ) Rsi ) max f Rsi > f Rsi 1 f < 1- max Rsi f Rsi max K = h i (1 - f Rsi ) < h i (1 - f Rsi ) Prof. Paola Ricciardi - Le basi del bilancio energetico del sistema edificio-impianto termico 24

25 Fenomeni di superficie - Trasmittanza K Valore di progetto per strutture perimetrali parete piana senza schermi: h 2 i = 4 W / (m K) max U = h i (1 - f Rsi ) < h i (1 - f Rsi ) Prof. Paola Ricciardi - Le basi del bilancio energetico del sistema edificio-impianto termico 25

26 Fenomeni di superficie - Trasmittanza K Valore di progetto per strutture perimetrali max U = h i (1 - f Rsi ) < h i (1 - ) tabella 2.1 valori limite della trasmittanza termica U delle strutture opache verticali in W/m2K f Rsi zona climatica gen2006 gen2008 gen2010 A B C D E F Prof. Paola Ricciardi - Le basi del bilancio energetico del sistema edificio-impianto termico 26

27 Fenomeni di superficie U max Trasmittanza massima in riferimento ai valori massimi ammissibili dell umidità relativa sulle superfici delle pareti Prof. Paola Ricciardi - Le basi del bilancio energetico del sistema edificio-impianto termico 27

28 Fenomeni di superficie U max Trasmittanza massima in riferimento ai valori massimi ammissibili dell umidità relativa sulle superfici delle pareti Prof. Paola Ricciardi - Le basi del bilancio energetico del sistema edificio-impianto termico 28

29 Fenomeni di superficie Parametri di controllo P vi = P ve + R v T (G / V) / n due tipi di controllo: ALTO n: ventilazione degli ambienti interni sufficiente, prelevando aria dall esterno per diluire la concentrazione di vapore (riduzione di P vi ) BASSA U: idoneo isolamento termico delle pareti per assicurare temperature superficiali interne (t pi ) superiori al valore limite Prof. Paola Ricciardi - Le basi del bilancio energetico del sistema edificio-impianto termico 29

30 Fenomeni di condensazione interstiziale nei mesi invernali (valori medi mensili) P vi > P ve e t > t i e LEGGE DI FICK: in assenza di condensazione g' = costante v g' = (P v vi - P ve ) / z' vt [kg/m 2 s] resistenza alla trasmissione del vapore z' vt = (1 / β i + Σ L / δ + 1 / β e ) [Pa / kg m 2 s] 1 / β e 1 / β i e = resistenze di trasporto di massa convettivo (trascurabili) L / δ = resistenza strato di materiale δ = permeabilità al vapore [kg/m s Pa] z' vt = Σ i L i / δ i Prof. Paola Ricciardi - Le basi del bilancio energetico del sistema edificio-impianto termico 30

31 Fenomeni di condensazione interstiziale Trasmissione del vapore P vi vi > P ve g' = (P v vi - P ve ) / z' vt [kg/m 2 s] Trasmissione del calore t > t i e ϕ' ' = (t i - t ) / R' e t [W/m 2 ] Prof. Paola Ricciardi - Le basi del bilancio energetico del sistema edificio-impianto termico 31

32 Fenomeni di condensazione interstiziale Metodo di Glaser confronto grafico dell'andamento di P s e di P v Ipotesi: il trasporto di umidità si verifica in fase vapore in un materiale non igroscopico; non si considera l'effetto provocato dai gradienti termici esistenti nella struttura; non si considera il trasporto associato a moti convettivi di aria umida; condizioni di regime stazionario; l'acqua condensata non si muove verso le zone limitrofe più secche. Prof. Paola Ricciardi - Le basi del bilancio energetico del sistema edificio-impianto termico 32

33 Fenomeni di condensazione interstiziale Procedura: Calcolo della distribuzione di temperatura nella struttura Ps Resistenza alla diffusione del vapore z'v Calcolo della distribuzione di pressione di saturazione nella struttura Calcolo della pressione di vapore interna Pv Linea di congiungimento valore interno- esterno Resistenza alla diffusione del vapore z'v Prof. Paola Ricciardi - Le basi del bilancio energetico del sistema edificio-impianto termico 33

34 Fenomeni di condensazione interstiziale Prof. Paola Ricciardi - Le basi del bilancio energetico del sistema edificio-impianto termico 34

35 Fenomeni di condensazione interstiziale Quantità di vapore che condensa Bilancio delle portate di vapore Portata entrante (g' vi ) = = portata uscente (g' ve ) + quantità di condensa g' vi - g' ve = g' c g' c = portata di vapore condensata per unità di area Condensazione: g' vi - g' ve > 0 Evaporazione della condensa: g' vi - g' ve < 0 Prof. Paola Ricciardi - Le basi del bilancio energetico del sistema edificio-impianto termico 35

36 Fenomeni di condensazione interstiziale Calcolo della condensa Bilancio delle portate di vapore Portata entrante g' vi = (P vi - P v *) / z' v * P v * Portata di vapore che esce dalla parete g' ve = (P v * - P ve ) / (z' v - z' *) v Portata di vapore condensata per unità di area g' = g' c vi - g' g' ve z' v * Prof. Paola Ricciardi - Le basi del bilancio energetico del sistema edificio-impianto termico 36

37 Fenomeni di condensazione interstiziale Condizioni per verifica positiva Calcolo sulla base di condizioni climatiche medie mensili Valutazione delle condizioni nel ciclo annuale Quantità di vapore che condensa (in inverno) UGUALE o inferiore a quella che evapora (in estate) INFERIORE al limite massimo ammissibile per il materiale Prof. Paola Ricciardi - Le basi del bilancio energetico del sistema edificio-impianto termico 37

38 Ps Fenomeni di condensazione interstiziale Evaporazione Stagioni intermedie Pv Ps Pv Ps ti =te Resistenza alla diffusione del vapore z'v Pv Estate Pv Ps Resistenza alla diffusione del vapore z'v Prof. Paola Ricciardi - Le basi del bilancio energetico del sistema edificio-impianto termico 38

39 Fenomeni di condensazione interstiziale Criteri di intervento su strutture non idonee Modifica dell andamento della pressione di saturazione disposizione degli strati esterno interno maggiore resistenza termica R' maggiore resistenza alla diffusione del vapore z' v inserimento sul lato interno di un materiale ad alta resistenza alla diffusione (barriera al vapore) Prof. Paola Ricciardi - Le basi del bilancio energetico del sistema edificio-impianto termico 39

40 Fenomeni di condensazione interstiziale Criteri di intervento su strutture non idonee Inserimento di strati isolanti per mantenere la struttura a temperatura maggiore Pareti verticali - Cappotto Prof. Paola Ricciardi - Le basi del bilancio energetico del sistema edificio-impianto termico 40

41 Fenomeni di condensazione interstiziale Criteri di intervento su strutture non idonee Inserimento di strati isolanti per mantenere la struttura a temperatura maggiore Pareti verticali - Cappotto Prof. Paola Ricciardi - Le basi del bilancio energetico del sistema edificio-impianto termico 41

42 Fenomeni di condensazione interstiziale Criteri di intervento su strutture non idonee Pareti verticali Isolante in intercapedine Prof. Paola Ricciardi - Le basi del bilancio energetico del sistema edificio-impianto termico 42

43 Fenomeni di condensazione interstiziale Criteri di intervento su strutture non idonee Inserimento di strati isolanti per mantenere la struttura a temperatura maggiore Coperture Prof. Paola Ricciardi - Le basi del bilancio energetico del sistema edificio-impianto termico 43

44 Fenomeni di condensazione interstiziale Criteri di intervento su strutture non idonee Modifica dell andamento della pressione di saturazione con inserimento di uno strato a bassissima permeabilità al vapore Psi materiale 1 Pv Ps Pvi materiale 2 strato barriera Resistenza alla diffusione del vapore z'v Prof. Paola Ricciardi - Le basi del bilancio energetico del sistema edificio-impianto termico 44

45 Fenomeni di condensazione interstiziale Criteri di intervento su strutture non idonee Smaltimento della condensa ventilazione naturale con aria esterna della zona (intercapedine) interessata alla condensazione Modifica delle condizioni ambientali interne Diminuzione della pressione del vapore nell ambiente con un maggiore controllo delle condizioni termoigrometriche, per esempio mediante ventilazione controllata Prof. Paola Ricciardi - Le basi del bilancio energetico del sistema edificio-impianto termico 45