ESERCITAZIONE sui CARICHI TERMICI INVERNALI

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1 ESERCITAZIONE sui CARICHI TERMICI INVERNALI Livio De Santoli, Francesco Mancini, Marco Cecconi Università La Sapienza di Roma

2 Richiami sui bilanci termici BILANCIO TERMICO SENSIBILE MONOZONA Qsol Irraggiamento solare [W] Fonti energetiche Qint Apporti interni [W] Impianti Q Potenza introdotta [W] Qnd Potenza termica utile [W] Ql Potenza persa [W] Qtr Scambi per trasmissione dell involucro [W] Qve Scambi per infiltrazioni e ventilazione [W] 2

3 Richiami sui bilanci termici SUDDIVISIONE DEI POSSIBILI BILANCI TERMICI BILANCI TERMICI BILANCI DI POTENZA (CARICHI TERMICI) - Unità di misura: [W] - Potenza termica necessaria in un particolare istante per mantenere le condizioni di comfort. - Servono a dimensionare gli impianti termici. BILANCI DI ENERGIA (FABBISOGNI ENERGETICI) - Unità di misura: [Wh] [J] - Energia necessaria in un certo arco di tempo per mantenere le condizioni di comfort. - Servono a calcolare i consumi energetici, i costi di fornitura energetica e l'impatto ambientale. CARICO TERMICO INVERNALE (di picco) - Massima potenza necessaria d'inverno. - Calcolo di tipo statico. CARICO TERMICO ESTIVO (di picco) - Massima potenza necessaria d'estate. - Calcolo di tipo dinamico (eventualmente mediante fattori di accumulo). FABBISOGNO ENERGETICO ANNUALE Energia necessaria in un anno per mantenere le condizioni di comfort. SU BASE STAGIONALE - Composizione di 2 bilanci termici per le due stagioni invernale ed estiva. - Calcolo di tipo statico. SU BASE MENSILE - Composizione di 12 bilanci termici. - Calcolo di tipo statico. SU BASE ORARIA - Composizione di 8760 bilanci termici. - Calcolo di tipo dinamico. 3

4 Richiami sui bilanci termici CARICO TERMICO SENSIBILE UTILE ISTANTANEO Q Q Q Q Q H, nd H, tr H, ve H,int H, sol [W ] 'H' sta per heating (riscaldamento). 'nd' sta per needed (necessaria, utile ved. slide successiva) CARICO TERMICO SENSIBILE UTILE DI PICCO INVERNALE Q H, nd Q Q Q Q H, tr H, ve H,int H, sol Le temperature sono considerate costanti, perciò non c'è dipendenza dal tempo. Apporti interni e solari vengono trascurati (ci si mette nelle condizioni peggiori possibili). Q Q H, tr H, ve

5 Richiami sui bilanci termici CONSIDERAZIONI IMPORTANTI Il pedice "nd", in inglese needed, può essere interpretato in italiano come "necessaria" o meglio "utile" (o anche "netta") si riferisce al fatto che si tratta di potenze termiche effettivamente necessarie in ambiente per mantenere le condizioni di comfort, al netto delle perdite dovute ai sistemi impiantistici. I carichi termici ed i fabbisogni energetici effettivi, comprensivi degli impianti, verranno trattati più avanti nel corso di impianti. Fonti energetiche Impianti Q Potenza introdotta [W] Qnd Potenza termica utile [W] Ql Potenza persa [W]

6 6 TESTO DELL'ESERCIZIO Calcolare il carico termico sensibile di picco invernale per l'appartamento descritto nelle prossime slides, considerando le seguenti ipotesi: Condizioni stazionarie (parametri di calcolo tutti costanti: temperature, irraggiamento, apporti interni, ecc); Temperatura dell aria interna uniforme in ogni zona; Nessun carico latente (no flussi di vapore, umidificazione e deumidificazione); Materiali isotropi ed omogenei; Ulteriori ipotesi indicate durante il calcolo. 6

7 A' A Esercizio 1 7 Planimetria dell'abitazione: 1,00 N 12,82 O E 2,49 0,80 0,92 S 6,09 4,03 1,25 soggiorno 2,18 1,09 3,95 1,25 cucina 1,35 1,47 0,70 wc1 camera1 camera2 4,44 4,13 5,94 4,06 camera3 1,70 3,91 1,72 1,18 wc2 2,47 3,90 5,05 3,04 7

8 Sezione A-A': 8 SEZIONE A-A' sottotetto esterno 3,30 3,00 2,70 soggiorno wc1 camera1 esterno garage 8

9 SVOLGIMENTO Procedimento da seguire: 1. Analisi dell immobile: delimitazione delle zone termiche calcolo delle grandezze geometriche determinazione delle grandezze ambientali determinazione dei parametri di gestione 2. Calcolo dei parametri termo-fisici delle strutture: trasmittanza termica trasmittanza solare e fattori di ombreggiamento 3. Calcolo degli scambi termici sensibili: trasmissione ventilazione apporti interni apporti solari 4. Calcolo del bilancio termico sensibile e determinazione del carico termico utile netto. 9 9

10 1. Analisi dell immobile: Delimitazione delle zone termiche: Esistono 8 zone termiche confinanti tra loro e con gli ambienti esterni. Ogni zona è delimitata mediante le superfici che definiscono l'involucro. Non si considerano disperdenti le superfici a contatto con altri ambienti riscaldati (queste pareti vengono trascurate nei calcoli poiché ΔT=0). Confine col piano inferiore: garage (assimilabile a Appartamenti vicini non riscaldati: al piano più basso nella Tab. 6.2); Confine col piano superiore: sottotetto non riscaldato (assimilabile a Sottotetti plafonati nella Tab. 6.2); 10 10

11 1. Analisi dell immobile: Calcolo delle grandezze geometriche: Dimensioni degli ambienti: S netta [m 2 ] V netto [m 3 ] Soggiorno Cucina Corridoio 6 18 Camera Camera Camera WC WC TOTALE

12 1. Analisi dell immobile: Calcolo delle grandezze geometriche: Superfici disperdenti del soggiorno (da fare per ogni ambiente): L1 L2 S intera S effettiva SOGGIORNO [m 2 ] [m 2 ] Parete NORD Finestra grande NORD 1,40 Finestra piccola NORD 1,40 Parete verticale EST Parete verticale OVEST Finestra OVEST 1,40 Parete SUD Portoncino d'ingresso 2,14 Finestra SUD 1,40 Pareti divisorie interne Pavimento Soffitto 12 La superficie effettiva è quella intera a cui sono sottratti gli infissi. 12

13 1. Analisi dell immobile: Calcolo delle grandezze geometriche: Superfici disperdenti del soggiorno (da fare per ogni ambiente): SOGGIORNO L1 L2 S intera S effettiva [m 2 ] [m 2 ] Parete NORD 12,82 3,00 38,45 33,84 Finestra grande NORD 2,49 1,40 3,50 3,50 Finestra piccola NORD 0,80 1,40 1,12 1,12 Parete verticale EST 0,92 3,00 2,76 2,76 Parete verticale OVEST 4,03 3,00 12,09 10,34 Finestra OVEST 1,25 1,40 1,75 1,75 Parete SUD 4,06 3,00 12,18 8,05 Portoncino d'ingresso 1,47 2,14 3,15 3,15 Finestra SUD 0,70 1,40 0,98 0,98 Pareti divisorie interne Pavimento 54,00 54,00 Soffitto 54,00 54,00 13 La superficie effettiva è quella intera a cui sono sottratti gli infissi. 13

14 SVOLGIMENTO Procedimento da seguire: 1. Analisi dell immobile: Determinazione delle grandezze ambientali: Ubicazione: Roma; Temperatura esterna (Te) di progetto per Roma: 0 C (da DPR 1047/77 e UNI 5364); Determinazione dei parametri di gestione: Temperatura interna (Ti): 20 C (da DPR 74/2013 e DPR 412/93 s.m.i.); Ricambio d'aria = ventilazione naturale 0,3 volumi/ora; Occupazione = 4 persone; Apparecchiature = per un totale di 500W

15 2. Calcolo dei parametri termo-fisici delle strutture: Determinazione della trasmittanza termica: Calcolo della trasmittanza per ogni tipologia di parete mediante i metodi noti (per brevità si riportano qui solo i risultati): TRASMITTANZE TERMICHE U [W/m 2 K] Pareti esterne 0,35 Infissi 2,00 Portoncino d'ingresso 2,00 Pareti divisorie interne 0,35 Pavimento 0,35 Soffitto 2,00 15 Determinazione della trasmittanza solare e fattori di ombreggiamento: Per il calcolo invernale non è necessario poiché si trascura completamente l'irraggiamento. 15

16 3. Calcolo degli scambi termici sensibili: Trasmissione: Q H, tr Il salto termico ΔT vale: 1. pareti che confinano con l ambiente esterno: T = T i - T e 2. pareti che confinano con locali non riscaldati: T = T i - T nr oppure T = b tr ( T i - T e ). Il valori T nr e b tr sono riportati nelle tabelle 6.2 e pareti che confinano con il terreno non ci sono, ved. slides di teoria. 4. pareti che confinano con ambienti a temperatura prefissata: T = T i - T f 5. pareti che confinano con ambienti interni, ugualmente riscaldati, per cui T=0. j U j A j T j k F pt U j Aj Tj k L k T 1 I ponti termici, invece che calcolarli j singolarmente, vengono tenuti in considerazione aumentando l'intero scambio per trasmissione di un fattore percentuale Fpt, riportato nella Tabella 6.3. k 16 16

17 3. Calcolo degli scambi termici sensibili: Trasmissione: Scambi per trasmissione del soggiorno (da fare per ogni ambiente): SCAMBI PER TRASMISSIONE SOGGIORNO U [W/m 2 C] S [m 2 ] Calcolo Parete NORD 0,35 33,84 T i -T e Finestra grande NORD 2,00 3,50 T i -T e Finestra piccola NORD 2,00 1,12 T i -T e Parete verticale EST 0,35 2,76 T i -T e Parete verticale OVEST 0,35 10,34 T i -T e Finestra OVEST 2,00 1,75 T i -T e Parete divisoria interna 2,00 16,98 T i -T i Parete divisoria interna 2,00 10,86 T i -T i Parete SUD 0,35 8,05 T i -T e Portoncino d'ingresso 1,80 3,15 T i -T e Finestra SUD 2,00 0,98 T i -T e Pavimento 0,40 54,00 T i -T nr Soffitto 0,30 54,00 T i -T nr TOTALE SENZA P.T. Incremento per ponti termici (1 + Fpt) TOTALE T i [ C] T j [ C] T j [ C] Per i ponti termici si usa la Tabella 6.3 considerando la struttura come Parete con 17 isolamento dall esterno (a cappotto) senza aggetti/balconi e ponti termici corretti. Q H,tr,j [W] 17

18 18 Tabella 6.1. Fattore b tr di riduzione del ΔT esterno dovuto allo spazio non riscaldato. 18

19 Tabella 6.2. Temperatura approssimativa dei locali non riscaldati (T nr ) per una temperatura interna di 20 C e una temperatura esterna di -5 C. Tipo di locale T nr Correzioni da portare se [ C] T i 20 C T e -5 C Cantine con serramenti aperti -2 (T i -20) 0,1 (T e +5) 0,9 Cantine con serramenti chiusi 5 (T i -20) 0,4 (T e +5) 0,6 Sottotetti non plafonati con tegole non sigillate T e - - Sottotetti non plafonati con tegole ben sigillate -2 (T i -20) 0,1 (T e +5) 0,9 Sottotetti plafonati 0 (T i -20) 0,2 (T e +5) 0,8 Locali con 3 pareti esterne provviste di finestre 0 (T i -20) 0,2 (T e +5) 0,8 Locali con 2 pareti esterne entrambe con finestre 5 (T i -20) 0,4 (T e +5) 0,6 Locali con 3 pareti esterne di cui 1 con finestre 5 (T i -20) 0,4 (T e +5) 0,6 Locale con 3 pareti esterne senza finestre 7 (T i -20) 0,5 (T e +5) 0,5 Locale con 2 pareti esterne senza finestre 10 (T i -20) 0,6 (T e +5) 0,4 Locale con 1 parete esterna provvista di finestra 10 (T i -20) 0,6 (T e +5) 0,4 Locale con 1 parete esterna senza finestre 12 (T i -20) 0,7 (T e +5) 0,3 Appartamenti vicini non riscaldati piano più alto 2 (T i -20) 0,3 (T e +5) 0,7 Appartamenti vicini non riscaldati: ai piani intermedi 7 (T i -20) 0,5 (T e +5) 0,5 Appartamenti vicini non riscaldati: al piano più basso 5 (T i -20) 0,4 (T e +5) 0,6 Gabbie scala con parete esterna e finestre a ogni piano; porta d ingresso al piano terra chiusa: - al piano terra - ai piani sovrastanti Gabbie scala con parete esterna e finestre a ogni piano; porta d ingresso al piano terra aperta: - al piano terra - ai piani sovrastanti (T i -20) 0,3 (T i -20) 0,5 (T i -20) 0,1 (T -20) 0,3 (T e +5) 0,7 (T e +5) 0,5 19 (T e +5) 0,9 (T +5) 0,7 19

20 20 Tabella 6.3. Maggiorazione percentuale del carico termico per trasmissione dovuto alla presenza di ponti termici, per diverse tipologie costruttive. Maggiorazione Descrizione della struttura per ponti termici (Fpt) Parete con isolamento dall esterno (a cappotto) senza aggetti/balconi e ponti termici corretti 5 % Parete con isolamento dall esterno (a cappotto) con aggetti/balconi 15 % Parete omogenea in mattoni pieni o in pietra (senza isolante) 5 % Parete a cassa vuota con mattoni forati (senza isolante) 10 % Parete a cassa vuota con isolamento nell intercapedine (ponte termico corretto) 10 % Parete a cassa vuota con isolamento nell intercapedine (ponte termico non corretto) 20 % Pannello prefabbricato in calcestruzzo con pannello isolante all interno 30 % 20

21 3. Calcolo degli scambi termici sensibili: Trasmissione: Scambi per trasmissione del soggiorno (da fare per ogni ambiente): 21 SCAMBI PER TRASMISSIONE SOGGIORNO U [W/m 2 C] S [m 2 ] Calcolo T i [ C] T j [ C] T j [ C] Q H,tr,j [W] Parete NORD 0,35 33,84 T i -T e Finestra grande NORD 2,00 3,50 T i -T e Finestra piccola NORD 2,00 1,12 T i -T e Parete verticale EST 0,35 2,76 T i -T e Parete verticale OVEST 0,35 10,34 T i -T e Finestra OVEST 2,00 1,75 T i -T e Parete divisoria interna 2,00 16,98 T i -T i Parete divisoria interna 2,00 10,86 T i -T i Parete SUD 0,35 8,05 T i -T e Portoncino d'ingresso 1,80 3,15 T i -T e Finestra SUD 2,00 0,98 T i -T e Pavimento 0,40 54,00 T i -T nr Soffitto 0,30 54,00 T i -T nr TOTALE SENZA P.T Incremento per ponti termici (1 + Fpt) 1,05 TOTALE

22 3. Calcolo degli scambi termici sensibili: Ventilazione: Scambi per ventilazione: Q m c T T H, ve inf p i e ρ = densità dell'aria = 1,2 kg/m 3 c p = calore specifico aria = 1,006 kj/kg 22 m inf nv 3600 SCAMBI PER VENTILAZIONE V m inf Q H,ve [m 3 ] [kg/h] [W] Soggiorno 162 Cucina 66 Corridoio 18 Camera1 63 Camera2 54 Camera3 69 WC1 18 WC2 30 TOTALE

23 3. Calcolo degli scambi termici sensibili: Ventilazione: Scambi per ventilazione: Q m c T T H, ve inf p i e ρ = densità dell'aria = 1,2 kg/m 3 c p = calore specifico aria = 1,006 kj/kg 23 m inf nv 3600 SCAMBI PER VENTILAZIONE V m inf Q H,ve [m 3 ] [kg/h] [W] Soggiorno 162 0, Cucina 66 0, Corridoio 18 0, Camera1 63 0, Camera2 54 0, Camera3 69 0, WC1 18 0, WC2 30 0, TOTALE 480 0,

24 3. Calcolo degli scambi termici sensibili: Apporti solari e apporti interni: Per il calcolo invernale non è necessario poiché si trascurano completamente tutti gli apporti gratuiti. 24 Q H, sol 0 Q H, int 0 Sono zero solo se si fa il calcolo del picco invernale, in altri casi vanno considerati! 24

25 4. Calcolo del bilancio termico sensibile e determinazione del carico termico invernale (utile netto): Q H, nd QH, tr QH, ve 25 CARICO TERMICO INVERNALE Soggiorno Cucina Corridoio Camera1 Camera2 Camera3 WC1 WC2 TOTALE Q H,tr Q H,ve Q H,nd [W] [W] [W] 25

26 4. Calcolo del bilancio termico sensibile e determinazione del carico termico invernale (utile netto): Q H, nd QH, tr QH, ve 26 CARICO TERMICO Q H,tr Q H,ve Q H,nd INVERNALE [W] [W] [W] Soggiorno Cucina Corridoio Camera Camera Camera WC WC TOTALE

27 Considerazioni: Le numerose semplificazioni considerate nel calcolo come influenzano i risultati? Figura 1. Valori del carico termico del soggiorno nelle diverse condizioni di calcolo. Q [W] 1814 W (carico termico invernale di progetto) W (carico termico con temperatura media del mese di gennaio) W (febbraio) 1006 W (dicembre) 780 W (marzo) W (novembre) 480 W (aprile) T [ C] Tutte le semplificazioni sono a favore della sicurezza, conducendo ad un risultato sicuramente più elevato rispetto alla realtà. Questo margine di sicurezza garantisce che gli impianti siano sempre sufficienti anche nelle condizioni più 27 gravose. 20