Misura dell energia scambiata dalle unità

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1 Prof. Ing. Renzo Marchesi Politecnico di Milano Dipartimento di Energia Polo Territoriale di Piacenza Misura dell energia scambiata dalle unità terminali di riscaldamento. INRiM, Torino 14 Luglio 2014

2 I corpi scaldanti I Corpi scaldanti consentono di trasferire parte dell energia termica del fluido termovettore con cui sono alimentati, all ambiente circostante. Nella configurazione più semplice: ingresso fluido caldo in alto e uscita in basso, possono essere classificati come scambiatori i controcorrente. Le nuove forme e modalità di connessione spesso realizzano condizioni di flusso equicorrente, di flusso incrociato e situazioni miste.

3 Lo scambio di energia dei corpi scaldanti L energia Q [ J o kcal] è scambiata in ogni istante di tempo, per questo i corpi scaldanti sono caratterizzati in termini di flusso di energia o potenza termica Φ [ W o kcal/h ]. I fenomeni fisici che consentono il flusso di energia dal fluido termovettore all ambiente esterno sono nell ordine convezione, conduzione, convezione e irraggiamento. Questi due fenomeni additivamente governano lo scambio di energia termica tra superficie esterna del c.s. e l ambiente.

4 Lo scambio di energia dei corpi scaldanti Φ = 1/ R T ( T i T e ) W R T = (R i +R p + R e ) K/W R i : fluido termovettore- Convezione R p << R i << R e R e = 1/he A R i = 1/hi A R e : aria esterna Convezione Rr= 1/ hr : irraggiamento R p :parete - Conduzione

5 Potenza dei corpi scaldanti La potenza scambiata tra superficie esterna del corpo scaldante F [ W ] risulta proporzionale alla somma (he + hr ), che si può dimostrare dipende da DT n. In cui DT rappresenta la differenza tra la temperatura del fluido termovettore e la temperatura dell aria ambiente. La temperatura del fluido è assunta come media tra la temperatura del fluido all ingresso e il fluido all uscita del corpo scaldante. L esponente n assume valori generalmente compresi tra 1,2 e 1,4 che dipendono dal rapporto tra potenza scambiata per irraggiamento e per convezione. La complessità dei fenomeni di scambio termico nei corpi scaldanti (scambio di energia termica a flusso e temperatura variabile) è tale che non consente una determinazione generalizzata, mediante algoritmi fisico-matematici.

6 Misura della potenza termica dei corpi scaldanti : la storia I primi lavori pubblicati da Rietschel [1], Nusselt [3], Schmidt [4,5] sulla determinazione della potenza termica dei corpi scaldanti (c.s.) risalgono ad inizio secolo, tuttavia solo a partire dal 1955 sono state condotte indagini sistematiche al fine di pervenire ad un metodo di misura. A tale data risale la costruzione della prima camera termostaticat ti realizzata a Le Blanc Mesnil (Francia) da una società multinazionale del settore. In quel periodo anche diversi istituti universitari europei (Berlino, Liegi, Parigi, Stoccarda, Milano, Padova, Torino) iniziarono a studiare l argomento e a realizzare installazioni sperimentali. Fondamentali sono risultati gli studi del Prof. Gilbert Burnay a Liegi.

7 Misura della potenza termica dei corpi scaldanti : la storia I primi risultati furono però molto discordi. La principale causa delle differenze, risiedeva nel fatto che le installazioni di prova allora realizzate, tentavano di simulare una delle innumerevoli condizioni di installazione reale, ma ciascuna in modo diverso dall altra ed inoltre la strumentazione utilizzata non sempre aveva un accuratezza adeguata alla misura.

8 Misura della potenza termica dei corpi scaldanti : la storia Nel 1976 al Politecnico di Milano, per la prima volta a livello europeo, le misure vengono svolte in modo automatico interfacciando un sistema di acquisizione dati ad un Pc da tavolo.

9 Misura della potenza termica dei corpi scaldanti : la storia Sulla base dei risultati Eurorad, nel 1988 il CEN, Comitato Europeo di Normazione, istituì il Comitato Tecnico TC-130, con il compito di definire una normativa di prova più stringente rispetto alla ISO. All Italia fu assegnata la presidenza di tale comitato e nell ambito del gruppo di lavoro europeo W.G.4 l incarico di progettare l installazione di prova. Per evitare che ancora una volta si giungesse alla conclusione che la misura della potenza termica dei corpi scaldanti fosse affetta da indeterminazioni non meglio quantificabili, da parte del coordinatore del W.G. 4 è stato introdotto il concetto di sistema di riferimento.

10 Misura della potenza termica dei corpi scaldanti : la storia La soluzione approvata a livello di TC-130 intorno al 1995, ha consentito di superare a livello europeo le divergenze sulle diverse metodologie di prova e di accettare metodologie differenti, purché da prove di verifica effettuate in conformità alla norma EN442 si ottengano sui campioni di trasferimento, risultati entro limiti di tolleranza del ± 1%. Per motivi di tipo nazionalistico non è stato possibile prevedere l allocazione di una sola installazione di riferimento presso un solo Paese della Comunità Europea.

11 Misura della potenza termica dei corpi scaldanti : la storia Test n diff. % rispetto Potenza al valore schema nominale ( W ) Km n r medio colleg. Data ,1 8, , , ,15% A 10/04/ ,7 8, , , ,00% A 11/04/ ,3 8, , , ,31% A 12/04/ ,7 8, , , ,18% A 15/04/ ,7 8, , , ,06% A 16/04/ ,1 8, , , ,09% A 16/04/ ,4 8, , , ,01% A 18/04/ ,1 8, , , ,09% A 19/04/ ,1 8, , , ,09% A 29/04/ ,2 8, , , ,02% A 14/05/96 Massima Valore medio (W) : Dev. St. Diff.% 1702,2 2,2 0,49%

12 Misura della potenza termica dei corpi scaldanti : la storia All atto della definizione della Norma di prova EN non esisteva una metodologia di taratura affidabile del sistema di misura, è stata così assunta la decisone di realizzare cinque sistemi di misura identici da punto di vista costruttivo (Camere Termostatiche realizzate dallo stesso Costruttore), dislocati in cinque diversi centri europei, strumentati t ti con sonde e sensori di misura di temperaturat identici, i e tarate in un unico centro accreditato.

13 LA MISURA DELLA POTENZA TERMICA : OGGI MRT: Laboratorio di Riferimento Europeo per la misura della potenza dei corpi scaldanti presso Dipartimento di Energia del Politecnico di Milano

14 LA MISURA DELLA POTENZA: OGGI

15 Primary Master Radiator 1: Calcolo dell incertezza di tipo A assumendo come valore di potenza la media dei valori.

16 Potenza misurata in laboratorio e potenza in esercizio La potenza di un c.s. è influenzata dal posizionamento rispetto al muro di appoggio, dalle modalità di connessione all impianto termico, dalla portata del fluido all interno del c.s..

17 Potenza misurata in laboratorio e potenza in esercizio La potenza di un c.s. è misurata con connessione con del fluido caldo in entrata in alto e del fluido freddo in basso, dallo stesso lato. Nel caso venga richiesto dal committente una diversa modalità di connessione, deve essere dichiarata nel rapporto di prova del Laboratorio.

18 Potenza misurata in laboratorio e potenza in esercizio: i influenza della portata Portata kg/h DT K Potenza misurata W , , , Portata kg/h DT K Potenza misurata W , , ,4 1388

19 Potenza misurata in laboratorio e potenza in esercizio: i influenza del salto termico Potenza a portata costante, al variare del DT

20 Potenza misurata in laboratorio e potenza in esercizio I risultati sperimentali relativi all influenza della portata per la modalità di connessione standard, evidenziano che solo a portate inferiori alla metà della portata nominale si ha una riduzione di potenza rispetto alla potenza nominale. Si può affermare che un corpo scaldante tradizionale scambia la potenza nominale fino a che la portata non scende al di sotto della metà di quella nominale.

21 Potenza misurata in laboratorio e potenza in esercizio: l algoritmo riportato nella norma Per alcune tipologie di corpi scaldanti la potenza varia, al variare della portata, del DT e delle dimensioni caratteristiche. Algoritmo proposto (1994) e validato dal Laboratorio MRT del Politecnico di Milano F = K m DT (c0 +c1h) H b (q m ) c

22 Potenza misurata in laboratorio e potenza in esercizio: l algoritmo riportato nella norma 1600,0 Potenza Termica scambiata in funzione della Portata e del ΔT DT 20 DT 30 DT 40 DT 50 DT 60 Potenza Termica ( W ) 1400,0 1200,0 1000,0 800,0 600,00 400,0 200,0 0, Portata ponderale (kg/h)

23 Potenza misurata in laboratorio e potenza in esercizio: l algoritmo riportato nella norma Di seguito sono riportate misure termografiche che evidenziano i l influenza delle diverse modalità di connessione all impianto e della portata sulla potenza termica scambiata.

24 Temperatura superficiale di corpi scaldanti

25 I corpi scaldanti in diverse condizioni di connessione all impianto

26 I corpi scaldanti in diverse condizioni di connessione all impianto

27 I corpi scaldanti in diverse condizioni di connessione all impianto I corpi scaldanti in diverse condizioni i i di connessione all impianto i

28 I corpi scaldanti I corpi in diverse scaldanti condizioni in diverse di condizioni connessione di connessione all impianto all impianto

29 I corpi scaldanti in diverse condizioni di I corpi scaldanti in diverse condizioni di connessione all impianto

30 I corpi scaldanti in diverse condizioni i i di connessione all impianto i

31 Energia termica scambiata dalle unità terminali La misura dell energia termica scambiata tra le unità terminali di riscaldamento e gli ambienti in cui sono collocate può essere effettuata integrando rispetto al tempo la potenza termica misurata all ingresso del modulo abitativo considerato oppure misurando indirettamente, l energia ceduta nel corso della stagione di riscaldamento, da ciascuna unità terminale.

32 Energia termica scambiata dalle unità terminali Questo approccio condizionato da soluzioni impiantistiche ormai superate, ma con larga diffusione nel costruito fino a pochi anni fa, richiede la conoscenza della potenza nominale di ciascuna apparecchiatura e la legge di emissione in funzione della differenza di temperatura. Si tratta di caratteristiche non determinabili direttamente e ottenute da correlazioni tra grandezze misurabili determinate in condizioni di riferimento.

33 Conclusioni Come brevemente evidenziato per determinare l energia istantanea scambiata (potenza) è necessario conoscere la temperatura media superficiale del corpo scaldante, la temperatura dell aria, la legge di emissione e l intervallo di tempo in cui si ha scambio di energia. In laboratorio la temperatura media superficiale è ottenuta come media tra la temperatura del fluido termovettore all ingresso e all uscita del corpo scaldante. La temperatura dell aria è misurata al centro della cella di prova alla quota di 0,75 m. Nell applicazione pratica per determinare in modo accettabile l energia scambiata da un corpo scaldante, occorre misurare temperature che si avvicinino a quelle di laboratorio. La legge di emissione è Φ =K m DT n è ottenuta a portata costante e in una ben definita condizione di allacciamento. Solo per alcune tipologie di corpi scaldanti nella condizione di allacciamento utilizzata durante la prova in laboratorio, è disponibile la relazione: F =K m DT (c0 +c1h) H b (q m ) c Si evince che occorre molta cura per utilizzare in modo corretto, dispositivi di contabilizzazione dell energia energia scambiata dal singolo corpo scaldante.