CONTROLLO AMBIENTALE IN SITUAZIONE INVERNALE

Transcript

1 CONTROLLO AMBIENTALE IN SITUAZIONE INVERNALE L isolamento termico in periodo invernale permette di limitare la dispersione del calore verso l esterno e di mantenere le condizioni microclimatiche a livelli accettabili zioni della temperatura esterna sulla temperatura dell'aria all'interno del locale di allevamento. Durante il periodo invernale il compito principale è quello di limitare la dispersione di calore attraverso le pareti, il soffitto e il pavimento del ricovero e rendere possibile, perciò, l'utilizzazione del calore prodotto dagli animali per assicurare un certo livello di temperatura interna. La quantità di calore dispersa dipende: dalla differenza di temperatura (Dt) fra interno ed esterno; dalla superficie degli elementi di chiusura; dalle caratteristiche termiche degli elementi di chiusura e, in particolare, dalla loro trasmittanza unitaria U (box 1). Un altro compito dell'isolamento termico è quello di controllare la condensazione superficiale del vapore acqueo. Con U partidi Paolo Rossi e Alessandro Gastaldo* *Crpa- Reggio Emilia g FOTO 1 Controsoffitto in lastre di polistirene espanso. Lo scopo principale del controllo ambientale nei ricoveri zootecnici è quello di mantenere le condizioni microclimatiche e ambientali interne (temperatura, umidità, velocità dell aria, concentrazione di gas) a livelli accettabili per gli animali allevati, nonostante le variazioni meteorologiche esterne. Per ottenere questo risultato sono disponibili alcune tecniche che si possono mettere in atto in fase di costruzione/ristrutturazione dei fabbricati o durante la fase d'allevamento. Nel presente lavoro si tratta in particolare dell'isolamento termico (coibentazione), che riveste un ruolo determinante nel limitare la dispersione di calore attraverso gli elementi di chiusura dell'edificio. La coibentazione degli edifici zootecnici è uno degli interventi fondamentali del controllo ambientale. In situazione invernale e per ricoveri che ospitano soggetti che temono le basse temperature (sale parto, locali per svezzamento o per accrescimento), l'isolamento termico è in grado di limitare la dispersione di calore verso l'esterno in modo da ridurre le richieste di calore artificiale per il mantenimento delle temperature di benessere. Il livello della coibentazione da adottare, che non può essere quello massimo possibile, richiede l'analisi di una serie di fattori, fra i quali i parametri microclimatici dell'ambiente d'allevamento, le condizioni climatiche esterne, il bilancio termico dell'edificio, il costo di costruzione e i costi energetici per il riscaldamento. L isolamento termico Il ruolo svolto dalla coibentazione dell'edificio è quello di ridurre l'effetto delle varia- 38 Suinicoltura n. 5 maggio 2010

2 Tab. 1 - Caratteristiche dimensionali della porcilaia per accrescimento Superficie interna, al netto dei muri perimetrali (m 2 ) Valori 372,9 Tab. 2 - climatici, produzione di calore e portata di ventilazione in situazione invernale Valori Temperatura interna = Temperatura critica inferiore ( C) 17 Umidità relativa interna massima per periodi limitati (%) 80 Volume interno (m 3 ) 1.286,60 Superficie disperdente (m 2 ), di cui: 658,3 - pareti (%) 32,8 - tetto (%) 58,9 - finestre e porte (%) 8,3 Perimetro disperdente (m) 93,5 Temperatura esterna ( C) -4 Umidità relativa esterna (%) 90 Massima concentrazione di CO 2 ammessa in ambiente per periodi limitati (ppm) Produzione totale di calore sensibile (W) Produzione totale di calore latente (g/h di vapore acqueo) Ventilazione minima invernale (m 3 /h) BOX 1 - CONDUTTIVITÀ, CONDUTTANZA E TRASMITTANZA La conduttività(l,inw/m C)èilflussodicaloreche,nellecondizioni di regime stazionario, passa attraverso una parete di materiale omogeneodellospessoredi1m,per1m 2 disuperficieeperunadifferenza ditemperatura1 Ctraleduefacceopposteeparalleledellaparete. La conduttanza unitaria(c,inw/m 2 C)èilflussodicaloreche,nelle condizioni di regime stazionario, passa attraverso 1 m 2 di superficie, perunadifferenzaditemperaturadi1 C,traduefacceoppostediuno strato considerato, sia esso omogeneo o eterogeneo, solido, liquido o aeriforme. La trasmittanza unitaria(u,inw/m 2 C)èilflussodicaloreche,nelle condizioni di regime stazionario, passa da un fluido a un altro, attraverso una parete, per 1 m 2 di superficie e per una differenza di temperatura1 Cfraiduefluidi. colarmente basso, infatti, la temperatura della faccia interna delle pareti non si discosta molto dalla temperatura dell'aria ambiente, per cui sono ostacolati i fenomeni di condensa, causa di deterioramento del ricovero e delle attrezzature e minaccia per lo stato sanitario degli animali. La coibentazione dell'edificio dovrebbe essere definita in fase di progettazione di una nuova costruzione, ma è anche possibile intervenire su fabbricati esistenti con particolari interventi di ristrutturazione. Il mercato edile mette oggi a disposizione una vastissima gamma di materiali isolanti, con prestazioni, campi d'impiego e costi anche molto diversi. Fra i materiali più comuni si ricordano quelli ottenuti da lavorazioni industriali di taluni prodotti minerali o sintetici (vermiculite, argilla espansa), utilizzati soprattutto per la fabbricazione dei blocchi termoisolanti di calcestruzzo, le fibre minerali (lana di vetro, lana di roccia), il vetro cellulare espanso e le materie plastiche alveolari, quali il polistirolo espanso in lastre, il poliuretano espanso in lastre o a spruzzo e il polistirene espanso in lastre (foto 1). La ventilazione La ventilazione delle porcilaie in periodo invernale ha le seguenti fondamentali funzioni: apportare l'ossigeno necessario agli animali e all'uomo; allontanare i gas nocivi (anidride carbonica, ammoniaca, acido solfidrico, etc.) prodotti nel corso dei processi metabolici e originatisi dalla fermentazione delle deiezioni; eliminare il vapore acqueo prodotto dai suini o da altre fonti; eliminare le polveri e il microbismo atmosferico. Per poter mantenere all'interno del ricovero un livello di umidità relativa non superiore ai massimi consigliati, si deve smaltire verso l'esterno il vapore acqueo in eccesso; in caso contrario questo si accumulerebbe sino a saturare l'atmosfera interna. Quindi, la ventilazione invernale dovrà essere commisurata al vapore acqueo prodotto dagli animali, oltre a quello che proviene per evaporazione dalle deiezioni, dall'acqua di abbeverata e da altre possibili fonti(box 2). Poiché le perdite termiche dovute alla ventilazione sono direttamente proporzionali al volume d'aria ricambiato, gran parte degli allevatori è invogliata a ridurre la ventilazione al di sotto del minimo consigliato, in modo da realizzare una temperatura sufficientemente alta all'interno dell'edificio. Tale comportamento, ovviamente, deve essere evitato, così come il fatto di dimensionare l'impianto di ventilazione in base a impressioni superficiali, con il rischio di ritrovarsi con portate minime assolutamente esuberanti rispetto alle reali esigenze. Bilancio termico e riscaldamento artificiale All'interno della porcilaia si deve realizzare una condizione di equilibrio termico, ovvero Suinicoltura n. 5 maggio

3 BOX 2 - VENTILAZIONE INVERNALE E PRODUZIONE DI VAPORE ACQUEO In condizioni invernali, si può ritenere che circa il 20% del calore sensibile prodotto dagli animali sia utilizzato per l'evaporazione di acqua all'interno dell'ambiente, trasformandosi così in calore latente che si va a sommare a quello prodotto direttamente sotto tale forma. Quindi, nel calcolo della produzione totale di vapore acqueo (Xa Tot in g/h) si potrà tenere conto di questa quota aggiuntiva considerando che per ogni W di calore sensibile convertito in calore latente si ha la produzione di 1,48 g/h di vapore. Il volume unitario minimo di aria da ricambiare (V min in m 3 /h) sarà pertanto: V min =Xa tot /Dx dovedxèladifferenzadiumiditàassoluta(ing/m 3 )fraariainternaearia esterna(xi-xe). Il valore di xi è quello corrispondente alla temperatura interna di riferimento e al livello massimo accettabile di umidità relativa; il valore di xe, invece, deve fare riferimento alla temperatura esterna minima di progetto per quella zona climatica e alla rispettiva umidità relativa media. Il metodo di calcolo basato sulla rimozione del vapore acqueo presenta una notevole variabilità in relazione alla temperatura ambiente, alla temperatura esterna e al contenuto di umidità dell'aria. In alternativa, la portata minima di ventilazione può essere commisurata all'esigenza di espellere l'anidride carbonica in eccesso. Una formula utilizzabile a tale scopo è la seguente: V min =P ac /(C i -C e ) dove P ac è la produzione di anidride carbonica dei suini (in l/h), C i è la concentrazione massima tollerabile di anidride carbonica all'interno del ricovero(da2a3l/m 3 d'aria)ec e èlaconcentrazionemediadellostesso gasnell'ariaesterna(paria0,35l/m 3 ). È bene eseguire i calcoli della ventilazione minima con entrambi i sistemi proposti e quindi optare per il valore risultante più alto. BOX 3 - CALCOLO DELLA DISPERSIONE DI CALORE DA UNA PORCILAIA Se indichiamo con A la superficie in metriquadi di un elemento di chiusura, il flusso di calore che lo attraversa (Fe) è dato dalla seguente formula: Fe=A*U*Dt dove U è la trasmittanza unitaria e Dt è la differenza di temperatura fra interno ed esterno. Poiché un ricovero è delimitato da elementi di chiusura di tipo diverso (pareti, tetto, serramenti), la trasmittanza da inserire nella formula deve essere quella media dell'edificio (U med ), ovvero la media ponderale degli U relativi a ciascun elemento. È sempre consigliabile che gli U dei vari elementi non si discostino troppodau med ;incasocontrariopotrebbeformarsi,suglielementimeno coibenti e quindi più freddi, un'abbondante condensa, con tutti gli inconvenienti del caso. Inoltre, bisogna considerare che l'animale avverte non solo la temperatura dell'aria ambiente, ma anche quella degli elementi di chiusura dell'edificio o dei corpi in esso contenuti (temperatura radiante), per cui è importante evitare la formazione di zone fredde che, accentuando gli scambi energetici per irraggiamento, possono accrescere la situazione di disagio dei suini. Per quanto riguarda il calore disperso dal pavimento (Fp), si considera convenzionalmente il perimetro anziché la superficie, perché i maggiori scambi termici interessano il metro più esterno. La ventilazione in periodo invernale non deve eccedere il volume necessario per l'eliminazione dell'umidità interna; il ricambio dell'aria, infatti, ha come contropartita una asportazione di calore(fv) calcolabile con la seguente formula: Fv=V*c*Dt dovevèlaportatadiventilazioneinm 3 /h,cèilcalorespecificodell'aria (mediamenteparia0,36w/m 3 C)eDtèladifferenzaditemperaturafra aria interna e aria esterna. Risulta evidente l'importanza del corretto dimensionamento del volume di ventilazione, che è strettamente connesso con le perdite energetiche dell'edificio. Nel caso di iperventilazione, infatti, si incorre in gravi sprechi energetici, che risulteranno molto più marcati in edifici in cui è necessario garantire un ambiente termico costante(porcilaie da parto o da svezzamento). il calore prodotto dai suini (Fs) deve eguagliare le perdite termiche dell'edificio(box 3): Fs =Fe +Fp +Fv Se ciò non accade può rendersi necessario il ricorso a fonti di calore artificiale (Fa) o, in alternativa, si può accettare un decremento delle performance produttive degli animali, in particolare dell'incremento ponderale giornaliero, evitando però le ripercussioni sullo stato sanitario, oppure si può fornire energia supplementare aumentando il livello energetico della razione. La convenienza ad adottare un impianto per il riscaldamento artificiale deve essere attentamente valutata dal punto di vista economico, ponendo a confronto i costi energetico e impiantistico necessari a mantenere certe condizioni microclimatiche con il maggior costo per l'alimentazione e/o con il peggioramento delle prestazioni zootecniche. Il riscaldamento artificiale nelle porcilaie può essere di tipo diffuso, oppure di tipo localizzato (foto 2); le fonti energetiche normalmente usate sono i combustibili(gasolio, metano, olio combustibile, etc.) e l'energia elettrica. 40 Suinicoltura n. 5 maggio 2010

4 Tab. 3 - Bilancio termico dell edificio nelle diverse soluzioni costruttive ipotizzate Unità di misura T1 T2 T3 T4 T5 T6 U med W/m 2 C 4,54 1,97 1,7 1,21 1,03 0,73 Fe, di cui: W pareti % 18,6 42,9 49, ,4 23,2 tetto % 69,4 29,3 18,4 25,9 30,5 43,2 finestre e porte % 12 27, ,1 53,1 33,6 Fp W Fv W Fa W Fa=calore richiesto per il pareggio del bilancio termico (deficit termico) Ipotesi di miglioramento Nella soluzione T2 il controsoffitto è realizg FOTO 2 Impianto di riscaldamento a tubi alettati. Porcilaia per la fase di accrescimento Di seguito si riporta un caso pratico di studio, al fine di esemplificare alcuni dei concetti esposti in precedenza, con particolare riferimento all influenza dell isolamento termico sull'entità delle dispersioni termiche dell'edificio. In un successivo articolo saranno illustrati gli effetti sul costo di costruzione della porcilaia e sul costo energetico per il riscaldamento. L edificio ipotizzato è una porcilaia per 540 suini in accrescimento, da 30 a 50 kg di peso vivo, con box a pavimento parzialmente fessurato disposti su due file (figura 1). La lunghezza interna dell'edificio è di 36,56 m e la larghezza interna è di 10,2 m; il tetto è a due falde con pendenza del 29% e le pareti laterali hanno altezza interna di 2,74 m. L'asse principale della porcilaia ha orientamento Est-Ovest. La ventilazione è naturale, con ingresso dell aria dalle finestre e uscita dal cupolino di colmo. Su ogni lato lungo sono previste 9 finestre delle dimensioni di 2,4x1,2 m; la larghezza del cupolino, dotato di deflettore di regolazione, è di 0,5 m. Nella tabella 1 sono riportate le principali caratteristiche dimensionali dell edificio ai fini del bilancio termico. Il confronto è basato sul diverso livello di isolamento termico dell edificio, ottenuto con l impiego di materiali più coibenti nelle diverse soluzioni ipotizzate. È bene chiarire che in questa simulazione, per semplicità, non sono stati considerati gli effetti dei ponti termici che, pure, in molte situazioni, possono avere una notevole rilevanza. Le caratteristiche edili della soluzione base (T1) sono le seguenti: n pareti di tamponamento in blocchi di calcestruzzo, spessore 0,2 m (C=4); n intonaco interno (malta bastarda), spessore 15 mm (l=0,9); n manto di copertura in lastre ondulate di fibrocemento, spessore 7 mm (l=0,3); n controsoffitto in lastre piane di fibrocemento, spessore 7 mm (l=0,3); n finestre con vetroresina traslucida, spessore 1 mm (l=0,5); porte di vetroresina, spessore 5 mm(l=0,5). Nelle ipotesi successive (da T2 a T6) sono state migliorate via via le caratteristiche termiche della struttura, allo scopo di abbassare progressivamente il valore di U med. Ogni soluzione mantiene le migliorie delle soluzioni precedenti e ne aggiunge di nuove. Suinicoltura n. 5 maggio

5 Fig. 1 - Sezione e pianta della porcilaia per accrescimento zato in lastre di polistirene espanso estruso (l=0,035) dello spessore di 30 mm, mentre nella soluzione T3 lo stesso tipo di lastre ha spessore di 60 mm. La soluzione T4 prevede pareti in Lecablocchi facciavista dello spessore di 0,3 m (C=1,16) e nella soluzione T5 è stato aggiunto internamente alle pareti uno strato isolante di polistirene espanso estruso dello spessore di 40 mm (l=0,035). Infine, nella soluzione T6 si sono fatte migliorie ai serramenti, prevedendo finestre in pannelli di policarbonato alveolare a 3 strati, spessore di 16 mm (C=4,1). Il passo successivo è la verifica del bilancio termico dell edificio in regime stazionario, cioè con riferimento a parametri costanti, per la situazione invernale. I calcoli sono riferiti ai suini all inizio del ciclo d allevamento, con peso medio unitario di 30 kg, e alle condizioni microclimatiche accettabili in ambiente per periodi limitati; questo perché lo scopo del bilancio termico in regime stazionario è quello di ricercare il deficit termico, al fine di dimensionare l eventuale impianto di riscaldamento. Quest ultimo deve essere in grado di garantire almeno le condizioni interne impostate nei momenti più rigidi dell anno e nelle condizioni più critiche (animali a inizio ciclo). Se i calcoli fossero fatti con riferimento alle condizioni ottimali per quella categoria zootecnica si otterrebbe un costoso sovradimensionamento dell impianto termico, del tutto inutile dal punto di vista pratico, per i limitati periodi dell anno durante i quali potrebbe servire una potenza così elevata. Per questa ragione la temperatura interna di riferimento viene posta pari alla temperatura critica inferiore (TCI) e l umidità relativa interna di riferimento viene fissata pari a 10 punti percentuali in più rispetto a quella massima consigliabile per la categoria di suini in esame. Nella tabella 2 si riportano i parametri climatici di riferimento e i dati calcolati relativi alla produzione di calore e alla ventilazione minima per la situazione invernale. I principali dati relativi al bilancio termico delle 6 soluzioni messe a confronto sono riportati nella tabella 3. Deficit termico La soluzione T1 è ovviamente improponibile per l'allevamento di suini in accrescimento, perché caratterizzata da una trasmittanza media elevatissima; ciò è da imputarsi per la massima parte al tetto non coibentato. Il deficit termico di 117 W/capo richiederebbe una caldaia con potenza di 80 kw! Già con la soluzione T2 le cose cambiano radicalmente: l'inserimento di un controsoffitto di materiale isolante, benché di spessore modesto, fa scendere U med a poco meno di 2, valore ancora troppo alto, ma in grado di abbassare il deficit termico a51w/capo(menodellametàdit1).seil controsoffitto in polistirene raddoppia di spessore (T3), il deficit termico cala a 44 W/capo (-14% rispetto a T2). Queste due soluzioni mostrano chiaramente l'importanza della coibentazione della copertura dell'edificio; in T3 la quota di calore disperso attraverso il tetto ammonta al 18,4% di Fe, mentre era del 70% nella soluzione T1. Nelle soluzioni T4 e T5 si interviene sulle pareti laterali di tamponamento, che in T3 sono responsabili della metà della dispersione attraverso gli elementi di chiusura della porcilaia. La sostituzione dei blocchi di calcestruzzo da 0,2 m di spessore con blocchi di calcestruzzo alleggerito (tipo Leca) dello spessore di 0,3 m abbassa nettamente il deficit termico (-29% rispetto a T3) e la cosa è ulteriormente migliorata con l'inserimento di un isolante termico sulla faccia interna delle pareti. A questo punto siamo arrivati ad un valore di trasmittanza più che buono (circa 1 W/m 2 C). L'ultimo passo è quello di agire sui serramenti, che nella T5 sono responsabili del 53% della dispersione (Fe); le finestre in policarbonato alveolare a 3 strati, dello spessore di16 mm, sonoingradodiridurre il deficit termico a poco più di 19 W/capo. Con una trasmittanza di 0,73 W/m 2 C, l'impianto di riscaldamento della porcilaia richiederebbe una caldaia con potenza non superiore a 14 kw. (In un prossimo articolo si tratterà degli effetti del grado di coibentazione sul costo di costruzione della porcilaia e sul costo energetico per il riscaldamento). 42 Suinicoltura n. 5 maggio 2010