IMPIANTI di RISCALDAMENTO

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1 ISTITUTO TECNICO PER GEOMETRI Di Vittorio Docente: GILBERTO GENOVESE IMPIANTI di RISCALDAMENTO Carico termico invernale Anno Scolastico

2 CORSO: Impianti CONTENUTI: Sistema clima impianto - edificio Applicazione della UNI 7357/74 per la determinazione del carico termico invernale Carichi dispersi per trasmissione attraverso strutture opache, strutture trasparenti, ponti termici Carichi dispersi per ventilazione Determinazione carico termico totale PREREQUISITI: Conoscere le modalità di trasmissione del calore ed il primo principio della termodinamica. OBIETTIVI: Saper determinare il carico termico invernale e di conseguenza stimare la potenza dell impianto di riscaldamento.

3 SISTEMA CLIMA-EDIFICO-IMPIANTO Per poter determinare il carico termico invernale è necessario prendere in esame il sistema fisico CLIMA-EDIFICO-IMPIANTO. IL CLIMA L insieme dei parametri climatici, che costituiscono il complesso delle sollecitazioni termiche esterne di disturbo al sistema edificio. L EDIFICIO L involucro edilizio che racchiude e delimita lo spazio interno nel quale vogliamo imporre condizioni confortevoli per gli occupanti. L IMPIANTO Il mezzo con cui mantenere in ambiente le condizioni volute contrastando le perturbazioni indotte dalle variazioni climatiche nell ambiente esterno.

4 COS E IL CARICO TERMICO INVERNALE Per carico termico invernale si intende la massima potenza termica che l edificio, in precisate condizioni, univocamente definite, disperde verso l ambiente esterno. La conoscenza di questa grandezza consente di dimensionare un impianto di riscaldamento che mantenga all interno dello spazio occupato condizioni confortevoli, il che significa garantire un determinato valore di temperatura dell aria all interno dell involucro edilizio. Edificio Impianto

5 CONSIDERAZIONI FISICHE L edifico costituisce un sistema termodinamico definito dal volume dell aria interna all involucro edilizio. Il sistema termodinamico è definito di tipo aperto perché di fatto avvengono sempre scambi di massa (aria umida) tra l ambiente interno e l ambiente esterno, scambi che possono avennire attraverso le aperture presenti sull involucro edilizio. Il Primo Principio della Termodinamica per un sistema aperto si scrive nella forma: Q L = H + E dove: Q è il calore assorbito dal sistema L è il lavoro eseguito dal sistema H è la variazione di entalpia del sistema E è la variazione della somma delle altre forme di energia (meccanica, cinetica, elastica)

6 CONSIDERAZIONI FISICHE Poiché il sistema considerato non ha scambi di lavoro con l esterno e poiché non si verificano variazioni apprezzabili della quota né della velocità dell aria tra le sezioni di immissione ed espulsione, possiamo affermare che E = 0 e L = 0. Il Primo Principio della Termodinamica si particolarizza nella forma: Q = H Ipotizzando che l aria si comporti come un gas perfetto, eseguendo un bilancio termico, si ottiene: H = m c p (T finale T iniziale ) e quindi: Q = m c p (T finale T iniziale )

7 CONSIDERAZIONI FISICHE Ogni scambio di calore (Q 0) porta al cambiamento della temperatura dell aria interna. All equilibrio la differenza (T finale T iniziale ) si annulla per cui: Q = H = 0 Si possono verificare le seguenti situazioni: Se non c è intervento da parte dell impianto, le condizioni climatiche esterne determinano flussi termici negativi, cioè flussi termici uscenti e quindi Q 0; Se c è intervento da parte dell impianto, allora il flusso termico fornito ( Q impianto positivo perché entrante) è uguale al flusso termico uscente ( Q dispersioni negativo), e quindi si ha: Q = Q - dispersione + Q + impianto = 0

8 CONSIDERAZIONI FISICHE All equilibrio la situazione può essere schematizzata nel modo seguente: Q = H = 0

9 IPOTESI FONDAMENTALI Per il calcolo del carico termico invernale è necessario introdurre le seguenti due ipotesi fondamentali: REGIME STAZIONARIO Un sistema termodinamico si classifica stazionario se lo stato del sistema non varia nel tempo: si decide di considerare come costanti nel tempo delle grandezze che in realtà non lo sono, come i parametri climatici. CONDIZIONE PIU SFAVOREVOLE Nella determinazione del carico termico invernale è necessario considerare la condizione più sfavorevole, nel senso più gravosa (termicamente parlando) per l impianto di riscaldamento.

10 CALCOLO CARICO TERMICO INVERNALE Attualmente la normativa italiana di riferimento per la determinazione del carico termico invernale è la UNI 7357/74, dove si distinguono: CARICHI TERMICI PER Rappresentano la quota di potenza termica (calore scambiato nell unità di tempo) che viene persa dal fluido aria all interno della zona attraverso le strutture edilizie. Lo scambio termico si innesca per differenza di temperatura ed entrano in gioco fenomeni combinati di conduzione, convezione e irraggiamento. CARICHI TERMICI PER Rappresentano la quota di potenza termica che viene persa dall aria dello spazio riscaldato per la presenza di fenomeni di infiltrazione dell aria esterna nell ambiente (ventilazione naturale, dovuta alla non ermeticità delle chiusure finestrate e all apertura manuale dei serramenti oppure ventilazione meccanica, dovuta ad un apposito impianto di estrazione-immissione).

11 CARICHI TERMICI PER La formula fondamentale per la determinazione del flusso di calore che attraversa una generica parete di un locale dall interno verso l esterno è:. dove: Q D. Q D = A K (T T ) è la potenza termica scambiata per trasmissione ed è espressa in [W] A è l area della parete espressa in [m 2 ] K è la trasmittanza della parete misurata in [W/m 2 C] T i è la temperatura dell aria interna espressa in [ C] T e è la temperatura dell aria esterna espressa in [ C] i e È necessario inoltre distinguere: dispersioni attraverso le strutture opache (murature) dispersioni attraverso le strutture vetrate (serramenti).

12 CARICHI TERMICI PER La formula è valida soltanto sotto l ipotesi fondamentale di PROPAGAZIONE MONODIMENSIONALE DEL CALORE, ovvero quando la direzione del flusso termico attraverso la parete è univoca. Se le superfici sono isoterme, il flusso di calore che attraversa ogni porzione discreta di parete da nell unità di tempo è costante e le linee di flusso saranno tutte parallele tra loro ed ortogonali alle superfici isoterme. Se ci sono perdite di calore attraverso i bordi della struttura, allora la formula precedente non è applicabile. PONTI TERMICI

13 FLUSSO TERMICO PER Il flusso termico che fluisce attraverso una parete può essere così determinato: Ambiente esterno T e. Q D = A K (T i T e ) Ambiente interno T i

14 DETERMINAZIONE DELLA SUPERFICIE A L area della superficie della parete misurata in [m 2 ] è il parametro geometrico di più facile individuazione. Poiché le pareti edilizie come quelle esterne perimetrali confluiscono sempre in situazioni d angolo bisognerà prendere in considerazione la superficie interna netta di ciascuna parete.

15 TEMPERATURA INTERNA DI PROGETTO Il termine T i è la temperatura a bulbo secco dell aria interna al locale da utilizzare per il calcolo del fabbisogno termico; si misura in [ C] e d è la temperatura che si rileva con un termometro a bulbo secco protetto contro l irradiazione, all altezza di 1,50 m dal pavimento ed al centro del locale considerato. DPR 412/93 La temperatura interna viene denominata di progetto perché il valore da assumersi è fissato dal DPR 412/93 (regolamento di attuazione della Legge 10/91). Per le residenze T i = 20 ± 2 C Per le industrie T i = 18 C

16 TEMPERATURA ESTERNA DI PROGETTO Il termine T e indica la temperatura dell aria dell ambiente contiguo a quello considerato per il calcolo delle dispersioni: se la parete attraverso la quale si calcola il flusso termico è una parete Sottotetto T e =-5 C interna, T e sarà la temperatura dell aria T i =14 C del locale adiacente; se la parete in esame è una parete esterna, T e sarà la temperatura dell aria Locale riscaldato T i =20 C Ripostiglio T i =18 C esterna, tipica del clima del luogo. Locale riscaldato Garage T i =20 C T i =5 C

17 TEMPERATURA ESTERNA DI PROGETTO Le temperature T e da usarsi nel calcolo possono essere note solo dopo l osservazione climatica di una determinata località per un certo periodo di anni consecutivi. UNI 5364 Le temperature esterne di progetto sono tabellate per le località italiane nelle norma UNI 5364 e sono state determinate a seguito del monitoraggio temporale delle temperature con metodi statistici. La normativa UNI 7357 prevede delle correzioni al valore di temperatura esterna da assumersi con riferimento a tre parametri: diversa altitudine sul livello del mare; diversa situazione dell ambiente esterno; vicinanza di edifici.

18 TRASMITTANZA PER SUPERFICI OPACHE La grandezza K (indicata anche con il simbolo U ) è la trasmittanza unitaria o coefficiente globale di trasmissione termica, si misura in [W/m 2 C] e rappresenta il flusso di calore che nelle condizioni di regime stazionario passa da un fluido ad un altro attraverso una parete per m 2 di superficie e per C di differenza tra le temperat ure dei due fluidi. La formula adottata per la determinazione di K è: K = j 1 α i + s 1 k j + R + 1 k i= 1 λ j i= 1 α e

19 ANALISI DELLA TRASMITTANZA Andiamo ad analizzare i termini che compongo la formula della trasmittanza. 1/α i e 1/α e Rappresentano le resistenze termiche dello strato laminare dell aria rispettivamente sulla superficie interna ed esterna della parete che si riferiscono ad uno scambio termico che è assieme convettivo e radiativo. T e T i q c q c T se T si q r q r Ambiente esterno T pe T pi Ambiente interno

20 ANALISI DELLA TRASMITTANZA j s j i= 1 λ j Questo termine rappresenta la resistenza termica degli strati omogenei della parete, cioè degli strati le cui caratteristiche termofisiche possono essere ritenute costanti. s è lo spessore dello strato espresso in [m] λ è la conduttanza termica misurata in [W/m C] s λ (caratteristico del materiale)

21 CONDUCIBILITA TERMICA Il valore della conducibilità termica può essere direttamente ricavata dalla UNI λ m apparente λ di riferimento

22 ANALISI DELLA TRASMITTANZA k i= 1 R k Questo termine rappresenta la resistenza termica degli strati eterogenei della parete, cioè degli strati le cui caratteristiche termofisiche non possono essere ritenute costanti. Ne sono un esempio le intercapedini d aria e le strutture fortemente eterogenee come i solai. Struttura eterogenea

23 RESITENZA TERMICA Il valore della resistenza termica può essere direttamente ricavata dalla UNI Resistenza termica

24 TRASMITTANZA PER SUPERFICI VETRATE La grandezza K nelle superfici vetrate rimane sempre rappresentativa dello scambio termico analogamente a quanto definito per le superfici opache. Il sistema serramento è costituito da due elementi: la parte trasparente (vetro) la parte opaca (telaio) Vetro Telaio

25 TRASMITTANZA PER SUPERFICI VETRATE La normativa di riferimento per il calcolo della trasmittanza attraverso le superfici opache è la UNI Per la determinazione del K del serramento (K W ) distinguiamo: SERRAMENTI A VETRO SINGOLO K W = A g K A g g + A K + A f f f SERRAMENTI A DOPPIO VETRO K W = A g K g + A K A g f f + A f + LΨ Dove A g e A f sono rispettivamente le aree del vetro e del telaio in [m 2 ] e K g e K f le relative trasmittanze in [W/m 2 C], mentre Ψ è il coefficiente lineare di trasmissione termica e L il perimetro del vetro.

26 PONTI TERMICI Nella valutazione del carico termico di un edificio bisogna prendere in considerazione quelle situazioni in cui, soprattutto in prossimità di nodi strutturali e tecnologici, il flusso termico non è riconducibile al modello di propagazione monodimensionale del calore. Si parla allora di PONTI TERMICI; questi possono essere di: DI FORMA : La disomogeneità deriva dalla disposizione geometrica di strutture uguali. DI STRUTTURA: La disomogeneità deriva dall accostamento di strutture diverse.

27 PONTI TERMICI Le considerazioni fatte in precedenza di linee di flusso sempre parallele ed ortogonali alle superfici delimitanti uno strato omogeneo, non sono più valide. La formula per il calcolo della dispersione termica di ogni singolo ponte termico è:. Q Dpt = Ψ L L (T i T e ) dove: Ψ L è il coefficiente lineico in [W/m C] L è la l estensione lineare del ponte termico in [m] (T i -T e ) è la differenza di temperatura in [ C]

28 TIPOLOGIE DI PONTI TERMICI Ponti termici di forma Ponti termici di struttura

29 LE CORREZIONI Il carico termico disperso per trasmissione è dato da: Q dispersione = Q D + Q Dpt Tale valore va corretto, introducendo dei coefficienti moltiplicativi, per tener conto di alcuni fenomeni. I tre principali casi in cui si hanno maggiorazioni sono: differente esposizione della singola struttura correzione della dispersione di un locale per tener conto della temperatura operante correzione della dispersione di un intero edificio per differente regime di esercizio dell impianto di riscaldamento.

30 CARICHI TERMICI DI Rappresentano la quota di potenza che viene persa per la presenza di fenomeni di infiltrazione dell aria esterna nell ambiente (ventilazione naturale dovuta alla non ermeticità dell involucro edilizio oppure ventilazione meccanica). La formula fondamentale per la determinazione del carico termico di ventilazione è:. Q V. = ma cp, a (T i T e ) UNI La normativa, qualora la portata effettiva di ventilazione risultasse inferiore ad un minimo convenzionale necessario per la salubrità dell aria, impone l installazione di un impianto di immissione o aspirazione forzata dell aria.

31 PORTATA DI La portata di massa dell aria può essere espressa come:.. ma V = ρ a UNI Poiché gli agenti inquinanti sono proporzionali al volume riscaldato, la portata volumetrica di rinnovo necessaria per la salubrità dell aria può essere determinata come prodotto del volume del locale V per il numero n di ricambi d aria o tasso di rinnovo. Quindi: V. = V n. Q V = n V ρa cp, a (T i T e )

32 CARICO TOTALE DISPERSO Dunque il carico totale disperso sarà dato da: Q totale = Q dispersione + Q ventilazione = (Q D + Q Dpt ) + Q v Dimensionamento dell impianto di riscaldamento

33 GRAZIE