APPUNTI DI TERMOIGROMETRIA E IMPIANTI

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3 Stefano Bergero Anna Chiari APPUNTI DI TERMOIGROMETRIA E IMPIANTI

4 Copyright MMXV Aracne editrice int.le S.r.l. via Quarto Negroni, Ariccia (RM) (06) isbn I diritti di traduzione, di memorizzazione elettronica, di riproduzione e di adattamento anche parziale, con qualsiasi mezzo, sono riservati per tutti i Paesi. Non sono assolutamente consentite le fotocopie senza il permesso scritto dell Editore. I edizione: dicembre 2015

5 INDICE INTRODUZIONE XI 1 PSICROMETRIA GENERALITÀ UMIDITÀ SPECIFICA E UMIDITÀ ASSOLUTA UMIDITÀ RELATIVA VOLUME SPECIFICO ENTALPIA DELL'ARIA UMIDA TEMPERATURA DI RUGIADA TEMPERATURA DI SATURAZIONE ADIABATICA DIAGRAMMA PSICROMETRICO MISURA DELL'UMIDITÀ RELATIVA Igrometro a condensazione o ad appannamento Psicrometro ad aspirazione Termoigrografo a capelli 42 2 VERIFICA TERMOIGROMETRICA DELL'INVOLUCRO EDILIZIO GENERALITÀ Condensazione superficiale Condensazione interstiziale TRASPORTO DI MASSA ATTRAVERSO UNA PARETE PERMEABILITÀ AL VAPORE 51 V

6 VI APPUNTI DI TERMOIGROMETRIA E IMPIANTI 2.4 TRASPORTO DI MASSA ATTRAVERSO UNA PARETE MULTISTRATO BILANCIO IGROMETRICO DI UN AMBIENTE ASPETTI LEGISLATIVI LA NORMA UNI EN ISO Temperatura superficiale minima per evitare valori critici dell'umidità in corrispondenza delle superfici Condensazione superficiale: criteri di intervento correttivo Calcolo della condensazione interstiziale Condensazione interstiziale: criteri di intervento correttivo ESEMPIO DI APPLICAZIONE DELLA NORMA UNI EN ISO Stratigrafia Dati climatici Calcolo di verifica della condensazione superficiale Calcolo di verifica della condensazione interstiziale IL BENESSERE TERMOIGROMETRICO GENERALITÀ IL SISTEMA TERMOREGOLATORE DEL CORPO UMANO IL BILANCIO TERMICO DEL CORPO UMANO Metabolismo Parametri ambientali Scambi termici Temperatura operativa Abbigliamento L'EQUAZIONE DEL BENESSERE I diagrammi del benessere 162

7 INDICE VII 3.5 INDICI DI COMFORT GLOBALE Voto Medio Previsto (PMV) Percentuale Prevista di Insoddisfatti (PPD) UNI EN ISO 7730:1997: requisiti di comfort globale INDICI DI DISCOMFORT LOCALE Correnti d'aria Gradiente verticale della temperatura dell aria Temperatura superficiale del pavimento Asimmetria della temperatura radiante REQUISITI DI BENESSERE SECONDO LA NORMATIVA TECNICA La norma UNI EN ISO 7730: La norma UNI EN ISO 7730: La norma UNI EN 15251: REQUISITI DI PROGETTO NAZIONALI LA QUALITÀ DELL'ARIA GENERALITÀ CLASSIFICAZIONE E TIPOLOGIE DI INQUINANTI Classificazione in base alla localizzazione della fonte Classificazione in base agli effetti igienico-sanitari Principali tipologie di inquinanti indoor LA MISURA DELLA QUALITA' DELL'ARIA Percezione soggettiva della IAQ LA VENTILAZIONE PER IL MIGLIORAMENTO DELLA QUALITA' DELL'ARIA Bilancio di massa per un contaminante Efficienza di ventilazione Determinazione della portata di ventilazione: approccio prestazionale

8 VIII APPUNTI DI TERMOIGROMETRIA E IMPIANTI Determinazione della portata di ventilazione: approccio basato sul controllo della percezione olfattiva NORMATIVA IN MATERIA DI QUALITÀ DELL'ARIA Le norme UNI EN e UNI EN Il pre0205a CENNI SULLA FILTRAZIONE DELL'ARIA Meccanismi di filtrazione Criteri sulla scelta dei filtri La norma UNI 10339: La norma UNI EN 779: La norma UNI EN : La norma UNI EN 13779: Il pre0205a Tipologie di filtri TRASFORMAZIONI DELL'ARIA UMIDA GENERALITÀ MISCELAZIONE ADIABATICA RISCALDAMENTO SENSIBILE RAFFREDDAMENTO SENSIBILE RAFFREDDAMENTO CON DEUMIDIFICAZIONE UMIDIFICAZIONE Umidificazione adiabatica Umidificazione a vapore IMPIANTI DI CLIMATIZZAZIONE CLASSIFICAZIONE DEGLI IMPIANTI DI CLIMATIZZAZIONE 319

9 INDICE IX 6.2 BILANCIO DI MASSA E DI ENERGIA DI UN AMBIENTE CLIMATIZZATO Scambi di massa Scambi di energia Il locale climatizzato come sistema aperto Casi di studio IMPIANTO DI RISCALDAMENTO Ventilazione Dimensionamento dell'impianto di riscaldamento Disperdimento per ventilazione Disperdimenti per trasmissione Parametri e valori utili per il calcolo IMPIANTO DI CONDIZIONAMENTO A TUTTA ARIA Dimensionamento degli impianti di condizionamento Parametri di progetto Carichi termici Retta di carico Ricircolo Condizionamento estivo Condizionamento invernale Recuperatore di calore L'unità di trattamento aria IMPIANTO DI CONDIZIONAMENTO MISTO ARIA-ACQUA IMPIANTO DI VENTILAZIONE MECCANICA Ventilazione meccanica a semplice flusso Ventilazione meccanica a doppio flusso 417 TESTI DI RIFERIMENTO 429

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11 INTRODUZIONE Il presente testo "Appunti di Termoigrometria e Impianti" è il terzo volume degli "Appunti". Dopo i precedenti "Appunti di Termodinamica" e "Appunti di Trasmissione del Calore", tratta quelle parti della Fisica Tecnica dove la termodinamica e la trasmissione del calore si applicano in modo combinato, ovvero i problemi igrometrici degli edifici e gli impianti tecnici che servono a garantire la salubrità dell'aria negli ambienti e il benessere ai loro occupanti. Il volume è rivolto principalmente agli allievi architetti e ingegneri, e trae origine dall'esperienza di insegnamento degli autori, ormai quasi ventennale, nell'ambito dei corsi di Fisica Tecnica ed Impianti Tecnici del corso di studi in Architettura dell'università di Genova. Tuttavia, dato il carattere applicativo della materia trattata, può costituire anche uno strumento di supporto ai professionisti operanti nel campo dell'energetica e degli impianti di climatizzazione degli edifici. La successione degli argomenti trattati è la seguente. Il primo capitolo contiene le basi della psicrometria, introducendo le principali grandezze di stato dell'aria umida ed il diagramma psicrometrico. Il secondo capitolo riguarda il trasporto del vapore acqueo attraverso le pareti e la verifica termoigrometrica dell'involucro edilizio dal punto di vista della condensazione superficiale ed interstiziale. Nel terzo capitolo viene descritto il bilancio termico del corpo umano ed introdotto il concetto di benessere termoigrometrico, con riferimento sia agli indici di comfort globale che a quelli di discomfort locale. Il quarto capitolo è dedicato alla qualità dell'aria negli ambienti confinati: vengono descritte le principali tipologie di XI

12 XII APPUNTI DI TERMOIGROMETRIA E IMPIANTI inquinanti e i principali metodi per garantire la purezza dell'aria indoor, ovvero la ventilazione e la filtrazione. Nel quinto capitolo vengono trattate dal punto di vista termodinamico le principali trasformazioni dell'aria umida che si realizzano negli impianti di condizionamento. Infine nel sesto capitolo è introdotta una classificazione degli impianti di climatizzazione degli edifici (riscaldamento, ventilazione, condizionamento) e vengono descritte in modo sintetico le procedure per il loro corretto dimensionamento in base alla normativa tecnica vigente. Essendo la diretta continuazione dei due già citati testi di "Appunti", il presente volume mantiene alcune peculiarità proprie dei precedenti: il testo è strutturato come se fosse una raccolta ordinata di appunti presi a lezione; gli argomenti, nel rispetto del necessario rigore scientifico, sono esposti in modo semplice e sintetico presumendo che il lettore abbia conoscenze elementari di analisi matematica e di fisica generale; il formalismo matematico è ridotto al minimo indispensabile e, dove necessario, sono riportati i passaggi matematici, anche se elementari e ripetitivi; il testo è corredato da numerose figure ed esempi che aiutano il lettore a farsi un quadro immediato dei concetti esposti; alcune importanti considerazioni, che possono rappresentare una divagazione rispetto alla trattazione principale, sono evidenziate nelle osservazioni; anche le cose più scontate ed ovvie vengono comunque evidenziate nei N.B. (nota bene); la ripetitività che si può riscontrare nella trattazione di alcune parti è stata volutamente mantenuta per ragioni didattiche, dando al lettore la possibilità di ritornare frequentemente su concetti fondamentali. La conoscenza dei contenuti dei libri "Appunti di Termodinamica" e "Appunti di Trasmissione del Calore" è data ovviamente per scontata e i richiami ad essi sono

13 INTRODUZIONE XIII puntualmente indicati nel testo rispettivamente con la dicitura "cfr. A.T." e "cfr. A.T.C.". Si ricorda inoltre che diversi esercizi numerici riguardanti gli argomenti trattati sono reperibili nel volume "Problemi di Fisica Tecnica", per i cui dettagli si rimanda alla bibliografia. Il presente testo presenta, tuttavia, alcune significative differenze rispetto ai precedenti. La prima e più importante, è dovuta al fatto che, essendo la materia trattata più applicativa, si è reso necessario tenere in considerazione, oltre che gli aspetti puramente fisicotecnici, anche gli aspetti legislativi e normativi. Nei testi precedenti tali aspetti erano infatti del tutto assenti (cfr. A.T.) o appena accennati (cfr. A.T.C.). Quasi tutti i capitoli contengono pertanto riferimenti dettagliati alla legislazione e alla normativa tecnica vigenti, aggiornati alla data di mandata in stampa del volume (dicembre 2015). Sarà cura degli autori provvedere a successivi aggiornamenti del volume, qualora il panorama normativo dovesse mutare radicalmente. La seconda differenza è rappresentata dal fatto che la materia trattata nel presente volume impone in alcuni paragrafi una trattazione più discorsiva e descrittiva, a discapito di sintesi e schematicità tipiche dei volumi precedenti. Gli autori desiderano ringraziare l'ing. Valentina Desideri per la preziosa collaborazione nella redazione grafica di schemi e figure. Inoltre ringraziano fin d'ora quanti, studenti, colleghi o professionisti, prenderanno in considerazione il presente testo; critiche costruttive, consigli di miglioramento e segnalazioni di eventuali imprecisioni ed errori sono ben accette, anche nell'ottica di una riedizione o ampliamento dell'opera. Genova, 30 novembre 2015

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15 PSICROMETRIA 1.1 GENERALITÀ L'aria atmosferica contiene aria secca, vapor d'acqua e un elevato numero di contaminanti presenti in fase solida, liquida e aeriforme (polveri, pollini, batteri, ). È detta aria umida l'aria atmosferica priva di contaminanti. L'aria umida risulta quindi una miscela di aria secca e vapor d'acqua. In particolare, sebbene la quantità di acqua presente nell'aria atmosferica sia piccola, la maggiore o minore presenza di vapor d'acqua influenza in modo significativo le condizioni di benessere fisiologico dell'organismo umano e può essere causa di fenomeni di degrado dell'edificio. Nelle trasformazioni termodinamiche dell'aria umida la composizione dell'aria secca rimane pressoché costante, mentre varia la quantità di vapor d'acqua presente. La psicrometria è la disciplina che si occupa dello studio della termodinamica dell'aria umida. Nomenclatura Dal momento che nelle applicazioni relative al condizionamento ambientale molte grandezze termodinamiche sono espresse in funzione della temperatura misurata in gradi Celsius, è opportuno introdurre la seguente notazione: t temperatura espressa in [ C] T temperatura espressa in [K] T = t

16 2 APPUNTI DI TERMOIGROMETRIA E IMPIANTI L'aria secca è una miscela di ossigeno, azoto e piccoli quantitativi di altri gas, tra cui argon e anidride carbonica (cfr. A.T. par. 3.6). In Tabella 1.1 è riportata la composizione dell'aria secca in termini di frazioni molari e massiche dei singoli componenti. Tabella 1.1 Frazioni molari e massiche dei componenti dell'aria secca. Gas [%] [%] Azoto N Ossigeno O Argon Ar Anidride carbonica CO Neon Ne Elio He Metano CH Altri Anidride solforosa, Idrogeno, Krypton, Xenon, Ozono Fonte: ASHRAE HANDBOOK, Fundamentals, SI edition, La temperatura dell'aria nelle applicazioni relative al condizionamento ambientale varia tra circa -10 C e 50 C. Essendo la temperatura critica dell'aria secca pari a C (cfr. A.T. par. 12.3, Tabella 12.6), ne consegue che l'aria secca è lontana dalle condizioni di saturazione e può dunque essere trattata con ottima approssimazione come un gas perfetto. La costante particolare dell'aria secca risulta R 1a = J/kgK. N.B. La frazione molare del componente i-esimo di una miscela di gas perfetti esprime la frazione volumetrica del componente stesso. Infatti, applicando l'equazione di stato dei gas perfetti all'aria secca e al suo componente i-esimo avente volume parziale V i, si ottiene: pv nrt pv i nrt Vi nrt i V p i p nrt nrt V p nrt V i ni n i p i

17 1. PSICROMETRIA 3 Il vapor d'acqua presente nell'aria umida si trova nello stato di vapore surriscaldato, ovvero ad una pressione parziale p inferiore alla pressione di saturazione p s alla stessa temperatura. A titolo di esempio in fig. 1.1 è riportato sul diagramma di stato p-v dell'acqua lo stato del vapore relativo a t = 50 C e p = 0.03 bar p [bar] liquido C liquido + vapore gas vapore fig v [m 3 /kg] 1 gas vapore p [bar] p s 0.1 p 50 C 20 C liquido + vapore v [m 3 /kg] Essendo le pressioni di saturazione dell'acqua nell'intervallo di temperatura tra -10 C e 50 C inferiori a 0.2 bar, il vapor d'acqua nell'aria umida si comporta praticamente come un gas perfetto (cfr. A.T. par. 12.3). La costante particolare del vapor d'acqua risulta R 1v = J/kgK.

18 4 APPUNTI DI TERMOIGROMETRIA E IMPIANTI In definitiva l'aria umida può essere trattata come una miscela di due gas perfetti, l'aria secca e il vapor d'acqua (fig. 1.2): pav mar 1aT pvv mvr 1vT m, p, V, T m a, p a, V, T m v, p v, V, T aria umida aria secca vapor d'acqua fig. 1.2 p = pressione dell'aria umida o pressione totale della miscela p a = pressione parziale dell'aria secca p v = pressione parziale del vapor d'acqua o pressione di vapore La somma delle pressioni parziali dei due componenti è pari alla pressione totale della miscela (legge di Dalton): p p a p v Vengono di seguito definite alcune grandezze di stato comunemente utilizzate nello studio della termodinamica dell'aria umida: umidità specifica, umidità relativa, volume specifico, entalpia, temperatura di rugiada e temperatura di saturazione adiabatica. Nella definizione di tali grandezze si è fatto riferimento allo standard ASHRAE (American Society of Heating, Refrigeratingand Air-conditioning Engineers), come riportato in ASHRAE HANDBOOK, Fundamentals, SI Edition, Nomenclatura I pedici delle grandezze hanno il seguente significato: a relativo all'aria secca v relativo al vapor d'acqua

19 1. PSICROMETRIA 5 Osservazione La pressione di saturazione dell'acqua in funzione della temperatura (cfr. A.T. par 12.3 pag. 239) può essere ottenuta dalle tabelle che riportano le proprietà dell'acqua alla saturazione (cfr. A.T. Tabella A.6) o mediante opportune formule. Nell'intervallo di temperatura compreso tra -100 C e 0 C (curva di sublimazione) si ha: ln pv,s C1 / T C2 C3T C4T C5T C6T C7 ln T dove C 1 = E+03 C 2 = E+00 C 3 = E-03 C 4 = E-07 C 5 = E-09 C 6 = E-13 C 7 = E+00 Nell'intervallo di temperatura compreso tra 0 C e 200 C (curva di vaporizzazione-condensazione) si ha: ln pv,s C8 / T C9 C10T C11T C12T C13 ln T dove C 8 = E+03 C 9 = E+00 C 10 = E-02 C 11 = E-05 C 12 = E-08 C 13 = E+00 In entrambe le espressioni p v,s [Pa], T [K]. In Tabella 1.2 vengono riportati i valori di p v,s, calcolati con le relazioni sopra riportate, nell'intervallo di temperatura compreso tra -10 C e 50 C

20 6 APPUNTI DI TERMOIGROMETRIA E IMPIANTI Tabella 1.2 Pressione di saturazione dell'acqua p v,s [Pa] in funzione della temperatura. t [ C] t-0.0 t-0.1 t-0.2 t-0.3 t-0.4 t-0.5 t-0.6 t-0.7 t-0.8 t t [ C] t+0.0 t+0.1 t+0.2 t+0.3 t+0.4 t+0.5 t+0.6 t+0.7 t+0.8 t