Corso di fisica tecnica ambientale LEZIONE 10: ESERCIZIO SUI CARICHI TERMICI INVERNALI ED ESTIVI. Ing. Marco Cecconi- Ing.

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1 Facoltà di Architettura - Laurea magistrale in Architettura a ciclo unico Corso di fisica tecnica ambientale LEZIONE 10: ESERCIZIO SUI CARICHI TERMICI INVERNALI ED ESTIVI Ing. Marco Cecconi- Ing. Flavio Rosa marco.cecconi@ingenergia.it

2 Obiettivo Calcolare i carichi sensibili di picco invernali ed estivi di un immobile, al netto degli impianti: o potenza termica massima necessaria nell ora più fredda dell anno; o potenza frigorifera massima necessaria nell ora più calda dell anno. Indice 10 Esercizio sui carichi Ipotesi di calcolo 3 Modalità e procedimento di calcolo 4 1) Analisi dell'immobile 6 2) Calcolo dei parametri termofisici 11 3) Calcolo dei flussi sensibili 19 4) Calcolo del bilancio termico 26 2

3 Principali ipotesi di calcolo Condizioni stazionarie (parametri di calcolo tutti costanti: temperature, irraggiamento, apporti interni, ecc); Edificio monozona con temperatura dell aria interna uniforme; Bilancio termico sensibile (no flussi di vapore, umidificazione e deumidificazione); Materiali isotropi ed omogenei; Valori ambientali estremi invernali ed estivi: o Ora più fredda fissata alle ore 6:00 del giorno più freddo digennaio; o Ora più calda fissata alle ore 13:00 del giorno più caldo diluglio; Ulteriori ipotesi indicate durante il calcolo. NOTA IMPORTANTE: Il risultato del calcolo può variare sensibilmente a seconda delle ipotesi fatte! 3

4 Modalità di calcolo BILANCIO TERMICO SENSIBILE MONOZONA DI PICCO INVERNALE/ESTIVO qsol Irraggiamento solare [W] Fonti energetiche qint Apportiinterni [W] Impianti qin Potenzaintrodotta [W] qu Potenza termica utile [W] qp Potenza persa[w] qtr Scambi per trasmissione dell involucro [W] qv Scambi per infiltrazionie ventilazione [W] 4

5 Calcolo dei carichi PROCEDIMENTO GENERALE 1) Analisi dell immobile: o delimitazione della zona termica o calcolo delle grandezze geometriche o determinazione delle grandezze ambientali o determinazione dei parametri di gestione 2) Calcolo dei parametri termo-fisici delle strutture: o dimensioni o trasmittanza termica o trasmittanza solare e fattori di ombreggiamento 3) Calcolo dei flussi sensibili: o trasmissione o ventilazione o apporti interni o apporti solari 4) Calcolo del bilancio termico sensibile e determinazione del carico termico utile netto. 5

6 1) Analisi dell'immobile PLANIMETRIA 6

7 1) Analisi dell'immobile SEZIONE A-A' 7

8 1) Analisi dell'immobile DELIMITAZIONE DELLA ZONA TERMICA La zona termica è unica e costituisce la zona di calcolo. E' delimitata dall'esterno mediante le pareti che definiscono l'involucro. La zona termica confina a nord e sud con l'aria esterna, ad est col vano scale, ad ovest con un altro appartamento, sopra con il terrazzo e sottocon un altro appartamento. Non si considerano disperdenti le superfici a contatto con altri ambienti riscaldati (queste pareti vengono trascurate nei calcoli poiché ΔT=0). CALCOLO DELLE GRANDEZZE GEOMETRICHE RELATIVE ALLA ZONA TERMICA Le grandezze nette non includono le pareti. Le grandezze lorde includono interamente le pareti esterne e per metà le pareti confinanti con altri spazi. o Area lorda = 97,0mq o Area netta = 83,8mq o Altezza lorda = 3,26m o Altezza netta = 2,70m o Volume lordo = 316mc o Volume netto = 226mc 8

9 1) Analisi dell'immobile DETERMINAZIONE DELLE GRANDEZZE AMBIENTALI L'immobile in oggetto è situato a Roma, perciò è sottoposto alle seguenti condizioni ambientali: INVERNALI (condizioni estreme gennaio, ore 6:00): o Temperatura esterna= 0 C (da DPR 1047/77 e UNI 5364) o Irraggiamento solare = 0 W/m 2 (da ipotesi calcolo dipicco) ESTIVE (condizioni estreme luglio, ore 13:00): o Temperatura esterna= 35 C (da dati climatici storici) o Irraggiamento solare (da dati climatici storici orari): Nord = 283W/m 2 Est = 231W/m 2 Sud = 368W/m 2 Ovest = 323W/m 2 Orizzontale = 940W/m 2 9

10 1) Analisi dell'immobile DETERMINAZIONE DEI PARAMETRI DI GESTIONE L'immobile in oggetto è adibito a residenza ed è caratterizzato dai seguenti parametri di gestione: INVERNALI (condizioni estreme a gennaio, ore 6:00): o Temperatura interna di comfort (set-point impianto di riscaldamento) = 20 C (da DPR 74/2013 e DPR 412/93s.m.i.) o Ricambio d'aria = ventilazione naturale 0,5 volumi/ora (valore tipico) o Occupazione = 0 persone (da ipotesi calcolo di picco) o Apparecchiature = nessuna (da ipotesi calcolo di picco) ESTIVE (condizioni estreme a luglio, ore 13:00): o Temperatura interna di comfort (set-point impianto di raffrescamento) = 26 C (da DPR 74/2013) o Ricambio d'aria = ventilazione naturale 0,5 volumi/ora (valore tipico) o Occupazione = 6 persone o Apparecchiature = frigorifero, illuminazione, 2 computer, scaldabagno, cucina, fornoac In c gẹm s ar o cocecconi Corsodi fisicatecnicaambientaleper l architettura 10

11 La nuova norma sui dati climatici UNI 10349:2016

12 La nuova norma sui dati climatici UNI 10349:2016 La parte 1 fornisce per il territorio italiano: i dati climatici convenzionali necessari per la verifica delle prestazioni energetiche e termoigrometriche degli edifici; i metodi di calcolo per ripartire l'irradianza solare oraria nella frazione diretta e diffusa; i metodi di calcolo calcolare l'energia raggiante ricevuta da una superficie fissa comunque inclinata e orientata. La parte 2 (pubblicata come rapporto tecnico) fornisce per il territorio italiano: i dati di progetto rappresentativi delle condizioni climatiche limite, da utilizzare per il dimensionamento degli impianti tecnici per la climatizzazione estiva e invernale e per valutare il rischio di surriscaldamento estivo. La parte 3 fornisce metodi di calcolo e prospetti di sintesi relativi agli indici sintetici da utilizzarsi per la descrizione climatica del territorio, quali: i gradi giorno nella stagione di riscaldamento; i gradi giorno nella stagione di raffrescamento; le differenze cumulate di umidità massica; la radiazione solare cumulata su piano orizzontale; l indice sintetico di severità climatico del territorio.

13 2) Calcolo dei parametri (richiami di teoria) CARICO TERMICO SENSIBILE ISTANTANEO q u,sens = q tr + q sol + q ve,sens + q int,sens [W] Carico termico sensibile utile di picco invernale: q u,sens,peak,inv =max( q ) u,sens Valore negativo = dispersioni termiche. Occorre compensarle introducendo calore. Carico termico sensibile utile di picco estivo: q u,sens,peak,est =max(q ) u,sens Valore positivo = apporti. Occorre compensarle espellendo calore. 13

14 2) Calcolo dei parametri (richiami di teoria) CALCOLO DEGLI SCAMBI TERMICI PER TRASMISSIONE Potenza scambiata verso spazi non climatizzati[w] q tr =q tr,e,o +q tr,e,v +q tr,nc = Potenza scambiata dagli elementi vetrati verso l'esterno [W] Potenza scambiata dagli elementi opachi verso l'esterno [W] Potenza totale scambiata per trasmissione [W] =H tr,e,o T+H tr,e,v T+H tr,nc T = =(H +H +H ) T tr,e,o tr,e,v tr,nc (T e T i ) Coeff. di scambio term. per trasmiss. verso spazi non clim. [W/K] Coeff. di scambio termico per trasmissione vetrata [W/K] Coeff. di scambio termico per trasmissione opaca [W/K] I coeff. di scambio termico totali sono la somma dei singoli coeff. per ogniparete: H =(AUf ) +(AUf ) +(AUf ) H tr,e,o pt tr,nord,o pt tr,sud,o tr,e,v =(AU eqf pt) +(AU tr,nord,v eqf pt) tr,sud,v H =(AUb f ) tr,nc tr pt tr,scale pt tr,up,o f pt = Fattore di incremento dovuto ai ponti 14

15 2) Calcolo dei parametri termofisici delle strutture STRUTTURE OPACHE Parete verticale perimetrale: o Trasmittanzatermica: Parete verso l'esterno Verso scale s λ C R R STRATO MATERIALE [m] [W/mK] [W/m 2 K] [m 2 K/W] [m 2 K/W] 1(esterno) Adduttanza esterna 25,0 0,040 0,130 2 Intonaco in maltadi calce 0,015 0,900 60,0 0,017 0,017 3 Laterizio forato da120mm 0,120 4,2 0,240 0,240 4 Intercapedine 0,070 5,5 0,182 0,182 5 Laterizio forato da80mm 0,080 5,0 0,200 0,200 6 Intonaco Intonaco in in maltadi dicalce 0,015 0,015 0,900 0,900 60,0 0,017 0, (interno) (interno) Adduttanza Adduttanza interna interna 7,7 7,7 0,130 0,130 TOTALI TOTALI 0,30 0,30 0,825 0,915 Verso l'esterno: Verso il il vanoscale: Trasmittanzatermica(U) termica(u) 1,212 W/m W/m 2 K 1,093 W/m W/m K o Fattore di assorbimento solare = 0,2 (pareti molto chiare) o Dimensioni delle pareti disperdenti opache = SUPERFICI LORDE DELLE PARETI DISPERDENTI Verso l'esterno Verso locali NON CLIMATIZZATI ESPOSIZIONE [m [m ] [m [m ] Nord 9,70 x 3,26-3x(1,0 x 1,30) =27,72 0 Sud 9,70 x 3,26-3x(1,0 x 1,30) =27,72 0 Est 0 10 x 3,26 = 32,60 * Ovest 0 0 Orizzontale 0 0 o Incremento delle dispersioni per ponti = 10% (Fpt = 1,1) La resistenza superficiale esterna delle pareti confinanti verso locali non climatizzati è maggiore rispetto a quelle verso l'esterno. * Il portone di ingresso è stato consideratoassimilato alla parete opaca. 15

16 2) Calcolo dei parametri termofisici delle strutture STRUTTURE OPACHE Solaio di copertura: o Trasmittanzatermica: GRANDEZZE s λ C R STRATO MATERIALE [m] [W/mK] [W/m 2 K] [m 2 K/W] 1(esterno) Adduttanza esterna 25,0 0,040 2 Pavimentazione da esterno 0,025 1,000 40,0 0,025 3 Massetto con argillaespansa 0,050 0,210 4,2 0,238 4 Polistirene espanso 0,060 0,035 0,6 1,714 5 Cartone catramato 0,010 0,500 50,0 0,020 6 Solaio in C.A. e pignatte 0,260 2,9 0,350 7 Intonaco in malta dicalce 0,015 0,900 60,0 0,017 8(interno) Adduttanza interna 10,0 * 0,100 TOTALI 0,42 2,504 * Si considera sia d'estate che d'inverno l'adduttanza interna massima (flusso ascendente) a favore della sicurezza. Trasmittanza termica(u) 0,399W/m 2 K o Fattore di assorbimento solare = 0,3 (piastrelle del terrazzo chiare) o Dimensioni dei solai disperdenti = SUPERFICIE LORDA DEL SOLAIO DISPERDENTE Verso l'esterno Verso locali NON CLIMATIZZATI ESPOSIZIONE [m 2 ] [m 2 ] Orizzontale 97,00 0 o Incremento delle dispersioni per ponti = 10% (Fpt = 1,1) 16

17 Larghezza Larghezza== 1,0 m Altezza Altezza== 1,3 m Area Area totale totale== 1,3 mq Spessore cm Spessore telaio telaio== 8 Area Area trasparente trasparente == 0,775 mq Area Area opaca opaca== 0,525 mq Fattore Fattoredi ditelaio telaio== 40,4% Ing. Marco Cecconi Corso d i fisica tecnica ambientale per l architettura 15

18 2) Calcolo dei parametri termofisici delle strutture COEFFICIENTE DI SCAMBIO TERMICO PER TRASMISSIONE VERSO L'AMBIENTE ESTERNO H =(AUf ) +(AUf ) +(AUf ) H tr,e,v =(AU f ) +(AU f ) eq pt eq pt tr,e,o pt tr,nord,o pt tr,sud,o pt tr,up,o tr,nord,v tr,sud,v SUPERFICI OPACHE v. esterno SUPERFICI VETRATE v. esterno Ae,o Uo Fpt Htr,e,o Ae,v Uv Fpt Htr,e,v ESPOSIZIONE [m 2 ] [W/m 2 K] [W/K] [m 2 ] [W/m 2 K] [W/K] Nord Sud Est Ovest Orizzontale 27,72 1,212 27,72 1,212 97,00 0,399 1,10 1,10 1,10 37,0 37,0 42,6 3,9 3,991 3,9 3,991 1,00 1,00 15,6 15,6 TOTALE 152,44 116,5 7,8 31,1 TOTALE H tr,e,o =116,5W /K H tr,e,v =31,1W /K 18

19 2) Calcolo dei parametri termofisici delle strutture COEFFICIENTE DI SCAMBIO TERMICO PER TRASMISSIONE VERSO SPAZI NON CLIMATIZZATI H =(AUb f ) tr,nc tr pt tr,scale b tr = Fattore di riduzione del ΔT esterno dovuto allo spazio non climatizzato [adim] 19

20 2) Calcolo dei parametri termofisici delle strutture COEFFICIENTE DI SCAMBIO TERMICO PER TRASMISSIONE VERSO SPAZI NON CLIMATIZZATI H =(AUb f ) tr,nc tr pt tr,scale SUPERFICI verso spazi non climatizzati Ao,nc Unc btr Fpt Htr,nc ESPOSIZIONE [m 2 ] [W/m 2 K] [W/K] Nord Sud Est Ovest Orizzontale TOTALE TOTALE 32,60 32,60 1,093 0,60 1,10 23,5 23,5 H tr,nc =23,5W /K 20

21 3) Calcolo dei flussi sensibili TOTALE DEGLI SCAMBI TERMICI PER TRASMISSIONE q tr =q tr,e,o +q tr,e,v +q tr,nc = =(H +H +H ) T= tr,e,o tr,e,v tr,nc Scambio termico per trasmissione di picco invernale: q tr,peak,inv =(116,5+31,1+23,5)(0 20)= 3423W Scambio termico per trasmissione di picco estivo: q tr,peak,est =(116,5+31,1+23,5)(35 26)=1540W 21

22 3) Calcolo dei flussi sensibili TOTALE DEGLI APPORTI SOLARI q sol =q sol,o +q sol,t Potenza ricevuta per irraggiamento diretto da componenti trasparenti [W] Potenza ricevuta per irraggiamento dei componenti opachi (e successivamente trasmessa all'interno)[w] Potenza totale ricevuta per irraggiamento [W] 20

23 3) Calcolo dei flussi sensibili APPORTI SOLARI DEI COMPONENTI OPACHI q sol,o = F sh a sol I sol R s,est AU NOTA: Viene trascurato l apporto solare dei telai (opachi) delle finestre. Apporto termico solare da pareti opache invernale: q sol,o,inv =0W Apporto termico solare da pareti opache estivo: SUPERFICI OPACHE IRRAGGIATE Fsh a,sol Isol Rs,est A U qsol,o ESPOSIZIONE [W/m 2 ] [m 2 K/W] [m [m 2 ] [W/m 2 K] [W] Nord Sud Est Ovest Orizzontale TOTALE 1,00 1,00 1,00 0,20 0,20 0,30 283,0 368,0 940,0 0,04 0,04 0,04 27,72 27,72 97,00 152,44 1,212 1,212 0,399 76,1 98,9 437,0 612 q sol,o,est =612W 23

24 3) Calcolo dei flussi sensibili APPORTI SOLARI DEI COMPONENTI VETRATI q sol,t = F sh (1 F F )gai sol,p Apporto termico solare da pareti vetrate invernale: q sol,t,inv =0W Apporto termico solare da pareti vetrate estivo: SUPERFICI VETRATE IRRAGGIATE Fsh Ff g Isol A qsol,t ESPOSIZIONE [W/m 2 ] [m 2 ] [W] Nord Sud Est Ovest Orizzontale TOTALE TOTALE 1,00 1,00 0,40 0,40 0,75 0,75 283,0 368,0 3,90 3,90 7,80 493,6 641, q sol,t,est =1135W 24

25 3) Calcolo dei flussi sensibili TOTALE DEGLI APPORTI SOLARI q sol =q sol,o +q sol,t Apporto termico solare totale invernale: q sol,peak,inv =0W Apporto termico solare totale estivo: q sol,peak,est = =1747W 25

26 3) Calcolo dei flussi sensibili FLUSSI PER VENTILAZIONE/INFILTRAZIONI q ve,sens =ρc p g ve T..dove: g ve = nv 0,5 226 m = =0, s 3 Flusso termico sensibile di picco per ventilazione verso l'aria esterna invernale: q ve,peak,inv =1, ,0314 (0 20)= 760W Flusso termico sensibile di picco per ventilazione verso l'aria esterna estivo: q ve,peak,est =1, ,0314 (35 26)=342W 26

27 3) Calcolo dei flussi sensibili APPORTI INTERNI N q int,sens = q k,sens k=1 Apporti interni sensibili di picco invernali: q int,peak,inv =0W Apporti interni sensibili di picco estivi: q int,peak,est =3900W APPORTO TERMICO FONTE [W] Persone 360 Frigorifero 200 Illuminazione 300 2computer 300 Scaldabagno 100 Cucina Forno TOTALE TOTALE

28 4) Calcolo del bilancio termico sensibile CARICO TERMICO SENSIBILE ISTANTANEO q u,sens = q tr + q sol + q ve,sens + q int,sens [W] Carico termico sensibile utile di picco invernale: q u,sens,peak,inv = ( )=4183W Carico termico sensibile utile di picco estivo: Potenza termica da introdurre per compens. le dispersioni massime invernali. q u,sens,peak,est = =7529W ATTENZIONE: Si tratta di carichi utili (o netti), poiché sono quelli necessari in ambiente. Per poter dimensionare gli impianti occorre aggiungere anche le perdite dovute ai componenti dell'impianto(es. tubazioni). Potenza termica da sottrarre per compensare gli apporti massimi estivi. 26

29 GRAZIE DELL ATTENZIONE Ing. Marco Cecconi 27