IMPIANTI DI CLIMATIZZAZIONE

IMPIANTI DI CLIMATIZZAZIONE parti 1 2 1

PREMESSA Finalità di un qualsiasi impianto tecnico è: creare condizioni idonee per il normale svolgimento dell attività umana all interno o all esternodiambienti allesternodiambienti confinati; oppure consentire lo svolgimento di lavorazioni industriali e produttive in genere. Nel primocasosipuò parlare di impiantitecnici ad uso ambientale mentre nel secondo di impianti ad uso produttivo. Il corso si occuperà solamente di impianti ad uso ambientale. 2

Impianti per edifici i civili ili All inizio del 900 gli edifici presentavano una percentuale di impianti (in tutti i sensi) non superiore al 3 % del costo totalet degli immobili. Nel migliore dei casi erano dotati di un impianto fognario (generalmente un pozzo nero esterno) eun impianto idrico interno. Successivamente gli edifici hanno iniziato ad essere dotati di impianti elettrici (destinati quasi esclusivamente all illuminazione interna) e di impiantii i di riscaldamento (generalmente a circolazione naturale). 3

L incidenza impiantistica è così salita fino al 10 12 % del costo di costruzione. Attualmenteessasiaggiraintornoal20 25% per la diffusione della telefonia, dei sistemi di sollevamento (ascensori), degli impianti di climatizzazione (invernali ed estivi) e più in generale deiservizi diautomazione. Tale percentuale è destinata ad aumentare per il costante aumento di domandad di impiantii i ancora più complessi ed estesi (domotica, ecc.). 4

Impianti di climatizzazione Un impianto di climatizzazione completo svolge la funzione di regolare e controllare i seguenti parametri: temperatura dell aria interna umidità relativa dell aria interna rinnovo dell aria ambiente e filtrazione velocità dell aria nella zona occupata dalle persone 5

A seconda della completezza un impianto di climatizzazione i assume nomi diversi. i Ad es. impianto di riscaldamento impianto di raffrescamento impianto di ventilazione impianto di termoventilazione (invernale, estivo) impianto di condizionamento (invernale, estivo) ecc. 6

Impianti di riscaldamento Un edificio dotato di impianto di riscaldamento può essere considerato un sistema termodinamico aperto in cui avvengono trasformazioni isobare e isocore con scambi di energia e materia attraverso l involucro edilizio con l ambiente circostante. t 7

Sotto tali ipotesi, il 1 principio della termodinamica può scriversi (in forma diffenziale): dove dq = dh = du dq è lo scambio elementare complessivo di energia (termica) specifica con l ambiente lambiente circostante (J/kg) dh è la variazione di entalpia specifica del sistema (J/kg) du è la variazione di energia interna specifica del sistema (J/kg) 8

Se per semplicità ipotizziamo che all interno del sistema edificio l entalpia rimanga costante, il primo problema impiantistico da risolvere sarà quello di calcolare gli scambi energetici attraverso l involucro edilizio unitamente agli eventuali apporti energetici interni (dovuto ad es. alla presenza di sorgenti termiche). Non si può quindi progettare un impianto di climatizzazione senza prima conoscere le problematiche connesse all interazione i edificio i impianto. 9

In termini finiti, t, il 1 principio cpo della termodinamica può esplicitarsi nella seguente relazione: dove φs + φi φd φv = ΔH φs = potenzadellaradiazionesolareentrante di i l t t (W) φi = potenza degli apporti interni (W) φd = potenza dispersa per trasmissione (W) φv = potenza dispersa per rinnovo aria (W) 10

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Calcolo in regime stazionario L evoluzione termica degli edifici è sempre non stazionaria ma la sua valutazione in forma dinamica comporta notevoli difficoltà di calcolo e specifica conoscenza di dati di ingresso non sempre disponibili o sicuri. Il regime stazionario è una semplificazione a cui si ricorre nelle più usuali applicazioni impiantistiche dato che fornisce risultati affetti da errori compatibili con le finalità perseguite. 13

Il regime stazionario è molto utile per individuare id il fbbi fabbisogno termico in condizioni i i di picco (potenza termica in condizioni di massimo carico). Il regime variabile (ovvero una sua simulazione mediante l impiego di termini correttivi applicati al regime stazionario) è invece essenziale per valutare il consumo energetico del sistema edificio impianto i i i nell arco di un intera stagione di riscaldamento. 14

fabbisogno termico invernale (UNI EN 12831) Il fabbisogno termico in condizioni di picco si valuta ipotizzando: la temperatura dell aria esterna costante e pari al valore minimo di progetto l assenza lassenza diqualsiasi apportodi calore sia interno che esterno E quindi necessario calcolare l solamente i termini i φdφ e φvφ della relazione generale (gli altri sono cautelativamente ritenuti nulli). 15

dove: Φd = (He + Hue + Hg + Hj ) (ti te ) He è il coefficiente di dispersione termica per trasmissionediretta verso l esterno (W/K); Hue è il coefficiente di dispersione termica per trasmissioneverso spazinonriscaldati (W/K); Hg è il coefficiente di dispersione termica per trasmissione verso il terreno (W/K); Hj è il coefficiente di dispersione termica per trasmissione verso spazio adiacenti mantenuti a temperatura diversa da quella dell ambiente di cui si calcola il fabbisogno termico (W/K); ti è la temperatura interna di progetto ( C); te è la temperatura esterna diprogetto ( C). 16

Il coefficiente He è pari a: dove: Ak He = Σ Ak Uk ek + Σ Ψi Li ei è area del k esimo elemento dell involucro edilizio (m 2 ); ek, ei sono i corrispondenti fattori maggiorativi di correzione per l esposizione Uk è la trasmittanza termica del k esimo elemento dell involucro edilizio (W/m 2 K) Li Ψi è la lunghezza dell i esimo ponte termico lineare dell involucro edilizio (m) è la trasmittanza termica lineare dell i esimo ponte termico lineare (W/mK). 17

Il coefficiente i Hue è pari a: dove: Hue = Σ (Σ Akj Ukj + Σ Ψij Lij) buj Akj, Ukj, Lij, Ψij hanno lo stesso significato ifi dei corrispondenti termini Ak, Uk, Li, Ψi utilizzati per calcolare He salvo che fanno riferimento a parti dell involucro edilizio confinanti con j esimo spazio non riscaldato invece che con l esterno; buj è un fattore adimensionale di riduzione della temperatura, che tiene conto della differenza tra la temperatura dello spazio non riscaldato e la temperatura esterna di progetto. 18

bu può essere calcolato tramite la relazione: dove b bu = (ti tu) / (ti te) tu è la temperatura del locale non riscaldato, nelle condizioni di progetto ( C). In alternativa si possono utilizzare, quando applicabili, i dati tabulati in appendice D.4.2 della norma UNI EN 12831. Alcuni esempi seminterrato (con infissi esterni): bu = 0,8 sottotetto (falda isolata) bu = 0,7 ambienti con 2 pareti esterne bu =0,5 19

Il coefficiente Hg è generalmente pari a: dove: tm Ak Uequiv,k Hg = 1,45 fg (Σ Ak Uequiv,k) fg = (ti -tm) / (ti -te) è la temperatura esterna media annuale ( C) è area del k-esimo elemento dell involucro edilizio confinante con il terreno (m 2 ) è la trasmittanza termica equivalente del k-esimo elemento dell involucro edilizio confinante con il terreno (W/m 2 K). 20

Uequiv,k dipende essenzialmente da: trasmittanza termica del pavimento dimensioni e posizione e del pavimento rispetto al terreno dimensioni, posizione e proprietà delle pareti confinati col pavimento. La norma UNI EN 12831 consente di calcolare il valore della trasmittanza termica equivalente in modo semplificato ricorrendo al appositi diagrammi e/o tabelle di calcolo. 21

Esempiodivaluzione grafica diuequiv,k (pavimento appoggiato su terreno) B = Area pavimento/semiperimetro pavimento 22

Il coefficiente Hj èparia: dove: Hj = Σ Ak Uk fj Ak, Ukj hanno lo stesso significato dei corrispondenti termini i utilizzati per calcolare l He salvo che fanno riferimento a parti dell involucro edilizio confinanti con j-esimo spazio riscaldato a temperatura diversa. fj = (ti -tj) / (ti -te) tj è la temperatura a dello spazio j-esimo nelle e condizioni di progetto ( C) 23

dove c ρ Φv =cρ ρ G(tiG - te) è il calore specifico dell aria a pressione costante (circa 1000 J/kg C) è la densità dell aria in condizioni standard (circa 1,225 kg/m 3 ) G è la portata dell aria di ricambio (m 3 /s) Di conseguenza Φv = (1225/3600) n Va (ti( -te) = 0,34 n Va (ti( -te) dove n è il numero di ricambi orari dell aria ambiente (h -1 ) Va è il volume netto dello spazio riscaldato (m 3 ) 24

Calcolo in regime variabile Il calcolo del fabbisogno termico in regime variabile richiede la risoluzione i dell equazione generale delle conduzione di Fourier che, essendo un'equazione differenzialei del secondo ordine alle derivate parziali, non ammette in genere semplici soluzioni. Un caso semplificato di regime variabile ma significativo ai fini della valutazione del comportamento t dell involucro l edilizio i (ad es. parete esterna) è quello del regime periodico stabilizzato. Esso presuppone che la temperatura interna rimanga costante la temperatura esterna vari con legge periodica nell arco delle 24 ore 25

In questo caso l equazione generale di Fourier 2 T = (1/a) T/ τ che nel caso monodimensionale (parete omogenea a facce piane e parallele di estensione infinita) assume la forma T/ x = (1/a) T/ τ deve essere risolta con le seguenti condizioni al contorno: T(s,τ) = ti = cost. T(0,τ) = te =Tm + D sen (ωτ) T(s,0) = ti = cost. T(0,0) = te = Tm 26

dove s èlospessore della parete (m) Tm è la temperatura media esterna ( C) D è la semiampiezza di oscillazione della temperatura (D = Tmax - Tm) ω è la pulsazione dell oscillazione pari a 2πf f è la frequenza di oscillazione (Hz) a è la diffusività termica del materiale costituente la parete (a = λ / ρ c) λ è la conduttività termica (W/m C) ρ è la densità (kg/m 3 ) c è il calore specifico (J/kg C) 27

Assimilando la parete esterna ad una di spessore infinito (semplificazione normalmente accettabile per gli edifici), si perviene al seguente integrale particolare dell equazione di Fourier: T(x,τ) =Tm+De -βx sen (ωτ - βx) dove β=[ω/(2a)] 0,5 =[πρc /(86400 λ )] 0,5 Confrontando T(x,τ) con T (0,τ) si può osservare che ad una profondità x dalla faccia esterna - la temperatura t mantiene lo stesso periodo di oscillazione intorno al valore medio Tm - l oscillazione termica ha un ritardo temporale pari a -βx/ω ed una ampiezza D(x) ridotta a D e -βx 28

Si definiscono i parametri smorzamento (o fattore di attenuazione) fa = e - βx corrispondente al rapporto delle ampiezze di oscillazione dell onda termica alla profondità x e sulla superficie esterna (x=0) sfasamento Φ = -βx/ω corrispondente dalla distanza temporale tra i momenti in cui l oscillazione di temperatura raggiunge g il valore massimo rispettivamente alla profondità x e sulla superficie esterna. 29

La norma UNI EN ISO 13786 estende il calcolo al caso di parete multistrato li (non omogenee) utilizzando ancora i parametri fa e Φ, ovviamente calcolati in modo più complesso. 30

Considerazioni Un materiale con elevata conducibilità termica oppure con bassa capacità termica, avrà una grande diffusività termica. Un alto valore della diffusività termica indica una veloce propagazione del calore, mentre un basso valore di diffusività termica indica che il calore è prevalentemente accumulato nel materiale. Se la scelta della diffusività termica a della parete, è avvenuta in maniera opportuna, le oscillazioni di temperatura esterna potrebbero non essere apprezzate sulla faccia interna della parete stessa. 31

In D.M. 26.06.2009 definisce una classificazione qualitativa del comportamento dei componenti l involucro edilizio di un edificio essenzialmente ai fini del contenimento delle rientrate di calore estivo mediante i parametri fa e Φ. Φ (ore) fa prestazioni classe Φ > 12 fa < 0,15 ottime I 12 Φ >10 015 0,15 fa < 0,30 buone II 10 Φ > 8 0,30 fa < 0,40 medie III 8 Φ > 6 0,40 fa < 0,60 sufficienti IV 6 Φ fa 060 0,60 mediocre V 32