TRANSITORIO TERMICO DEGLI EDIFICI Al fine di giungere ad un corretto dimensionamento degli impianti termotecici. È necessario conoscere il comportamento termico degli edifici al variare del tempo, più precisamente come variano le condizioni interne di temperatura e umidità (la velocità dell aria è di solito controllata dagli stessi impianti di distribuzione) al variare delle condizioni climatiche esterne. Le condizioni climatiche esterne, come noto, dipendono dall ubicazione dell edificio (latitudine, orografia, presenza di masse d acqua come mare, laghi o fiumi, presenza di altri edifici nelle vicinanze). Inoltre, le condizioni climatiche esterne non sono mai stabili durante il giorno ma continuamente variabili anche e soprattutto per la periodicità dell alternarsi del dì e della notte e quindi per la variazione della radiazione solare nel periodo diurno dall alba al tramonto. Mentre l applicazione della Legge 10/91 non presenta particolari difficoltà, lo studio dell evoluzione temporale delle condizioni microclimatiche di un edificio necessità di nozioni più approfondite di trasmissione del calore e di modellizzazione numerica, essendo l edificio un sistema complesso. REGIME PERIODICO STABILIZZATO L evoluzione termica degli edifici è caratterizzata fortemente dal comportamento delle pareti esterne in condizioni di transitorio termico. Sebbene lo studio delle condizioni variabili sia in generale complesso, è possibile fare ricorso ad opportune semplificazioni utili per una piena comprensione del fenomeno. Ad esempio è possibile considerare una variazione delle condizioni termoigrometriche esterne in accordo con un armonica semplice di periodo temporale costante (es. una sinusoide) e che gli effetti della risposta propria del sistema edificio siano trascurabili rispetto a quella forzata, ottenendo il cosiddetto regime periodico stabilizzato. Se consideriamo ad esempio la temperatura esterna, essa varierà tra un minimo (solitamente raggiunto prima dell alba) ed un massimo (raggiunto dopo il mezzogiorno), secondo una legge non sinusoidale per effetto delle variazioni climatiche giornaliere (nubi, vento, pioggia, ), ma considerando la periodicità della variazione della temperatura giornaliera, i può sempre pensare di ricorrere ad una espansione in serie di Fourier. Risolvere il problema del transitorio stabilizzato per un onda sinusoidale permette di risolvere anche qualunque altro regime periodico rappresentabile come somma di onde sinusoidali. Parete piana seminfinita Per una parete piana, nelle ipotesi semplificative di: - flusso termico sinusoidale e perpendicolare alla superficie; - mezzo omogeneo ed isotropo; - spessore seminfinito, imponendo come condizioni al contorno una temperatura esterna forzante del tipo: Consideriamo una parete piana sotto particolari ipotesi semplificative (supponendo il flusso termico di tipo sinusoidale e di direzione perpendicolare alla superficie, il mezzo isotropo e omogeneo e di spessore seminfinito) e imponiamo le condizioni iniziali spaziali (temperature sulle due facce esterne) corrispondenti ad una temperatura esterna forzante del tipo: ( θ ) ( ωθ ) T = T + Tˆ sin (1) dove T è il valore medio della temperatura, ˆ T è la massima variazione attorno al valore medio (ampiezza), ω è la pulsazione e θ il tempo, si ottiene una risposta in temperatura del tipo: ( ) ˆ γ x, θ sin( ω θ γ ) T x = T + T e x (2)
con: ω = 2 π f (3) f = 1 θ0 con 0 θ periodo pari alle 24 h (4) γ = ω 2 α fattore di attenuazione spaziale (5) k α = diffusività termica (6) ρ c k x ϕ = sfasamento temporale dell onda termica trasmessa (7) ω Si noti che il comportamento dipende essenzialmente dalla diffusività termica. La risoluzione analitica del problema diviene complessa allorquando si prende in esame il caso reale di un mezzo non omogeneo e di spessore finito quale ad esempio una parete multistrato, essendo il comportamento della parete influenzato oltre che dai classici parametri termofisici (spessore, conducibilità termica, diffusività termica, conduttanze superficiali), anche dalla distribuzione spaziale dei vari strati (stratigrafia della parete). RISCALDAMENTO E RAFFREDDAMENTO DI UN CORPO Nel caso di un corpo per il quale si osserva un Bi<0.10, è possibile trascurare la dipendenza della temperatura con le coordinate spaziali, che pertanto sarà solo funzione del tempo: ( θ ) ( ) 0 ha θ mc T = T + T T e (8) dove T è la temperatura del fluido, T 0 è la temperatura iniziale, h è la conduttanza superficiale, m è la massa del corpo, A è la superficie lambita dal fluido e c è il suo calore specifico. E possibile, inoltre, definire un parametro fondamentale quale la costante di tempo τ : mc ρ V c τ = = h A h A (9) Una maggiore massa e quindi una maggiore capacità termica comporta un maggior tempo di raffreddamento o di riscaldamento, a parità di resistenza termica. Questo è proprio quel che avviene anche negli edifici, considerabili in prima approssimazione come un corpo omogeneo. Maggiore è la sua capacità termica, maggiore sarà il tempo di raffreddamento/riscaldamento e pertanto saranno minori le oscillazioni termiche. Dopo un tempo pari ad una costante di tempo, la variazione della temperatura rispetto a quella iniziale sarà pari a 0.6321 ( T0 T ), mentre dopo 5 costanti di tempo sarà pari a 0.9933 ( T0 T ), ossia il transitorio è praticamente esaurito. E, inoltre, possibile scrivere la costante di tempo come:
mc V ρ c τ = = h A A h (10) concludendo che la costante di tempo è tanto maggiore (per cui si hanno periodi di raffreddamento e di riscaldamento lunghi) quanto maggiore è, a parità del rapporto ρ ch, il rapporto V/A, cioè il rapporto di forma dell oggetto. L igloo esquimese, avendo forma emisferica (la sfera ha minor superficie disperdente a parità di volume), presenta il valore V/A massimo, e tale forma è scelta proprio per avere le minime dispersioni energetiche e quindi un maggiore tempo di raffreddamento. Di qui l attenzione della normativa sul risparmio energetico al rapporto V/A dell edificio. COSTANTE DI TEMPO DELL EDIFICIO Il cosiddetto accumulo termico riveste un ruolo fondamentale nei transitori di accensione e spegnimento degli impianti termotecnici. In particolare, sempre che per l edificio sia rispettata l ipotesi di Bi < 0.10, per una variazione sinusoidale della temperatura esterna secondo: ( θ ) ˆ sin ( ωθ) T = T + T (11) e e e ricordando che: dt edificio dθ ( θ ) si ottiene: ( θ ) ( θ ) = H T T edificio e (12) ˆ ( H θ ) H Te Tedificio ( θ ) = e Γ+ Te ω cos 2 2 ( ω θ) H sin ( ω θ) H + ω (13) con: H ω Tˆ e Γ= ( Te Tedificio ( θ = 0) ) + 2 2 H + ω e H h A = (14) ρ cv Diagrammando il grafico della temperatura dell edificio in funzione del tempo, si ottiene il grafico in Fig. 1 relativo ad un tipico caso estivo. Come si nota, al crescere della costante di tempo, l edificio risente meno delle oscillazioni della temperatura esterna.
35 33 Temperatura esterna 1 h 5 h 10 h 31 29 27 T/( C) 25 23 21 19 17 15 0 1 2 3 4 5 6 7 tempo/g Fig. 1 Influenza della costante di tempo Un edificio con minore massa (edificio moderno), ha delle oscillazioni termiche maggiori rispetto ad un edificio antico (maggiore massa), seguendo maggiormente l andamento della temperatura esterna. Il calcolo della costante di tempo dell edificio può essere eseguito come segue: τ edificio (, ) ( ) mc T mi ci Tcomponente i Te = = K A T + n V c T C V T T g edificio e (15) Mentre le masse interne dell edificio (quelle non in contatto con l ambiente esterno) concorrono interamente al calcolo della costante di tempo, diverso è il discorso per le masse perimetrali, la cui partecipazione è proporzionale all accumulo di energia interna, sempre rispetto alla T e. Nel normale caso di parete multistrato, si osserva che nel caso in cui l isolante è posizionato all esterno, partecipa totalmente, se la posizione dell isolante è intermedia parteciperà solo la parte compresa tra aria interna e l isolante, mentre se è posizionato internamente la partecipazione della parete all accumulo termico è trascurabile. Come la disposizione dell isolante influenzi l andamento della temperatura della parete è deducibile dalla Fig. 2, in cui è diagrammato l andamento della temperatura interna di parete per una parete multistrato le cui caratteristiche sono riportate in Tab. I: Tab. I Caratteristiche termofisiche della parete multistrato Strato k/(w/(m K)) c/(j/(kg K)) ρ/(kg/m 3 ) s/m 1 2 450 3000 0.20 2 2 450 3000 0.20 3 0.05 800 2000 0.05
Per la conduttanza superficiale interna ed esterna si è assunto un valore pari a 20 W/(m 2 K) e 5.0 W/(m 2 K), rispettivamente: Inoltre, per la temperatura esterna estiva, temperatura esterna invernale ed interna un valore di 2 π θ Te C = 26+ 7 sin 86400, 2 π θ Te C = 7 sin 86400 e 20 C, rispettivamente. 21.0 20.9 20.8 20.7 20.6 T/ C 20.5 20.4 20.3 20.2 20.1 20.0 20 isolante interno isolante intermedio isolante esterno 0 2 4 6 8 10 12 14 tempo/g a) 19 T/ C 18 isolante interno isolante intermedio isolante esterno 17 0 2 4 6 8 10 12 14 tempo/g b) Fig. 2 Andamento della temperatura interna di parete al variare della posizione dello strato di isolante per il caso a) estivo e b) invernale.
Come è possibile notare il posizionamento dell isolante termico verso l esterno riduce le oscillazioni della temperatura. TEMPERATURA ARIA-SOLE Si tratta di una temperatura equivalente che tiene conto della compresenza di scambi termici conduttivi e convettivi con l ambiente esterno e dell irraggiamento solare. Consideriamo la parere in Fig. 3, con gli scambi termici ad essa relativi. Volta celeste T c G T e q q r q c T s rg Fig. 3 Scambi termici di una parete Il bilancio termico porta a scrivere: 4 4 ( s c ) c ( s e) ( ) ( ) ( ) q = α G+ σ ε T T + h T T = = α G+ h T T + h T T = h T T r s c c s e c s aria sole (16) da cui: α G h T = T + + T T (17) ( ) r aria sole e c s hc hc e trascurando il termine h r si ottiene: T aria sole α G = Te + (18) h c
Pertanto la Temperatura aria-sole è quella temperatura fittizia dell aria esterna che produrrebbe, attraverso una parete in ombra, lo stesso flusso termico che si ha nelle condizioni reali, ossia sotto l azione simultanea della temperatura esterna e della radiazione solare, e dipende dal fattore di assorbimento della superficie, dall irradiazione solare e dallo scambio termico convettivo. Questo spiega perché in una zona d ombra, a parità di temperatura dell aria esterna, si ha una sensazione di temperatura inferiore rispetto ad una zona soleggiata e spiega il perché della prevalenza del bianco come colore esterno di edifici in zone calde (basso coefficiente di assorbimento a basse lunghezze d onda). In genere è possibile ritenere nel campo delle lunghezze d onda della radiazione solare un valore del coefficiente di assorbimento variabile da 0.15 a 0.70. Alcuni esempi sono riportati in Tab. II. Tab. II Coefficienti di assorbimento per alcuni materiali Materiale α solare α infrarosso Intonaco bianco 0.12 0.91 Pittura Bianca 0.20 0.91 Pittura ad olio verde 0.50 0.90 Pittura ad olio rossa 0.74 0.90 Mattoni rossi 0.55 0.92 Marmo 0.60 0.90 Per i colori chiari il fattore di assorbimento solare è piccolo (0.15 0.3), ed essendo la parete opaca, in condizioni di regime stazionario, la radiazione solare assorbita viene riemessa nell infrarosso con un emissività nell ordine di 0.9, pertanto la temperatura della superficie esterna risente poco di tale effetto. Nel caso di materiali riflettenti (ad esempio pellicole di alluminio), il coefficiente di assorbimento nel solare è molto basso, nell ordine di 0.1 0.3, mentre nell infrarosso è nell ordine di 0.4 0.6. In tal caso la parete assorbe poca energia solare, ma ne riemette ugualmente poca, quindi si osserva un leggero incremento di temperatura. Nel caso di materiali metallici questo effetto è ulteriormente esaltato. Bisogna pertanto prevedere degli appositi distanziatori sulla parete in modo da non causare un indesiderato innalzamento della temperatura degli strati adiacenti per conduzione. PARETI VETRATE Nello studio del comportamento termico delle pareti vetrate è necessario considerare che i vetri sono trasparenti alla luce solare (basse lunghezze d onda), ma non all infrarosso (alte lunghezze d onda). Effetto serra nell edilizia residenziale L effetto serra negli edifici è dovuto al comportamento non simmetrico delle pareti vetrate rispetto all irraggiamento, come precedentemente menzionato. In Fig. 4 è rappresentato il tipico andamento del coefficiente di trasmissione t, al variare della lunghezza d onda, per alcuni tipi di vetro.
λ/ Fig. 4 Andamento del coefficiente di trasmissione per alcuni tipi di vetro, al variare della lunghezza d onda Il vetro comune presenta un valore del coefficiente di trasmissione molto alto tra 0.2 e circa 3 µm, lasciando passare la quasi totalità della radiazione solare (vedi Fig. 5). Pertanto la radiazione solare penetra negli ambienti riscaldandoli. A loro volta gli ambienti, considerati come corpi neri alla temperatura di 25 C, emettono con un massimo alla lunghezza d onda di circa 9.7 µm (legge di Wien). Tuttavia tale energia rimane intrappolata nell ambiente, poiché il vetro non la lascia passare, portando ad un innalzamento della temperatura interna del locale. Grandi superfici vetrate, pertanto, pur avendo un gradevole effetto architettonico, debbono essere considerate con attenzione poiché creano un incremento del carico termico da smaltire in estate ed un incremento del fabbisogno energetico dell edificio in inverno. Per ridurre l effetto serra, si utilizzano particolari tipi di vetro ottenuti aggiungendo ossidi metallici (argento, oro, alluminio, ecc.), che possono arrivare a ridurre anche dell 80% il coefficiente di trasmissione rispetto al vetro classico. Fig. 5 Spettro
BILANCIO TERMICO IN TRANSITORIO DELL EDIFICIO L interazione termica tra edificio ed ambiente può essere scritta in via del tutto generale come: Q + Q Q = Q (19) ingresso generato uscita dove col termine generato si intende l interazione termica dell impianto termotecnica e quella dovuta ad eventuali sorgenti interne (lampade, elettrodomestici, ecc.). In particolare possiamo scrivere: Qingresso = K A T + I A f per pareti e finestre confinanti con ambienti a temperatura diversa da quella considerata (20) dove f è il fattore di ombreggiamento e I è l irradiazione solare. uscita ventilazione per tutte le altre pareti (21) Q = K A T + n V T Bisogna spendere qualche ulteriore parola sul problema dell accumulo termico Q. E possibile scriverlo come: T Q= m c i i i (22) i θ Si noti che esso dipende da tutti ci corpi presenti nell edificio e dalla loro temperatura ed è pertanto di difficile calcolo. Esso inoltre svolge la funzione di volano, smorzando le variazioni della temperatura interna. Un esempio dell efficacia dell accumulo termico si ha osservando l evolversi della temperatura interna nelle cattedrali e nei castelli, ed in tutte quelle strutture dove sono presenti grandi masse murarie. E allora necessario dotare gli edifici di masse di accumulo, ad esempio con murature (soprattutto interne) spesse, tuttavia in contrasto con la tendenza odierna di utilizzare materiali leggeri e manufatti industriali capaci di un elevato isolamento termico ma di bassa capacità termica. Tuttavia, non basta una buona capacità termica, ma è necessaria anche una buona capacità di restituzione o di immagazzinamento dell energia. Quest ultimo aspetto è legato al fattore di attenuazione, già incontrato in precedenza. Tuttavia per pareti di spessore finito è necessario anche introdurre un ulteriore parametro, detto effusività, che è dato da: B = k ρ c (23) I materiali che hanno elevata capacità termica e contemporaneamente sono buoni conduttori di calore hanno più elevata effusività termica e rispondono meglio all esigenza di attenuare le oscillazioni termiche interne poiché sono in grado di immagazzinare e di cedere energia con maggiore velocità e quindi più prontamente rispetto alle sollecitazioni esterne. Particolare attenzione meritano le pareti interne, rivestendo un ruolo fondamentale nei transitori di accensione e spegnimento degli impianti, nonché nella regolazione di tali impianti. Bisogna pertanto fare alcune considerazioni in fase progettuale: progettuali: - L ordine di grandezza del calore specifico dei materiali da costruzione è nell ordine di 1 kj/(kg K). Per aumentare l accumulo termico bisogna pertanto ricorrere a masse elevate e/o ad innalzamento della temperatura media dei materiali;
- La funzione di accumulo termico e quella di isolamento dovrebbero essere deputate a materiali diversi (isolamento agli isolanti e accumulo alla parte strettamente strutturale (calcestruzzo)); - E necessario sincronizzare il momento di accumulo termico e quello di cessione all ambiente (es. accumulo di giorno e rilascio di notte). Questo potrebbe essere ottenuto con un isolamento termico variabile delle masse di accumulo facendo si che la superficie di tali masse vangano a contatto con l aria interna nel momento desiderato. Inoltre, nel caso invernale l aria esterna è a temperatura inferiore, è necessario isolare termicamente verso l esterno le masse di accumulo. Nel caso invernale, con impianto termotecnica funzionante, l aria interna si porta ad una temperatura maggiore di quella delle masse murarie e pertanto si verifica cessione di energia termica a tali masse. All atto dello spegnimento dell impianto, a seguito degli scambi termici con l ambiente esterno e per infiltrazioni, l aria interna assume una temperatura inferiore a quella delle masse di accumulo e pertanto si osserva un inversione di segno negli scambi termici (sempre che queste ultime siano isolate termicamente dall ambiente esterno). Durante il periodo estivo il comportamento è simmetrico. Durante il giorno le rientrate termiche tendono a riscaldare non solo l aria interna ma anche le masse di accumulo. Al tramonto, il fenomeno tende ad invertirsi. Inoltre, durante le prime ore serali, l aria esterna ha una temperatura sufficientemente bassa da poter essere utilizzata per ventilare le strutture di accumulo ed evitare che queste cedano potenza termica all ambiente interno. TRANSITORIO TERMICO DEGLI AMBIENTI Per considerare il transitorio termico dei singoli ambienti, prendiamo in esame il caso semplice di un locale parallelepipedico. Per ciascuna delle 6 pareti è possibile scrivere: dti αi Ai mi ci = Ψ i he,i Ai ( Taria sole Ti) + Ψ 6 i Gi fi Ai + dθ α A h K A Φ K A T T T T j= 1 ii i i ( ) ( ) i i i i t i a hii + Ki j j (24) con 0 pareti interne Ψ 0 eccetto il soffitto i = Φi = (25) 1 pareti esterne 1 soffitto Per il pavimento è possibile andare a considerare lo scambio termico con un corpo seminfinito avente una temperatura praticamente costante al variare della stagione. Per l aria, inoltre, possiamo scrivere: dt h K A m c = K T K T + n V c T T + 6 a ii i i a a i i a a a a e a dθ i= 1 hii + Ki ( ) ρ ( ) ( ) + Q + Q + Ψ K T T int imp i vi a e (26) Inoltre, si noti che nella risoluzione delle equazioni, i vari ambienti non interagiscono termicamente tra loro solo se nell evoluzione temporale le loro temperature sono uguali, altrimenti tale interazione termica deve essere tenuta in conto.