PRESTAZIONI TERMOFISICHE
DELL’INVOLUCRO EDILIZIO
E CARICHI TERMICI
Fabio Sciurpi
Laboratorio di Fisica Ambientale
Dipartimento DIEF, Via San Niccolò 93, Firenze
[email protected]
Le zone climatiche italiane
1
I gradi giorno
Zone climatiche e gradi giorno
2
Zone climatiche e gradi giorno
Dati climatici
3
Radiazione solare
4
Il sistema edificio - impianto
1. Edificio
(involucro)
2. Impianto
SISTEMA EDIFICIO - IMPIANTO
L’involucro dell’
dell’edificio
L’involucro edilizio costituisce la superficie di controllo che delimita il sistema
termodinamico “edificio”, ed ha la funzione di controllare i flussi di energia e massa al fine
di garantire le condizioni di comfort negli ambienti confinati, di contenere i consumi
energetici e gli impatti dell’ambiente esterno.
1.componenti opachi
(copertura, pavimento)
1.componenti opachi
(parete verticale)
2.ponti termici
3.componenti finestrati
5
Le prestazioni dell’involucro
Componenti opachi
Coefficiente di conduzione λ (W/mK)
Conduttanza C (W/m2K)
Densità ρ (kg/m3)
Calore specifico cp (J/kg K)
Trasmittanza
termica U
(W/m2K)
Indici di Inerzia
termica
Permeabilità al vapor d’acqua δ (kg/m s Pa)
Fattore di resistenza alla diffusione del vapore μ (-)
Formazione
condensa
Coefficiente di conduzione o conduttività
conduttività termica λ
(UNI 10351e UNI 12524)
Rappresenta l’energia che per conduzione attraversa nell’unità di
tempo lo spessore unitario del materiale per una differenza unitaria di t.
Definisce univocamente l’attitudine di un materiale, omogeneo e
isotropo, a trasmettere il calore quando lo scambio avviene solo per
conduzione.
Funzione dello stato fisico del materiale, della temperatura, della
densità, della posa in opera.
λ è per materiali omogenei o assimilabili (W/mK)
R = s/λ resistenza termica (m2K/W) – almeno tre decimali
λ < 0,065W/mK
isolanti
0,09 <λ < 0,065
deb. isolanti
λ > 0,09W/mK
non isolanti
6
Confronto prestazioni termiche di alcuni isolanti
Coefficiente di conduzione o conduttività
conduttività termica λ
(UNI 10351e UNI 12524)
UNI 10351: 1994 “Materiali da costruzione. Conduttività termica e permeabilità
al vapore”
Valori da utilizzare quando non esistano norme specifiche per il materiale considerato
λm conduttività indicativa di riferimento, in laboratorio alla t=20°C
m maggiorazione percentuale (t=20°C, UR=65%), tiene conto di contenuto percentuale di
umidità, invecchiamento, costipamento.
λ conduttività utile di calcolo
UNI EN 12524: 2001 “Materiali e prodotti per edilizia - Proprietà igrometriche Valori tabulati di progetto”
λ conduttività termica di progetto
7
Conduttanza C
(UNI 10355 - UNI 7357 – UNI 6946)
Flusso di calore che in regime stazionario attraversa 1 m2 di superficie di
un materiale non omogeneo per una differenza unitaria di t.
C è per materiali non omogenei o lame d’aria non ventilate (W/m2K)
R = 1/C (m2K/W)
UNI 10355: 1994 “Murature e solai.
Valori della resistenza termica e
metodo di calcolo”
Fornisce i valori delle resistenze termiche
unitarie (laboratorio o calcolo) di tipologie
di pareti e solai più diffuse in Italia.
UNI EN ISO 6946:1999 “Componenti e
elementi per edilizia - Resistenza
termica e trasmittanza termica Metodo di calcolo”
F=66%
s=37cm
s malta=1,2cm
R=1,06 m2K/W
F=76%
s=24+4cm
R=0,41 m2K/W
Trasmittanza termica dei componenti opachi
UNI EN ISO 6946:2008 “Componenti e elementi per edilizia - Resistenza termica e
trasmittanza termica - Metodo di calcolo”
Serve per determinare la potenza scambiata per trasmissione dall’ambiente interno a
temperatura maggiore con l’ambiente esterno o con ambienti interni a temperatura
minore – regime stazionario – (W/m2K)
1/αi
1/αe
CONV +
IRRAG
CONV +
IRRAG
α coefficiente di adduzione interno ed
esterno (W/m2K)
λ per materiali omogenei o assimilabili (W/mK)
sj/λj + 1/Cj
COND
C per materiali non omogenei o lame d’aria non
ventilate (W/m2K)
8
Densità
Densità o massa volumica ρ (kg/m3)
(UNI 10351e UNI 12524)
Massa volumica del materiale secco. Usato come indice dell’inerzia
termica di un componente edilizio opaco.
Calore specifico o capacità
capacità termica specifica cp (J/kg K)
(UNI 12524)
Quantità di calore da fornire, a pressione costante, all’unità di massa
del materiale per ottenere un aumento unitario di temperatura.
Rappresenta un indice della capacità di un materiale di trattenere,
accumulare il calore. Usato come un indice dell’inerzia termica di un
componente edilizio opaco.
Inerzia termica
L’analisi del comportamento dell’involucro opaco in regime
dinamico tiene conto delle variazioni termiche che avvengono
nel tempo (giorno-notte, ecc.)
SMORZAMENTO = attenuazione dell’ampiezza delle variazioni della
temperatura superficiale interna rispetto a quella esterna; è tanto
maggiore quanto maggiore è l’isolamento termico (λ)
SFASAMENTO = intervallo di tempo con cui le variazioni di
temperatura esterna si trasmettono all’interno; è tanto maggiore
quanto maggiore è la capacità termica volumica della muratura (ρcp)
9
D.lgs. 192/2005 e s.m.i.
La verifica dei componenti di involucro - massa superficiale
La massa superficiale di un componente opaco si calcola con il seguente
algoritmo
(kg/m2)
dove:
ρ è la massa volumica dello strato iesimo (materiale secco) che fa parte
del componente, espressa in kg/m3
(UNI 10351 – UNI EN 1745)
la
sommatoria
Σ
deve
comprendere tutti gli strati ad
esclusione degli intonaci
s è lo spessore dello strato i-esimo
che fa parte del componente, espresso
in m
Indice di inerzia: trasmittanza termica periodica
DPR 59 del 2/4/2009 “Attuazione dell’art.4, comma 1, lettere a) e b)
del D.Lgs. 192/2005 e s.m.i.”
Trasmittanza termica periodica YIE (W/m2K)
E’ il parametro che valuta la capacità di una parete opaca di sfasare ed attenuare il
flusso termico che la attraversa nell’arco delle 24 ore, definita e determinata secondo
le norme UNI EN ISO 13786:2001 e successivi aggiornamenti.
I dati richiesti per calcolare le caratteristiche termiche dinamiche sono:
- coefficiente di conduzione termica λ (W/mK)
- densità ρ (kg/m3)
- calore specifico cp (J/kg K)
10
Indice di inerzia: UNI EN ISO 13786
Metodo delle ammettenze – matrice di trasferimento termico
- Trasmittanza termica periodica YIE (W/m2K)
- Fattore di decremento o di attenuazione (adimensionale)
- Sfasamento (h)
Lasso di tempo tra la massima ampiezza di una causa e la massima ampiezza del suo
effetto.
Dipendono da caratteristiche ed ordine degli strati e dal periodo dell’onda termica ma
non dalle condizioni al contorno
Caratteristiche igrometriche
(UNI 10351- UNI 12524)
⇒ Permeabilità al vapore acqueo δ (kg/m s Pa)
attitudine a trasmettere per diffusione il vapor d’acqua contenuto
nell’aria
⇒ Resistenza al flusso di vapore Rv (m2 s Pa/kg)
si ottiene come rapporto tra lo spessore dello strato e la
permeabilità del materiale Rv = s/δ
⇒ Coefficiente o Fattore di resistenza al passaggio del vapore μ
Resistenza al passaggio del vapore riferita ad un uguale spessore
d’aria
μ = δaria in quiete/ δmateriale
11
Caratteristiche igrometriche
(UNI 10351- UNI 12524)
UNI10351:1994 “Materiali da costruzione. Conduttività termica e permeabilità al
vapore”
Valori da utilizzare quando non esistano specifiche tecniche per il materiale
δa permeabilità al vapore nell’intervallo di UR 0÷50% - campo asciutto (Glaser)
δu permeabilità al vapore nell’intervallo di UR 50÷95% - campo umido
Per tenere in considerazione le effettive condizioni di esercizio dei materiali.
UNI EN 12524:2001 “Materiali e prodotti per edilizia - Proprietà igrometriche Valori tabulati di progetto”
μ Fattore di resistenza al passaggio del vapore
Il confronto: prestazioni igrometriche
100
Resistenza al flusso di vapore
90
80
70
60
50
40
30
20
10
0
Canapa
Kenaf
Fibre di
cocco
Lana di
pecora
Fibre di
legno
Sughero
Fibra di
cellulosa
Polistirene
12
Formazione di condensa
Fenomeno che comporta la condensazione del vapore acqueo contenuto nell’aria,
quando questa subisce un raffreddamento a titolo costante fino ad arrivare alle
condizioni di saturazione.
condensa superficiale
condensa interstiziale
- strutture poco isolate (es. ponti termici)
- strutture mal isolate (isolante malposizionato)
- insufficienti ricambi d’aria
- eccessiva produzione di vapore ed alta UR negli ambienti
La condensazione del vapor acqueo si verifica quando la pressione parziale (pv)
raggiunge la pressione di saturazione (ps è funzione della temperatura) o quando
l’aria viene a contatto con una superficie la cui temperatura è inferiore o uguale
a quella di rugiada (tp≤tR)
Condensa
Quando l’aria viene a contatto con una superficie la cui temperatura è
inferiore o uguale a quella di rugiada (tp≤tR)
t
1 kcal = 4,186 kJ
UR
tR
tp
UR
tp
tR
t
13
Condensa interstiziale – Metodo di Glaser
(UNI EN ISO 13788)
Verifica che le condensazioni interstiziali delle pareti opache sono limitate alla
quantità rievaporabile
Verifica
Verificadel
delrischio
rischiodi
dicondensa
condensainterstiziale
interstizialesu
su
base
mensile
base mensile
Calcolo
Calcolodel
delquantitativo
quantitativodi
dicondensa
condensache
chesi
siforma
forma
nel
periodo
invernale
nel periodo invernale
Verifica
Verificadi
diidoneità
idoneitàdella
della struttura
struttura
Le prestazioni dell’involucro
Componenti opachi
Coefficiente di conduzione λ (W/mK)
Conduttanza C (W/m2K)
Densità ρ (kg/m3)
Inerzia termica
Calore specifico cp (J/kg K)
Permeabilità al vapor d’acqua δ (kg/m s Pa)
Trasmittanza termica U (W/m2K)
Ponti termici
Coefficiente lineare di ponte termico ψ (W/mK)
14
Ponti termici
UNI EN ISO 14683: 2008 “Ponti termici in edilizia. Coefficiente di trasmissione
termica lineica - Metodi semplificati e valori di riferimento”
Specifica metodi semplificati per la determinazione del flusso di calore attraverso i
ponti termici lineari che si manifestano alle giunzioni degli elementi dell’edificio.
La UNI EN ISO 14683 definisce il PONTE TERMICO, come parte dell'involucro
edilizio dove la resistenza termica, altrove uniforme, cambia in modo
significativo per effetto di:
- compenetrazione di materiali con conduttività termica diversa nell'involucro
edilizio (tamponamento in mattoni con struttura in c.a.; attacco serramenti;
giunti tra parete e pavimento o parete e soffitto);
- discontinuità geometrica nella forma della struttura (es. angoli).
Ponti termici
I principali effetti negativi dei ponti termici sono:
-perdite di calore: anche oltre 20% del calore totale disperso da un
ambiente
-condensazione superficiale: ts<tr
-formazione delle muffe: un ponte termico, a causa della
contemporanea presenza di alta UR e bassa temperatura, crea le
condizioni ideali per la formazione di muffe
-danni alla superficie: le variazioni cicliche della ts causano una
polverizzazione dei materiali della struttura
- diminuzione del comfort abitativo: quando la ts interna di una parte
dell’involucro (parete, pavimento…) è inferiore di almeno tre gradi
rispetto alla temperatura dell’ambiente si avverte una sensazione di
disagio in prossimità di tale superficie.
15
Ponti termici
Rappresentano disuniformità di flusso termico dovuto alla forma
geometrica (angoli….) o a confluenza di materiali con prestazioni
termiche diverse (strutture puntiformi….).
La variazione dei flussi termici conduce a una maggiore dispersione
di calore e alla modifica della ts interna con conseguenti ts interne
minori, con possibile formazione di condensa superficiale.
Locale Camera
Umidità da ponte termico negli
spigoli alti della parete esterna
16
Tipologie di ponti termici in edilizia
(UNI EN ISO 14683)
I ponti termici possono essere:
1.
lineari: ponte termico con una sezione trasversale uniforme in
una direzione;
2.
puntuali: ponte termico che non presenta sezioni trasversali
uniformi in nessuna direzione.
Legenda
Gf
R
coperture
B
Balconi
C
Angoli
F
Pavimenti
IW
Pareti interne
P
Pilastri
W
Gf
Serramenti
Solaio a terra
Calcolo delle dispersioni dai ponti termici
Zona corrente
(isoterme parallele)
Zona ponte
termico
Assumono
importanza tanto più
rilevante quanto più
elevata è ΔT e tanto
più
termicamente
isolate sono le zone
correnti.
Il problema del calcolo delle dispersioni si risolve aggiungendo una
dispersione artificiale concentrata lungo le linee di discontinuità.
Il flusso termico disperso da un ponte termico è caratterizzato da:
• lunghezza del ponte termico L (m)
• coefficiente lineare di ponte termico Ψ (tabulato) (W/mK)
17
Atlante dei ponti termici – UNI 14683
Le diverse tipologie di ponti termici vengono
valutate con riferimento a quattro differenti
possibili posizioni dello strato isolante (lo
strato con maggiore resistenza termica):
•sul lato esterno;
•nella parte intermedia;
•sul lato interno;
•uniformemente distribuito nella struttura.
Zona corrente – Isolamento dall’
dall’interno
Isolamento “dall’interno” = rivestire internamente l’involucro con un isolante
Rapidità di messa a regime, perché non è necessario riscaldare tutta la
massa per raggiungere condizioni di regime
Nessun immagazzinamento del calore (annullamento inerzia)
Rischi di condensazione all’interno della muratura
uso di barriera al
vapore sulla faccia calda dell’isolante
Ponti termici
condensa (temperatura di rugiada)
muffe
18
Zona corrente – Isolamento a cassetta
Muratura “a cassetta” = interporre all’interno della cassetta formatasi dai due
elementi di massa specifica elevata un prodotto isolante associato anche
ad uno strato d’aria; prevalentemente associata a strutture in c.a.
Isolamento in intercapedini
Rapidità di messa a regime, perché non è necessario riscaldare tutta la
massa per raggiungere condizioni di regime
Scarsa inerzia
Rischi di condensazione all’interno della muratura
uso di barriera al
vapore sulla faccia calda dell’isolante
Ponti termici
necessità attento studio dei nodi critici
Zona corrente – Isolamento a cappotto esterno
Isolamento “a capotto esterno” = rivestire completamente l’involucro con un
prodotto isolante posto in opera senza soluzione di continuità; può essere
associato sia a strutture in c.a. che in acciaio (tecnologie S/R).
Schermo avanzato anche ventilato
Eliminazione dei ponti termici
Riduzione carichi estivi, smaltire calore.
Eliminazione fenomeni di condensazione superficiale ed interstiziale
Massimo sfruttamento della massa termica della muratura con conseguenti
valori maggiori della temperatura di parete
Buon comportamento in regime dinamico (alta inerzia – strutture pesanti)
19
Zona corrente – Isolamento distribuito
Isolamento “distribuito” = muratura omogenea “monostrato”
Eliminazione fenomeni di condensazione interstiziale
Sfruttamento della massa termica della muratura
Buon comportamento in regime dinamico (alta inerzia – strutture pesanti)
Ponti termici
condensa (temperatura di rugiada)
muffe
Atlante dei ponti termici – UNI 14683
Nodo tra parete esterna e solai di copertura
20
Attenzione ai ponti termici!!
Per una struttura isolata ai limiti del 2010 le dispersioni
attraverso le zone correnti della muratura sono confrontabili
con quelle attraverso i ponti termici:
Esempio zona D copertura piana di
100 m² con U2010 = 0.32 W/m²K
QT = 0.32 *100 * 20 = 640 W
QPT = 0,65 * 40 m * 20 = 520 W
Pari a circa l’81% di QT !!!!!!!!!!!!
Strategie di riduzione dei ponti termici
o Tipologia di isolamento a cassetta:
o Strategia 1: riduzione ponti termici con tavella
21
Strategie di riduzione dei ponti termici
o Tipologia di isolamento a cassetta:
o Strategia 2: riduzione ponti termici con isolante
0,30
Strategie di riduzione dei ponti termici
o Tipologia di isolamento a cassetta:
o Strategia 3: riduzione ponti termici con isolante
22
Controllo Ponti termici/1
Principali tipologie di p.t. che possono
fortemente influire sul comportamento termico
della struttura (UNI EN ISO 14683/2001)
3. Cassonetto/Infisso
1. Solaio/Pilastro
T=10°C
T=17°C
2. Balcone
1. copertura
Controllo Ponti termici/2
2.attacco a terra
23
3.componenti
finestrati
Controllo Ponti termici/3
Controllo Ponti termici/5
Montaggio di opportuni sistemi di schermature solari esterni per il controllo
del surriscaldamento per irraggiamento in regime estivo.
24
Le prestazioni dell’involucro
Componenti opachi
Coefficiente di conduzione λ (W/mK)
Conduttanza C (W/m2K)
Densità ρ (kg/m3)
Inerzia termica
Calore specifico cp (J/kg K)
Permeabilità al vapor d’acqua δ (kg/m s Pa)
Trasmittanza termica U (W/m2K)
Ponti termici
Coefficiente lineare di ponte termico ψ (W/mK)
Componenti trasparenti
Trasmittanza termica telaio Uf (W/m2K)
Trasmittanza termica vetro Ug (W/m2K)
Trasmittanza termica infisso completo Uw (W/m2K)
Fattore solare g
Componenti finestrati di involucro
Attraverso le superfici vetrate in regime invernale avvengono due modalità di
scambio di calore:
• Perdita di calore dall’interno verso l’esterno
• Apporto di energia dall’esterno verso l’interno
Uw
g
25
Trasmittanza termica U dei componenti finestrati di involucro
(UNI EN ISO 10077-1: 2002)
Ug = trasmittanza vetrata
Ψg = trasmittanza distanziatore
UW
Uf = trasmittanza telaio
UW = (Ag Ug + Af U f + Ig Ψg)/(Ag + Af )
(W/m²K)
Aspetti di scambio termico
presi in esame
radiativi
Bassa emissività
conduttivi
convettivi
Conduttivi
di telaio e
del bordo di
unione
Gas speciali e frazionamento
dell’intercapedine
Miglioramento di telai e
distanziatori
26
L’evoluzione tecnologica
•
•
•
•
Vetri semplici
Uso di doppi vetri uniti al perimetro;
Uso di vetri stratificati ai fini acustici;
Incremento dell’isolamento termico
dell’intercapedine vetrata;
• Interventi sul telaio per ridurre le dispersioni
conduttive e aumentare la tenuta all’aria anche
ai fini acustici;
• Trattamento superficiale dei vetri per ridurre
l’irraggiamento.
Trasmittanza termica U del vetro
Vetro semplice
λ= 1 W/mK
Ug = 6 W/m²K
Doppio vetro con altri gas
(4-15-4 con Argon)
Ug = 2,6 W/m2K
Doppio vetro unito al
perimetro (4-6-4)
λ= 0,025 W/mK
Ug = 3,3 W/m2K
Doppio vetro con vetri
bassoemissivi
(4e=0.2-12-4) Ug=2,1 W/m2K
(4e=0.2-12A-4) Ug=1,7 W/m2K
Triplo vetro
(4-12-4-12-4)
Ug = 1,9 W/m2K
27
Trasmittanza termica U del vetro
Miglioramento prestazioni dei vetri (vetrocamera, triplo vetro, ecc.)
Futuro:
Doppio
sottovuoto o
vetrocamera
multifoglio
Vetro
Singolo
Vetrocamera
Basso
emmissivo
Ug [W/m²K]
5,60
2,80
1,20
0,65
0,35
Tem peratura
superficiale
-1,8°C
9,1°C
15,3°C
17,5°C
18,6°C
Valore g
0,92
0,80
0,62
0,48
0,45
Le
temperature
superficiali sono così
alte da non dare
luogo a fenomeni di
asimmetria radiante,
non causando quindi
né fastidiosi scambi
termici
per
irraggiamento
né
correnti
d’aria;
no
condensa.
Bilancio energetico annuale kWh/m²
500
400
300
200
Perdite
Guadagni solari
passivi
Perdite nette
100
0
-100
Guadagni
netti
Trasmittanza termica U del telaio
Telai con taglio termico
(listelli di poliammide)
Uf ≈ 2,7 ÷ 3 W/m²K
Telai in PVC
Uf ≈ 2,0 (PVC con profilo vuoto) ÷
2,8 W/m²K (con anima di metallo)
Telai in legno
Uf ≈ 1,9 ÷ 2,3 W/m²K
Telai PVC, legno a
taglio termico o
schiumati –
Uf=0,7÷0,8W/m2K
28
Permeabilità
all’aria
(UNI 12207)
Fattore solare g
(UNI EN 410: 2000)
L’energia solare trasmessa g (o fattore solare) è il rapporto tra il flusso
totale di energia che attraversa un componente trasparente e il flusso
incidente sullo stesso; è una grandezza adimensionale.
Vetrata antisolare
riflettente
TL = 18 %
g = 22 %
Ug = 2,4 W/m²
W/m²K
Trattamento in faccia 2
29
Il Decreto Legislativo 192/2005 e
s.m.i.
Principali verifiche da rispettare negli interventi edilizi
ai sensi del D.Lgs. 192/2005 e s.m.i. (Allegato I)
(Sintesi proposta da ANIT – www.anit.it)
30
Tipologie di strutture da utilizzare nel rispetto
del D.lgs 192/2005 e smi
Il Decreto 192/2005 introduce la verifica dei seguenti parametri:
Componenti opachi verticali ed orizzontali (pavimenti e coperture)
•
verifica trasmittanza termica
•
verifica formazione di condensa superficiale ed interstiziale
•
verifica capacità inerziale
•
controllo ponti termici
Componenti finestrati
•
verifica trasmittanza termica componente globale
•
verifica trasmittanza termica vetro
I valori indicati come riferimento sono articolati in tre fasce temporali:
•
valori da adottare dal 1° gennaio 2006
•
valori da adottare dal 1° gennaio 2008
•
valori da adottare dal 1° gennaio 2010
La verifica dei componenti di involucro
Regime invernale
Valori di trasmittanza U ( W/m2K) limite per l’involucro al 2006, 2008 e 2010
(UNI 6946)
Verifica dell’assenza di condensazioni superficiali e verifica che le
condensazioni interstiziali delle pareti opache siano limitate alla quantità
rievaporabile secondo la normativa vigente (UNI 13788) – All. I, comma 8
31
Le chiusure trasparenti richiedono due verifiche
2010
Ug
Uw
Ad
Adesempio
esempionel
nel2011
2011zona
zonaDD UUgg≤≤1,9
1,9W/m²K
W/m²K UUww≤≤2,4
2,4W/m²K
W/m²K
L’inerzia termica
DPR 59 del 2/4/2009 “Attuazione dell’art.4, comma 1, lettere a) e b)
del D.Lgs. 192/2005 e s.m.i.”
32
Carichi termici in regime
invernale ed estivo
“EdificioEdificio-Impianto”
Impianto” come sistema termodinamico chiuso
AMBIENTE
ESTERNO o
CONTORNO
- Equilibrio termodinamico
- Convenzione termodinamica
CONFINE
-Q
+Q
- Trasformazione termodinamica
-L
SISTEMA
CHIUSO
+L
1° Principio della Termodinamica
La variazione di energia totale uguaglia la quantità netta di Q e L
scambiate dall’ambiente al sistema durante la trasformazione
ΔEc + ΔEp + ΔU = Q - L
[J]
Q=0
- sistema stazionario (immobile nello spazio)
- trasformazioni cicliche (mantenere la temperatura fissa e costante)
- lavoro scambiato trascurabile
33
Quantità
Quantità di calore in gioco
QT
QT
QT
QS
Qi
Qi
QV
QT
QT
QP
QT
radiatore
QT = energia termica scambiata per trasmissione attraverso l’involucro opaco,
trasparente e i pt verso ambienti esterni e/o a T diversa (negativa o positiva)
Qi = energia termica dovuta agli apporti interni gratuiti (positiva)
QS = energia termica dovuta agli apporti solari gratuiti (positiva)
QV = energia termica scambiata per ventilazione attraverso l’involucro trasparente
(negativa o positiva)
QP = energia fornita dai terminali dell’impianto (positiva o negativa)
- QT + Qi + QS - QV + QP = 0
Generalità
Generalità
Mantenere condizioni ambiente interne confortevoli
significa controllare i carichi termici perturbatori
generati nell’edificio o trasmessi attraverso le strutture.
I carichi termici che si manifestano con variazioni di
temperatura, positive o negative, vengono definiti
sensibili;
sensibili
Sono definiti latenti quelli corrispondenti alla potenza
termica scambiata nei processi di
deumidificazione/umidificazione dell’aria.
L’aria esterna di ventilazione/infiltrazione immessa direttamente in ambiente
rappresenta per i locali un carico sensibile e latente.
34
Tipologia dei carichi termici
I carichi termici sensibili sono di due tipi:
• in ingresso/interni all’edificio per convenzione
assunti positivi (regime estivo)
• in uscita dall’edificio per convenzione assunti
negativi (regime invernale)
I carichi interni provocano sempre un aumento della
temperatura.
Al fine di mantenere le condizioni igrometriche desiderate occorre anche
deumidificare/umidificare l’aria di ventilazione (carico latente).
Negli impianti cdz questo è fatto centralmente.
In sintesi occorre fornire o sottrarre una certa quantità di energia e vapor
d’acqua
Il dimensionamento degli impianti
La somma dei carichi termici relativi a ciascun
ambiente da climatizzare sono la base per il
dimensionamento degli impianti di climatizzazione.
A livello di centrale ed a seconda del tipo di
impianto si dimensionano:
• generatore di calore, gruppo frigorigeno, batterie di
scambio termico, elettroventilatori, elettropompe
A livello locale si dimensionano i terminali
d’impianto :
• radiatori, ventilconvettori, pannelli radianti,
bocchette, anemostati.
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Condizioni di progetto
All’interno degli ambienti tipicamente si
assume
in regime invernale:
• una temperatura dell’aria interna θa pari a
20 °C
• una umidità relativa compresa tra il 40-60%
In regime estivo
• una temperatura dell’aria θa pari a 26 °C
• una umidità relativa compresa tra il 40-60%
Le condizioni di progetto esterne
Le condizioni esterne di progetto sono determinate in
funzione della località climatica: ad esempio la temperatura
esterna θe può essere pari a 0°C e 35 °C rispettivamente in
inverno ed estate. I valori di progetto in inverno sono
definiti dal DPR n°1052/77, i valori estivi sono reperibili
nella UNI 10339.
10339
La UNI 10339 fornisce i valori dei ricambi d’aria necessari
per assicurare condizioni igieniche accettabili.
La norma UNI 10349 riporta le condizioni climatiche,
compreso i valori di irraggiamento solare, per i capoluoghi
di Provincia.
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UNI 10339
temperature di
progetto estive
Dati climatici: UNI 10349
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UNI 10349
Azioni degli impianti
Il controllo delle condizioni termoigrometriche interne al fine
del benessere degli individui si esercita mediante l’azione degli
impianti di climatizzazione con:
• uno
scambio di calore (azione termica);
• la fornitura di aria esterna (azione di
ventilazione)
• uno scambio di vapore (azione igrometrica).
Gli impianti di condizionamento dell’aria attuano tutte le azioni
suddette. Senza il controllo dello scambio di vapore
(umidificazione o deumidificazione) e dell’aria di ventilazione
si è in presenza di impianti di solo riscaldamento o
raffrescamento .
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Azioni in regime invernale
• Fornire calore in quantità pari a quello disperso
per trasmissione per differenza di temperatura
(eventualmente diminuito per tener conto degli
apporti gratuiti interni ed esterni)
• Riscaldare ed umidificare l’aria esterna di rinnovo.
NB in genere si trascurano i guadagni interni positivi
Azioni in regime estivo
• Asportare il calore entrato dall’esterno per
differenze di temperatura e irraggiamento;
• Asportare il calore emanato dalle persone e altre
fonti interne;
• Asportare il vapore acqueo emanato dalle persone;
• Raffreddare e deumidificare l’aria esterna di
ventilazione .
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Convenzione dei segni
inverno
--- asporto calore all’aria ambiente
+ fornisco calore all’aria ambiente
estate
Carico termico per trasmissione verso l’
l’esterno:
QT = Σ i =1,n [Ui Si (θa – θe)]i + Σ i =1,p [ψ L (θa – θe)]i (W)
U = Trasmittanza termica del componente
S = superficie del componente
ψ = trasmittanza lineare del ponte termico
L = dimensione caratteristica del ponte termico
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Carico termico per ventilazione
Una volta sommati i contributi per ventilazione ed
infiltrazione si ottiene la portata d’aria qv e quindi il carico
termico Qv dovuto alla ventilazione è dato dalla relazione:
Qv = qv · ρa · ca · (θa – θe) (W)
qv = portata d’aria in m3/s
ρa = densità dell’aria (circa 1,2 kg/m3)
ca = calore specifico dell’aria (0,29 J/kg °C)
Oppure :
Qv = 0,34 · n · V · (θa – θe) (W)
n = n° ricambi orari (h –1)
V = volume dell’ambiente (m3)
ρa · ca = 0,34 (Wh/m3 °C)
UNI 10339
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Ricambi d’
d’aria
Nel caso di ventilazione naturale:
- per gli edifici residenziali si assume convenzionalmente
un numero di ricambi d’aria pari a 0,3-0,5 vol/h;
- per tutti gli altri edifici si assumono i valori di ricambio
d’aria riportati nella norma UNI 10339. I valori degli indici di
affollamento sono assunti pari al 60% di quelli riportati
all’appendice A di detta norma.
Carichi termici solari
Carico termico dovuto all’irraggiamento solare QS:
QS = QSE + QSI (W)
QS = potenza termica attribuita all’irraggiamento solare
QSE apporti della radiazione solare attraverso componenti opachi;
QSI apporti attraverso componenti trasparenti;
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Apporti solari attraverso componenti trasparenti
L’energia solare che attraversa le finestre è funzione della natura del vetro,
di eventuali schermi e dell’effetto di ombre portate; quando l’energia
solare ha attraversato il vetro viene in parte assorbita dalle pareti ed in
parte riflessa: non diviene pertanto un carico termico immediato, ma
dipende dall’effetto di accumulo nelle strutture e quindi dalla loro massa
superficiale.
Per tenere conto dell’effetto di accumulo si introduce un
fattore di accumulo fa tale che QSI diviene:
QSI = Σi (Qsmax · fa)i (W)
Qmax = Imax · Sf · ff · fs · g
Dove Imax si determina dalla UNI 10349, Sf è la sup. della finestra,
ff è funzione del telaio (1 per legno, 1,17 per metallo)
fs è il fattore di ombreggiatura, e g è il fattore solare del vetro fornito dal
costruttore (vetro chiaro 0,76 singolo - 0,67 doppio)
Contributo di apporti gratuiti
Gli apporti gratuiti possono ridurre anche
significativamente i carichi termici dispersi; essi
possono essere riferiti a:
• apporti da fonti interne (illuminazione,
persone, elettrodomestici, ecc.) QI ;
• recupero di calore, ad esempio sull’aria di ventilazione espulsa all’esterno
QR.
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Carichi endogeni Qi
Il ruolo del progettista
Per quanto precede si vede come il progetto influenzi i carichi
termici e conseguentemente il dimensionamento delle macchine e
dei consumi energetici nei seguenti modi:
• percentuale delle superfici vetrate e loro orientamento;
• presenza o meno di schermi alla radiazione solare;
• fattore di trasmissione solare del vetro;
• massa superficiale delle pareti opache;
• trasmittanza dei componenti opachi e trasparenti;
• ventilazione trasversale.
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