RAPPORTO EDIFICIO-UOMO-AMBIENTE
Arch. Gabriele Cigolotti
I PARAMETRI DEL COMFORT NELL’UOMO
CONDUZIONE
Trasferimento di energia tra due solidi
a contatto
Pareti - Uomo
CONVEZIONE
Trasferimento di energia tra una
superficie solida e un fluido adiacente
in movimento
Pareti – Uomo - Radiatori
Ventilconvettori
IRRAGGIAMENTO
Trasferimento di energia che avviene
attraverso le onde elettromagnetiche
prodotte
da
variazioni
nelle
configurazioni elettroniche degli atomi
e delle molecole
Sole – Uomo – Pareti
Pannelli radianti
I MECCANISMI DI TRASMISSIONE DEL CALORE
La trasmissione del calore si occupa dello studio dell’insieme di leggi che governano il
passaggio di calore da un sistema ad un altro o da un punto ad un altro di uno stesso
sistema, dei dispositivi coinvolti negli scambi di calore e delle leggi che danno la
distribuzione di temperatura all’interno di un sistema in funzione dello spazio e del
tempo.
I meccanismi di trasmissione del calore sono tre:
CONDUZIONE, CONVEZIONE, IRRAGGIAMENTO
• tutti e tre i meccanismi richiedono l’esistenza di una differenza di temperatura
• si verificano spontaneamente da un sistema a temperatura più alta ad un sistema a
temperatura più bassa
• la conduzione e l’irraggiamento danno luogo esclusivamente a trasferimento di
calore, mentre la convezione comporta sempre anche trasporto di massa
I PARAMETRI DEL COMFORT NELL’EDIFICIO: INVERNO
I PARAMETRI DEL COMFORT NELL’EDIFICIO: ESTATE
LA RADIAZIONE SOLARE
ORIENTAMENTO E DISPOSIZIONE LOCALI INTERNI
IL CONTROLLO CLIMATICO ESTERNO
EFFETTI DELL’INERZIA TERMICA DELLE PARETI
MASSA TERMICA
consiste nella capacità di un materiale di opporsi al passaggio del flusso di calore
e di accumularne una parte, mantenendo, nello stesso tempo, una temperatura
dell'ambiente interno omogenea, costante e confortevole.
Dunque il materiale è in grado di accumulare calore da un lato, senza cederlo
direttamente dall'altro, evitando che i bruschi cambiamenti di temperatura esterna
si riflettano in modo diretto all'interno dell'edificio.
MASSA TERMICA E SFASAMENTO
Il ritardo con cui l’involucro cede il calore accumulato si chiama SFASAMENTO
ed equivale all’arco di tempo (ore) che serve all’onda termica per fluire
dall’esterno all’interno attraverso un materiale edile.
Maggiore è lo sfasamento, più lungo sarà il tempo di passaggio del calore
all’interno dell’edificio.
Lo sfasamento dunque è la differenza di tempo che intercorre tra l’ora in cui si ha
la massima temperatura all’esterno e l’ora in cui si ha la massima temperatura
all’interno, e non deve essere inferiore alle 8/12 ore.
ASSORBIMENTO E RIFLESSIONE DELL’INVOLUCRO
LA TRASMISSIONE DEL CALORE
LA TRASMISSIONE DEL CALORE
POTENZA TERMICA E FLUSSO TERMICO
POTENZA: in fisica, è l’energia trasferita nell’unità di tempo
POTENZA TERMICA: si tratta di un trasferimento di calore
FLUSSO TERMICO: è la potenza riferita ad una superficie di area unitaria.
Il flusso termico medio su una superficie si esprime:
I MECCANISMI DELLA TRASMISSIONE DEL CALORE
CONDUZIONE
CONDUZIONE
CONDUCIBILITA’ E TRASMITTANZA
CONDUCIBILITA’ TERMICA (λ) è il rapporto, in condizioni stazionarie, fra
il flusso di calore e il gradiente di temperatura che provoca il passaggio del
calore nel caso della conduzione termica.
In altri termini, la conducibilità termica è una misura dell'attitudine di una
sostanza a trasmettere il calore (vale a dire maggiore è il valore di λ o k,
meno isolante è il materiale). Essa dipende solo dalla natura del materiale,
non dalla sua forma.
TRASMITTANZA (U) è una grandezza fisica che misura la quantità
di calore scambiato da un materiale o un corpo per unità di superficie e
unità di differenza di temperatura e definisce la capacità di un elemento
nello scambiare energia, ovvero l'inverso della capacità isolante di un corpo
.
CONDUZIONE – RESISTENZA TERMICA
CONDUZIONE – CONDUCIBILITA’ TERMICA DI ALCUNI MATERIALI
ISOLANTI NATURALI
Sono quelle tipologie di materiali isolanti utilizzati per la
coibentazione degli edifici non derivanti da sintesi chimica, ma
ottenuti da prodotti biologici presenti in natura.
FIBRA DI ROCCIA o LANA MINERALE
Ottenuto tramite l’agglomerazione di scorie,
sminuzzamenti e rocce fuse, sotto forma di
pannelli che possono essere rigidi, semirigidi
o flessibile e trapuntati.
Caratteristiche principali:
Conduttività termica (λ): 0,038 ÷ 0,054 W/m°K
Resistenza al vapor d’acqua (μ): 1 ÷ 1,3
fortemente igroscopico
Densità (ρ): 30 – 200 kg/m3
ISOLANTI NATURALI
FIBRA DI LEGNO
Ricavato da trucioli di legno sminuzzato fino
ad ottenere delle “fibre”.
A volte viene lavorato con resine leganti
naturali o sintetiche, altre volte viene
compattato con azione meccanica ed aggiunta
di amidi naturali.
Si trova in commercio sotto forma di pannelli
rigidi, semirigidi e flessibili arrotolato.
Caratteristiche principali:
Conduttività termica (λ): 0,04 ÷ 0,06 W/m°K
Resistenza al vapor d’acqua (μ): 2 ÷ 10
igroscopico
Densità (ρ): 150 ÷ 250 kg/m3
ISOLANTI NATURALI
SUGHERO ESPANSO
E’ un prodotto di origine naturale ricavato
dall’albero del sughero (Quercus suber L.)
periodicamente rimosso dal tronco e dai rami.
A volte viene lavorato con resine leganti
naturali o sintetiche.
Può essere granulato, espanso e ricompattato
in pannelli utilizzando il suo legante naturale
essudato dalla stessa pianta.
Caratteristiche principali:
Conduttività termica (λ): 0,043 ÷ 0,053 W/m°K
Resistenza al vapor d’acqua (μ): 9 ÷ 19
igroscopico
Densità (ρ): 90 ÷ 200 kg/m3
ISOLANTI SINTETICI
Sono quelle tipologie di materiali isolanti utilizzati per la
coibentazione degli edifici derivanti da sintesi chimica.
POLISTIROLO/POLISTIRENE ESPANSO (EPS)
Costituito prevalentemente da STIRENE
(derivato del petrolio).
L’EPS è permeabile al vapore acqueo, ed è
quindi traspirabile, ma impermeabile all’acqua.
Caratteristiche principali:
Conduttività termica (λ): 0,032 ÷ 0,045 W/m°K
Resistenza al vapor d’acqua (μ): 20 ÷ 120
igroscopico a bassa densità
Densità (ρ): 15 ÷ 40 kg/m3
ISOLANTI SINTETICI
POLISTIROLO/POLISTIRENE ESTRUSO (XPS)
E’ un prodotto di origine sintetica ricavato
dalla lavorazione dei derivati del petrolio,
attraverso la lavorazione/estrusione di sfere di
polistirene espanso.
L’XPS è poco permeabile al vapore acqueo,
ed è quindi poco traspirabile e fortemente
impermeabile all’acqua.
Caratteristiche principali:
Conduttività termica (λ): 0,030 ÷ 0,045 W/m°K
Resistenza al vapor d’acqua (μ): 80 ÷ 300
poco igroscopico
Densità (ρ): 30 ÷ 50 kg/m3
ISOLANTI SINTETICI
POLIURETANO E SCHIUME POLIURETANICHE (XPU – PUR)
E’ un prodotto di origine sintetica presente
sotto forma di schiuma di poliuretano espansa
a celle chiuse di consistenza rigida.
Essendo molto sensibile al deterioramento per
ossidazione e per creep dovuto a raggi UV, si
trova solitamente racchiuso in barriere
protettive e polimeriche o metalliche tipo
alluminio.
Caratteristiche principali:
Conduttività termica (λ): 0,022 ÷ 0,035 W/m°K
Resistenza al vapor d’acqua (μ): 50 ÷ 200
poco igroscopico (in funzione della densità)
Densità (ρ): 20 ÷50 kg/m3
ISOLANTI SINTETICI
AEROGEL
Appare come fumo congelato, è considerato il
solido più leggero al mondo e possiede la
minore conducibilità termica tra tutti i materiali
attualmente conosciuti. È formato per il 95%
da aria, tenuta insieme da acido silicico
(diossido di silicio) che si ottiene dalla sabbia.
L’aerogel viene prodotto eliminando il liquido
dall’acido silicico, ma mantenendone intatta la
struttura. Il gel così ottenuto viene sottoposto
ad un complesso procedimento ed essiccato
in condizioni estreme.
Caratteristiche principali:
Conduttività termica (λ): 0,013 ÷ 0,015 W/m°K
Resistenza al vapor d’acqua (μ): 5
Densità (ρ): 150 kg/m3
TRASMITTANZA MURATURA
TRASMITTANZA = 1/R = 1/0,5 = 2 W/m²K
TRASMITTANZA MURATURA
TRASMITTANZA = 1/R = 2,9 = 0,34 W/m²K
TRASMITTANZA SERRAMENTI
I COMPONENTI DELL’IMPIANTO
I COMPONENTI DELL’IMPIANTO
I COMPONENTI DELL’IMPIANTO
Lo scopo degli impianti di riscaldamento è quello di mantenere all’interno
di un ambiente, nelle stagioni fredde, condizioni climatiche compatibili con
il tipo di attività svolta.
Gli impianti di riscaldamento sono costituiti:
• da un gruppo termico di generazione del calore, alimentato da un
combustibile, solido, liquido o gassoso
• da un camino per l’evacuazione dei fumi
• da un sistema di distribuzione del fluido termovettore (acqua o aria)
• da terminali scaldanti (o nel caso di aria, diffusori) che hanno il compito
di fornire il calore agli ambienti
• le apparecchiature di regolazione
I COMPONENTI DELL’IMPIANTO
I COMPONENTI DELL’IMPIANTO
I sistemi di alimentazione
La complessità del sistema di alimentazione dipende dal tipo di combustibile
impiegato.
Per i combustibili trasportati (combustibili liquidi e solidi) il sistema di
alimentazione deve comprendere anche uno stoccaggio che garantisca una
autonomia di qualche mese (da un minimo di tre mesi ad un massimo
corrispondente al fabbisogno dell’intera stagione di riscaldamento).
Nel caso di combustibili liquidi lo stoccaggio avviene normalmente in serbatoi che
possono essere realizzati in lamiera oppure in materie sintetiche quali la
vetroresina.
I combustibili gassosi (gas naturale o metano, gas di città o manifatturato) sono
trasportati mediante le reti urbane sino al contatore. La parte di impianto dal
contatore all’utenza (bruciatore) deve essere eseguita a cura dell’utente secondo
precise norme di sicurezza.
Per le utenze medio-piccole può essere impiegato come combustibile anche il gas
di petrolio liquefatto (GPL) che viene consegnato allo stato liquido e depositato
entro appositi serbatoi.
I COMPONENTI DELL’IMPIANTO
I COMPONENTI DELL’IMPIANTO
I bruciatori
I bruciatori sono apparecchi che provvedono a miscelare un combustibile con un
comburente, introdurre tale miscela nella camera di combustione e innescare la
combustione.
In un bruciatore, indipendentemente dal combustibile utilizzato, si possono
individuare tre sottosistemi:
- il sottosistema di trasferimento che provvede alla miscelazione dell’aria con il
combustibile;
- il sottosistema di accensione che provvede all’innesco della miscela;
- il sottosistema di sicurezza e regolazione che controlla il corretto svolgimento
della combustione.
I COMPONENTI DELL’IMPIANTO
I COMPONENTI DELL’IMPIANTO
I COMPONENTI DELL’IMPIANTO
LA DISTRIBUZIONE
LA DISTRIBUZIONE
IL SISTEMA DI DISTRIBUZIONE
LA DISTRIBUZIONE
LA DISTRIBUZIONE
LA DISTRIBUZIONE
I TERMINALI RISCALDANTI
I TERMINALI RISCALDANTI
I TERMINALI RISCALDANTI
I terminali scaldanti
Gli apparecchi di utilizzazione, detti anche terminali scaldanti o corpi scaldanti,
hanno lo scopo di trasferire il calore prodotto dal gruppo termico, e distribuito dalla
rete idraulica, direttamente all’interno dei singoli locali garantendo in questo modo
le condizioni di benessere.
I terminali degli impianti di riscaldamento possono essere classificati sulla base
della modalità con la quale scambiano calore con l’ambiente:
• terminali scaldanti a prevalente convezione naturale: radiatori, piastre radianti,
termoconvettori, tubi alettati, ecc.;
• terminali
scaldanti
a
prevalente
convezione
forzata:
aerotermi,
ventilconvettori, ecc.;
• terminali scaldanti a prevalente scambio termico radiativo: a bassa temperatura
(pannelli radianti a pavimento, a soffitto, a parete), ad alta temperatura
(strisce radianti, ecc.)
devono essere collocati in posizione e condizioni tali che non ne risulti
pregiudicata la cessione di calore all’ambiente.
I TERMINALI RISCALDANTI
I radiatori
I corpi scaldanti più diffusi sono i
radiatori a elementi, attraverso le pareti
dei quali il fluido scaldante, proveniente
dalla caldaia, cede calore al locale.
Caratteristica comune a tutti i corpi
scaldanti, che possono essere realizzati
in ghisa, in acciaio o in alluminio, è
quella di presentare una serie di canali
le cui estremità sono collegate a due
canali principali detti collettori ai quali
fanno capo gli attacchi di ingresso e di
uscita del fluido scaldante. Tale
disposizione agevola la distribuzione
del fluido entro l’intero corpo scaldante,
evitando che si formino dei passaggi
preferenziali.
I TERMINALI RISCALDANTI
Le condizioni normali di funzionamento
prevedono
l’ingresso
dell’acqua
(dall’alto) ad una temperatura di 85 °C
ed una differenza di temperatura tra
ingresso e uscita di 10 °C.
Le caratteristiche di scambio termico
dipendono da diversi fattori (forma
dimensione e materiale, temperatura di
funzionamento,
posizione
dei
collegamenti
idraulici,
temperatura
dell’aria nell’ambiente da riscaldare e
posizione del corpo scaldante all’interno
dell’ambiente).
I TERMINALI RISCALDANTI
I TERMINALI RISCALDANTI
I TERMINALI RISCALDANTI
I ventilconvettori
Un corpo riscaldante che viene usato
generalmente negli impianti di climatizzazione
per il raffrescamento estivo e per il
riscaldamento invernale.
Il ventilconvettore è in buona sostanza un
convettore nel quale l’aria passa attraverso
una batteria di tubi alettati spinta da un
ventilatore anziché per tiraggio naturale.
In questo caso viene quindi meno la funzione
del camino ed il mobiletto che ricopre
l’apparecchio, quando questo è posto contro
una parete, ha semplice funzione di copertura
e finitura estetica, oltre che di sostegno delle
griglie di ingresso e di uscita dell'aria.
Quando l’apparecchio viene espressamente
progettato per il solo servizio invernale prende
il nome di termoconvettore ventilato.
I TERMINALI RISCALDANTI
I pannelli radianti
Il principio si basa sulla circolazione di
acqua calda a bassa temperatura (in
genere tra i 30 e i 35 °C) in un circuito
chiuso, che si sviluppa coprendo una
superficie radiante molto elevata.
Vi sono attualmente sistemi che
utilizzano l'energia elettrica, sistemi
composti da cavi scaldanti o strisce di
vario genere, anche se il principio è
quello tecnico/scientifico dell'effetto
joule (sinteticamente: un conduttore
attraversato da una corrente elettrica
dissipa energia sotto forma di calore).
I TERMINALI RISCALDANTI
I TERMINALI RISCALDANTI
I SISTEMI DI REGOLAZIONE
I SISTEMI DI REGOLAZIONE
I SISTEMI DI REGOLAZIONE
I SISTEMI DI REGOLAZIONE
Centralina e sonda esterna
Valvola termostatica
Valvola termostatica elettronica
SOLARE TERMICO
SOLARE TERMICO
SOLARE TERMICO
SOLARE TERMICO
IMPIANTI SOLARI A CIRCOLAZIONE NATURALE
IMPIANTI SOLARI A CIRCOLAZIONE FORZATA
FABBISOGNO PRO CAPITE
FABBISOGNO PRO CAPITE ACS
40°C temperatura ACS
70 litri/giorno
Ad esempio, per una famiglia di 4 persone
70 litri/giorno x 4 persone = 280 litri/giorno = 0,280 m³/giorno
15°C temperatura media acqua prelevata dall’acquedotto
Δt = (40°C – 15°C) = 25°C
Massa volumica = 1000 kg/m³
Calore specifico = 1,162 Wh/kg °C
Q h,w= ρ * c * Vw * Δt * G
= 1000 kg/m³ * 1,162 Wh/kg °C * 0,28 m³/G * 25 °C * 365 G
= 4.139.100 Wh = 4,14 MWh
QUANTITA’ DI ENERGIA NECESSARIA per questo FABBISOGNO
4,14 MWh/anno
IRRAGGIAMENTO
DIMENSIONAMENTO
IPOTESI IMPIANTO SOLARE TERMICO
Ipotizzando un irraggiamento 1100 kWh/m² annuo
1100 kWh/m² x 4 m² di pannello = 4,40 MWh/anno
ENERGIA FORNITA DAI COLLETTORI
2,55 MWh/anno
ENERGIA FORNITA DAL CIRCUITO
2,30 MWh/anno
Il solare termico con 4 m² di pannelli
Soddisferebbe il 55% del fabbisogno
Energia fornita dal circuito = 2,30 MWh/anno
Fabbisogno ACS = 4,14 MWh/anno
CASO STUDIO
CASO STUDIO
Risparmio energetico residenziale
Situazione iniziale
Sottotetto
Involucro
Clima
Energia
Illuminazione
Classe energetica
Prestazione energetica
Energia necessaria
F
250 kWh/m²
100%
Risparmio energetico residenziale
Isolamento sottotetto
Sottotetto
Involucro
Clima
Energia
Illuminazione
Classe energetica
Prestazione energetica
Energia necessaria
E
220 kWh/m²
88%
Risparmio energetico residenziale
Isolamento involucro
Sottotetto
Involucro
Clima
Energia
Illuminazione
Classe energetica
Prestazione energetica
Energia necessaria
C
108 kWh/m²
43%
Risparmio energetico residenziale
Caldaia a condensazione
Sottotetto
Involucro
Clima
Energia
Illuminazione
Classe energetica
Prestazione energetica
Energia necessaria
B
88 kWh/m²
35%
Risparmio energetico residenziale
Pompa di calore
Sottotetto
Involucro
Clima
Energia
Illuminazione
Classe energetica
Energia necessaria
A
29%
Risparmio energetico residenziale
Impianto fotovoltaico
Sottotetto
Involucro
Clima
Energia
Illuminazione
Classe energetica
Energia necessaria
A+
19%
Risparmio energetico residenziale
Illuminazione a LED
Sottotetto
Involucro
Clima
Energia
Illuminazione
Classe energetica
Energia necessaria
A+
17%
