Carico termico invernale

ISTITUTO TECNICO PER GEOMETRI
“Di Vittorio”
Docente: GILBERTO GENOVESE
IMPIANTI di RISCALDAMENTO
Carico termico invernale
Anno Scolastico 2008-2009
CORSO:
Impianti
CONTENUTI:
− Sistema clima – impianto - edificio
− Applicazione della UNI 7357/74 per la determinazione del carico termico invernale
− Carichi dispersi per trasmissione attraverso strutture opache, strutture trasparenti, ponti termici
− Carichi dispersi per ventilazione
− Determinazione carico termico totale
PREREQUISITI:
− Conoscere le modalità di trasmissione del calore ed il primo principio della termodinamica.
OBIETTIVI:
− Saper determinare il carico termico invernale e di conseguenza stimare la potenza dell’impianto di
riscaldamento.
GENERALITA’
TERMOFISICA
DELL’EDIFICIO
CARICHI PER
TRASMISSIONE
CARICHI PER
VENTILAZIONE
CONCLUSIONI
SISTEMA CLIMA-EDIFICO-IMPIANTO
Per poter determinare il carico termico invernale è necessario prendere in esame il
sistema fisico CLIMA-EDIFICO-IMPIANTO.
IL CLIMA
L’insieme dei parametri climatici, che costituiscono il complesso
delle sollecitazioni termiche esterne di disturbo al sistema
edificio.
L’EDIFICIO
L’involucro edilizio che racchiude e delimita lo spazio interno nel
quale vogliamo imporre condizioni confortevoli per gli occupanti.
L’IMPIANTO
Il mezzo con cui mantenere in ambiente le condizioni volute
contrastando le perturbazioni indotte dalle variazioni climatiche
nell’ambiente esterno.
GENERALITA’
TERMOFISICA
DELL’EDIFICIO
CARICHI PER
TRASMISSIONE
CARICHI PER
VENTILAZIONE
CONCLUSIONI
COS’E’ IL CARICO TERMICO INVERNALE
Per carico termico invernale si intende la massima potenza termica che l’edificio, in precisate condizioni,
univocamente definite, disperde verso l’ambiente esterno. La conoscenza di questa grandezza
consente di dimensionare un impianto di riscaldamento che mantenga all’interno dello spazio occupato
condizioni confortevoli, il che significa garantire un determinato valore di temperatura dell’aria all’interno
dell’involucro edilizio.
Impianto
Edificio
GENERALITA’
TERMOFISICA
DELL’EDIFICIO
CARICHI PER
TRASMISSIONE
CARICHI PER
VENTILAZIONE
CONCLUSIONI
CONSIDERAZIONI FISICHE
L’edifico costituisce un sistema termodinamico definito dal volume dell’aria interna all’involucro edilizio.
Il sistema termodinamico è definito di tipo “aperto” perché di fatto avvengono sempre scambi di massa
(aria umida) tra l’ambiente interno e l’ambiente esterno, scambi che possono avennire attraverso le
aperture presenti sull’involucro edilizio.
Il Primo Principio della Termodinamica per un sistema aperto si scrive nella forma:
Q – L = ∆H + ∆E
dove:
Q è il calore assorbito dal sistema
L è il lavoro eseguito dal sistema
∆H è la variazione di entalpia del sistema
∆E è la variazione della somma delle altre forme di energia (meccanica, cinetica, elastica)
GENERALITA’
TERMOFISICA
DELL’EDIFICIO
CARICHI PER
TRASMISSIONE
CARICHI PER
VENTILAZIONE
CONCLUSIONI
CONSIDERAZIONI FISICHE
Poiché il sistema considerato non ha scambi di lavoro con l’esterno e poiché non si verificano variazioni
apprezzabili della quota né della velocità dell’aria tra le sezioni di immissione ed espulsione, possiamo
affermare che ∆E = 0 e L = 0.
Il Primo Principio della Termodinamica si particolarizza nella forma:
Q = ∆H
Ipotizzando che l’aria si comporti come un gas perfetto, eseguendo un bilancio termico, si ottiene:
∆H = m cp (Tfinale – Tiniziale)
e quindi:
Q = m cp (Tfinale – Tiniziale)
GENERALITA’
TERMOFISICA
DELL’EDIFICIO
CARICHI PER
TRASMISSIONE
CARICHI PER
VENTILAZIONE
CONCLUSIONI
CONSIDERAZIONI FISICHE
Ogni scambio di calore (Q ≠ 0) porta al cambiamento della temperatura dell’aria interna.
All’equilibrio la differenza (Tfinale – Tiniziale) si annulla per cui:
Q=∆H=0
Si possono verificare le seguenti situazioni:
Se non c’è intervento da parte dell’impianto, le condizioni climatiche esterne
determinano flussi termici negativi, cioè flussi termici uscenti e quindi Q ≠ 0;
Se c’è intervento da parte dell’impianto, allora il flusso termico fornito ( Qimpianto positivo
perché entrante) è uguale al flusso termico uscente ( Qdispersioni negativo), e quindi si ha:
Q = Q-dispersione + Q+impianto = 0
GENERALITA’
TERMOFISICA
DELL’EDIFICIO
CARICHI PER
TRASMISSIONE
CARICHI PER
VENTILAZIONE
CONSIDERAZIONI FISICHE
All’ equilibrio la situazione può essere schematizzata nel modo seguente:
Q=∆H=0
CONCLUSIONI
GENERALITA’
TERMOFISICA
DELL’EDIFICIO
CARICHI PER
TRASMISSIONE
CARICHI PER
VENTILAZIONE
CONCLUSIONI
IPOTESI FONDAMENTALI
Per il calcolo del carico termico invernale è necessario introdurre le seguenti due ipotesi
fondamentali:
REGIME
STAZIONARIO
Un sistema termodinamico si classifica “stazionario” se lo stato
del sistema non varia nel tempo: si decide di considerare come
costanti nel tempo delle grandezze che in realtà non lo sono,
come i parametri climatici.
CONDIZIONE
PIU’
SFAVOREVOLE
Nella determinazione del carico termico invernale è necessario
considerare la condizione più sfavorevole, nel senso più gravosa
(termicamente parlando) per l’impianto di riscaldamento.
GENERALITA’
TERMOFISICA
DELL’EDIFICIO
CARICHI PER
TRASMISSIONE
CARICHI PER
VENTILAZIONE
CONCLUSIONI
CALCOLO CARICO TERMICO INVERNALE
Attualmente la normativa italiana di riferimento per la determinazione del carico termico
invernale è la UNI 7357/74, dove si distinguono:
CARICHI
TERMICI PER
TRASMISSIONE
Rappresentano la quota di potenza termica (calore scambiato
nell’unità di tempo) che viene persa dal fluido aria all’interno
della zona attraverso le strutture edilizie. Lo scambio termico si
innesca per differenza di temperatura ed entrano in gioco
fenomeni combinati di conduzione, convezione e irraggiamento.
CARICHI
TERMICI PER
VENTILAZIONE
Rappresentano la quota di potenza termica che viene persa
dall’aria dello spazio riscaldato per la presenza di fenomeni di
infiltrazione dell’aria esterna nell’ambiente (ventilazione naturale,
dovuta alla non ermeticità delle chiusure finestrate e all’apertura
manuale dei serramenti oppure ventilazione meccanica, dovuta
ad un apposito impianto di estrazione-immissione).
GENERALITA’
TERMOFISICA
DELL’EDIFICIO
CARICHI PER
TRASMISSIONE
CARICHI PER
VENTILAZIONE
CONCLUSIONI
CARICHI TERMICI PER TRASMISSIONE
La formula fondamentale per la determinazione del flusso di calore che attraversa una generica parete
di un locale dall’interno verso l’esterno è:
.
QD = A ⋅ K ⋅ (Ti − Te )
dove:
.
QD è la potenza termica scambiata per trasmissione ed è espressa in [W]
A è l’area della parete espressa in [m2]
K è la trasmittanza della parete misurata in [W/m2 · °C]
Ti è la temperatura dell’aria interna espressa in [°C]
Te è la temperatura dell’aria esterna espressa in [°C]
È necessario inoltre distinguere:
dispersioni attraverso le strutture opache (murature)
dispersioni attraverso le strutture vetrate (serramenti).
GENERALITA’
TERMOFISICA
DELL’EDIFICIO
CARICHI PER
TRASMISSIONE
CARICHI PER
VENTILAZIONE
CONCLUSIONI
CARICHI TERMICI PER TRASMISSIONE
La formula è valida soltanto sotto l’ipotesi fondamentale di PROPAGAZIONE MONODIMENSIONALE
DEL CALORE, ovvero quando la direzione del flusso termico attraverso la parete è univoca.
Se le superfici sono isoterme, il flusso di calore
che attraversa ogni porzione discreta di parete
dA nell’unità di tempo è costante e le linee di
flusso saranno tutte parallele tra loro ed
ortogonali alle superfici isoterme.
Se ci sono perdite di calore attraverso i bordi
della struttura, allora la formula precedente
non è applicabile.
PONTI TERMICI
GENERALITA’
TERMOFISICA
DELL’EDIFICIO
CARICHI PER
TRASMISSIONE
CARICHI PER
VENTILAZIONE
FLUSSO TERMICO PER TRASMISSIONE
Il flusso termico che fluisce attraverso una parete può essere così determinato:
Ambiente esterno
Te
.
QD = A ⋅ K ⋅ (Ti − Te )
Ambiente interno
Ti
CONCLUSIONI
GENERALITA’
TERMOFISICA
DELL’EDIFICIO
CARICHI PER
TRASMISSIONE
CARICHI PER
VENTILAZIONE
CONCLUSIONI
DETERMINAZIONE DELLA SUPERFICIE A
L’area della superficie della parete misurata in [m2] è il parametro geometrico di più facile
individuazione. Poiché le pareti edilizie come quelle esterne perimetrali confluiscono sempre in
situazioni d’angolo bisognerà prendere in considerazione la superficie interna netta di ciascuna parete.
GENERALITA’
TERMOFISICA
DELL’EDIFICIO
CARICHI PER
TRASMISSIONE
CARICHI PER
VENTILAZIONE
CONCLUSIONI
TEMPERATURA INTERNA DI PROGETTO
Il termine Ti è la temperatura a bulbo secco dell’aria interna al locale da utilizzare per il
calcolo del fabbisogno termico; si misura in [°C] e d è la temperatura che si rileva con un
termometro a bulbo secco protetto contro l’irradiazione, all’altezza di 1,50 m dal pavimento
ed al centro del locale considerato.
DPR 412/93
La temperatura interna viene denominata di progetto perché il
valore da assumersi è fissato dal DPR 412/93 (regolamento di
attuazione della Legge 10/91).
Per le residenze
Ti = 20 ± 2°C
Per le industrie
Ti = 18°C
GENERALITA’
TERMOFISICA
DELL’EDIFICIO
CARICHI PER
TRASMISSIONE
CARICHI PER
VENTILAZIONE
CONCLUSIONI
TEMPERATURA ESTERNA DI PROGETTO
Il termine Te indica la temperatura dell’aria dell’ambiente contiguo a quello considerato per
il calcolo delle dispersioni:
se la parete attraverso la quale si
calcola il flusso termico è una parete
interna, Te sarà la temperatura dell’aria
del locale adiacente;
se la parete in esame è una parete
esterna, Te sarà la temperatura dell’aria
esterna, tipica del clima del luogo.
Te=-5°C
Sottotetto
Ti=14°C
Locale
riscaldato
Locale
riscaldato
Ti=20°C
Ripostiglio
Ti=20°C
Ti=18°C
Garage
Ti=5°C
GENERALITA’
TERMOFISICA
DELL’EDIFICIO
CARICHI PER
TRASMISSIONE
CARICHI PER
VENTILAZIONE
CONCLUSIONI
TEMPERATURA ESTERNA DI PROGETTO
Le temperature Te da usarsi nel calcolo possono essere note solo dopo l’osservazione
climatica di una determinata località per un certo periodo di anni consecutivi.
UNI 5364
Le temperature esterne di progetto sono tabellate per le località
italiane nelle norma UNI 5364 e sono state determinate a seguito
del monitoraggio temporale delle temperature con metodi
statistici.
La normativa UNI 7357 prevede delle correzioni al valore di temperatura esterna da
assumersi con riferimento a tre parametri:
diversa altitudine sul livello del mare;
diversa situazione dell’ambiente esterno;
vicinanza di edifici.
GENERALITA’
TERMOFISICA
DELL’EDIFICIO
CARICHI PER
TRASMISSIONE
CARICHI PER
VENTILAZIONE
CONCLUSIONI
TRASMITTANZA PER SUPERFICI OPACHE
La grandezza K (indicata anche con il simbolo U ) è la trasmittanza unitaria o “coefficiente
globale di trasmissione termica”, si misura in [W/m2 · °C] e rappresenta il flusso di calore
che nelle condizioni di regime stazionario passa da un fluido ad un altro attraverso una
parete per m2 di superficie e per °C di differenza tra le temperat ure dei due fluidi.
La formula adottata per la determinazione di K è:
K=
1
j
k
sj
1
1
+ ∑ + ∑ Rk +
α i i=1 λ j i=1
αe
GENERALITA’
TERMOFISICA
DELL’EDIFICIO
CARICHI PER
TRASMISSIONE
CARICHI PER
VENTILAZIONE
CONCLUSIONI
ANALISI DELLA TRASMITTANZA
Andiamo ad analizzare i termini che compongo la formula della trasmittanza.
1/αi e 1/αe
Rappresentano le resistenze termiche dello strato laminare
dell’aria rispettivamente sulla superficie interna ed esterna della
parete che si riferiscono ad uno scambio termico che è assieme
convettivo e radiativo.
Te
qc
qc
Ti
Tse
Tsi
qr
Ambiente
esterno
Tpe
qr
Tpi
Ambiente
interno
GENERALITA’
TERMOFISICA
DELL’EDIFICIO
CARICHI PER
TRASMISSIONE
CARICHI PER
VENTILAZIONE
CONCLUSIONI
ANALISI DELLA TRASMITTANZA
j
sj
∑λ
i =1
j
Questo termine rappresenta la resistenza termica degli strati
omogenei della parete, cioè degli strati le cui caratteristiche
termofisiche possono essere ritenute costanti.
s è lo spessore dello strato espresso in [m]
λ è la conduttanza termica misurata in [W/m · °C]
s
λ
(caratteristico
del materiale)
GENERALITA’
TERMOFISICA
DELL’EDIFICIO
CARICHI PER
TRASMISSIONE
CARICHI PER
VENTILAZIONE
CONCLUSIONI
CONDUCIBILITA’ TERMICA
Il valore della conducibilità termica può essere direttamente ricavata dalla UNI 10351
λm
apparente
λ
di riferimento
GENERALITA’
TERMOFISICA
DELL’EDIFICIO
CARICHI PER
TRASMISSIONE
CARICHI PER
VENTILAZIONE
CONCLUSIONI
ANALISI DELLA TRASMITTANZA
k
∑R
i =1
k
Questo termine rappresenta la resistenza termica degli strati
eterogenei della parete, cioè degli strati le cui caratteristiche
termofisiche non possono essere ritenute costanti. Ne sono un
esempio le intercapedini d’aria e le strutture fortemente
eterogenee come i solai.
Struttura eterogenea
GENERALITA’
TERMOFISICA
DELL’EDIFICIO
CARICHI PER
TRASMISSIONE
CARICHI PER
VENTILAZIONE
CONCLUSIONI
RESITENZA TERMICA
Il valore della resistenza termica può essere direttamente ricavata dalla UNI 10355
Resistenza
termica
GENERALITA’
TERMOFISICA
DELL’EDIFICIO
CARICHI PER
TRASMISSIONE
CARICHI PER
VENTILAZIONE
CONCLUSIONI
TRASMITTANZA PER SUPERFICI VETRATE
La grandezza K nelle superfici vetrate rimane sempre rappresentativa dello scambio
termico analogamente a quanto definito per le superfici opache.
Il sistema serramento è costituito da due
elementi:
la parte trasparente (vetro)
la parte opaca (telaio)
Vetro
Telaio
GENERALITA’
TERMOFISICA
DELL’EDIFICIO
CARICHI PER
TRASMISSIONE
CARICHI PER
VENTILAZIONE
CONCLUSIONI
TRASMITTANZA PER SUPERFICI VETRATE
La normativa di riferimento per il calcolo della trasmittanza attraverso le superfici opache è
la UNI 10345.
Per la determinazione del K del serramento (KW) distinguiamo:
SERRAMENTI A
VETRO SINGOLO
SERRAMENTI A
DOPPIO VETRO
KW =
KW =
A gK g + A f K f
Ag + Af
A gK g + A f K f + LΨ
Ag + Af
Dove Ag e Af sono rispettivamente le aree del vetro e del telaio in [m2] e Kg e Kf le relative
trasmittanze in [W/m2 · °C], mentre Ψ è il coefficiente lineare di trasmissione termica e L il
perimetro del vetro.
GENERALITA’
TERMOFISICA
DELL’EDIFICIO
CARICHI PER
TRASMISSIONE
CARICHI PER
VENTILAZIONE
CONCLUSIONI
PONTI TERMICI
Nella valutazione del carico termico di un edificio bisogna prendere in considerazione
quelle situazioni in cui, soprattutto in prossimità di nodi strutturali e tecnologici, il flusso
termico non è riconducibile al modello di propagazione monodimensionale del calore.
Si parla allora di PONTI TERMICI; questi possono essere di:
DI FORMA :
DI STRUTTURA:
La disomogeneità deriva dalla disposizione geometrica di
strutture uguali.
La disomogeneità
diverse.
deriva
dall’accostamento
di
strutture
TERMOFISICA
DELL’EDIFICIO
GENERALITA’
CARICHI PER
TRASMISSIONE
PONTI TERMICI
Le considerazioni fatte in precedenza di linee di flusso
sempre parallele ed ortogonali alle superfici delimitanti
uno strato omogeneo, non sono più valide.
La formula per il calcolo della dispersione termica di
ogni singolo ponte termico è:
.
QD pt = ΨL ⋅ L ⋅ (Ti − Te )
dove:
ΨL è il coefficiente lineico in [W/m·°C]
L è la l’estensione lineare del ponte termico in [m]
(Ti-Te) è la differenza di temperatura in [°C]
CARICHI PER
VENTILAZIONE
CONCLUSIONI
GENERALITA’
TERMOFISICA
DELL’EDIFICIO
CARICHI PER
TRASMISSIONE
CARICHI PER
VENTILAZIONE
CONCLUSIONI
TIPOLOGIE DI PONTI TERMICI
Ponti termici di forma
Ponti termici di struttura
GENERALITA’
TERMOFISICA
DELL’EDIFICIO
CARICHI PER
TRASMISSIONE
CARICHI PER
VENTILAZIONE
CONCLUSIONI
LE CORREZIONI
Il carico termico disperso per trasmissione è dato da:
Qdispersione = QD + QDpt
Tale valore va corretto, introducendo dei coefficienti moltiplicativi, per tener conto di alcuni
fenomeni. I tre principali casi in cui si hanno maggiorazioni sono:
differente esposizione della singola struttura
correzione della dispersione di un locale per tener conto della temperatura operante
correzione della dispersione di un intero edificio per differente regime di esercizio
dell’impianto di riscaldamento.
GENERALITA’
TERMOFISICA
DELL’EDIFICIO
CARICHI PER
TRASMISSIONE
CARICHI PER
VENTILAZIONE
CONCLUSIONI
CARICHI TERMICI DI VENTILAZIONE
Rappresentano la quota di potenza che viene persa per la presenza di fenomeni di
infiltrazione dell’aria esterna nell’ambiente (ventilazione naturale dovuta alla non ermeticità
dell’involucro edilizio oppure ventilazione meccanica).
La formula fondamentale per la determinazione del carico termico di ventilazione è:
.
.
Q V = ma ⋅ c p ,a ⋅ (Ti − Te )
UNI 10344
La normativa, qualora la portata effettiva di ventilazione
risultasse inferiore ad un minimo convenzionale necessario
per la salubrità dell’aria, impone l’installazione di un impianto
di immissione o aspirazione forzata dell’aria.
TERMOFISICA
DELL’EDIFICIO
GENERALITA’
CARICHI PER
TRASMISSIONE
CARICHI PER
VENTILAZIONE
CONCLUSIONI
PORTATA DI VENTILAZIONE
La portata di massa dell’aria può essere espressa come:
.
m
V= a
ρa
.
Poiché gli agenti inquinanti sono proporzionali al volume
riscaldato, la portata volumetrica di rinnovo necessaria per la
salubrità dell’aria può essere determinata come prodotto del
volume del locale V per il numero n di ricambi d’aria o tasso di
rinnovo.
UNI 10339
Quindi:
.
V = V ⋅n
.
Q V = n ⋅ V ⋅ ρa ⋅ c p ,a ⋅ (Ti − Te )
GENERALITA’
TERMOFISICA
DELL’EDIFICIO
CARICHI PER
TRASMISSIONE
CARICHI PER
VENTILAZIONE
CARICO TOTALE DISPERSO
Dunque il carico totale disperso sarà dato da:
Qtotale = Qdispersione + Qventilazione = (QD + QDpt) + Qv
Dimensionamento
dell’impianto di riscaldamento
CONCLUSIONI
GRAZIE