ISTITUTO TECNICO PER GEOMETRI “Di Vittorio” Carico termico invernale Docente: GILBERTO GENOVESE Anno Scolastico 2008-2009 IMPIANTI di RISCALDAMENTO
ISTITUTO TECNICO PER GEOMETRI “Di Vittorio”
Carico termico invernale
Docente: GILBERTO GENOVESE
Anno Scolastico 2008-2009
IMPIANTI di RISCALDAMENTO
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.
SISTEMA CLIMA-EDIFICO-IMPIANTO
Per poter determinare il carico termico invernale è necessario prendere in esame il
sistema fisico CLIMA-EDIFICO-IMPIANTO.
L’insieme dei parametri climatici, che costituiscono il complesso delle sollecitazioni termiche esterne di disturbo al sistema edificio.
Il mezzo con cui mantenere in ambiente le condizioni volute contrastando le perturbazioni indotte dalle variazioni climatiche nell’ambiente esterno.
L’involucro edilizio che racchiude e delimita lo spazio interno nel quale vogliamo imporre condizioni confortevoli per gli occupanti.
IL CLIMA
L’EDIFICIO
L’IMPIANTO
GENERALITA’ TERMOFISICA DELL’EDIFICIO
CARICHI PER TRASMISSIONE CONCLUSIONICARICHI PER
VENTILAZIONE
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.
ImpiantoEdificio
GENERALITA’ TERMOFISICA DELL’EDIFICIO
CARICHI PER TRASMISSIONE CONCLUSIONICARICHI PER
VENTILAZIONE
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 CONCLUSIONICARICHI PER
VENTILAZIONE
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 CONCLUSIONICARICHI PER
VENTILAZIONE
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 CONCLUSIONICARICHI PER
VENTILAZIONE
CONSIDERAZIONI FISICHE
All’ equilibrio la situazione può essere schematizzata nel modo seguente:
Q = ∆ H = 0
GENERALITA’ TERMOFISICA DELL’EDIFICIO
CARICHI PER TRASMISSIONE CONCLUSIONICARICHI PER
VENTILAZIONE
IPOTESI FONDAMENTALI
Per il calcolo del carico termico invernale è necessario introdurre le seguenti due ipotesi
fondamentali:
Un sistema termodinamico si classifica “stazionario” se lo statodel 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.
Nella determinazione del carico termico invernale è necessario considerare la condizione più sfavorevole, nel senso più gravosa (termicamente parlando) per l’impianto di riscaldamento.
REGIME STAZIONARIO
CONDIZIONE PIU’
SFAVOREVOLE
GENERALITA’ TERMOFISICA DELL’EDIFICIO
CARICHI PER TRASMISSIONE CONCLUSIONICARICHI PER
VENTILAZIONE
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:
Rappresentano la quota di potenza termica (calore scambiato nell’unità di tempo) che viene persa dal fluido aria all’internodella 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.
Rappresentano la quota di potenza termica che viene persa dall’aria dello spazio riscaldato per la presenza di fenomeni diinfiltrazione 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).
CARICHI TERMICI PER
TRASMISSIONE
CARICHI TERMICI PER
VENTILAZIONE
GENERALITA’ TERMOFISICA DELL’EDIFICIO
CARICHI PER TRASMISSIONE CONCLUSIONICARICHI PER
VENTILAZIONE
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:
)T(TKAQ eiD
.
−⋅⋅=
dove:
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]
QD
.
È necessario inoltre distinguere:
� dispersioni attraverso le strutture opache (murature)
� dispersioni attraverso le strutture vetrate (serramenti).
GENERALITA’ TERMOFISICA DELL’EDIFICIO
CARICHI PER TRASMISSIONE CONCLUSIONICARICHI PER
VENTILAZIONE
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
CARICHI TERMICI PER TRASMISSIONE
GENERALITA’ TERMOFISICA DELL’EDIFICIO
CARICHI PER TRASMISSIONE CONCLUSIONICARICHI PER
VENTILAZIONE
FLUSSO TERMICO PER TRASMISSIONE
Il flusso termico che fluisce attraverso una parete può essere così determinato:
)T(TKAQ eiD
.
−⋅⋅=
Ambiente esterno
Te
Ambiente interno
Ti
GENERALITA’ TERMOFISICA DELL’EDIFICIO
CARICHI PER TRASMISSIONE CONCLUSIONICARICHI PER
VENTILAZIONE
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 CONCLUSIONICARICHI PER
VENTILAZIONE
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.
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).
DPR 412/93
Per le residenze Ti = 20 ± 2°C
Per le industrie Ti = 18°C
GENERALITA’ TERMOFISICA DELL’EDIFICIO
CARICHI PER TRASMISSIONE CONCLUSIONICARICHI PER
VENTILAZIONE
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.
Ti=18°CTi=20°C
Ti=14°C
Ti=20°C
Locale riscaldato
Sottotetto
Ripostiglio
Garage
Ti=5°C
Locale riscaldato
Te=-5°C
GENERALITA’ TERMOFISICA DELL’EDIFICIO
CARICHI PER TRASMISSIONE CONCLUSIONICARICHI PER
VENTILAZIONE
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.
Le temperature esterne di progetto sono tabellate per le località italiane nelle norma UNI 5364 e sono state determinate a seguitodel monitoraggio temporale delle temperature con metodi statistici.
UNI 5364
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 CONCLUSIONICARICHI PER
VENTILAZIONE
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:
∑ ∑= = α
++λ
+α
= j
1i
k
1i ek
j
j
i
1R
s11
K
GENERALITA’ TERMOFISICA DELL’EDIFICIO
CARICHI PER TRASMISSIONE CONCLUSIONICARICHI PER
VENTILAZIONE
ANALISI DELLA TRASMITTANZA
Andiamo ad analizzare i termini che compongo la formula della trasmittanza.
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.
1/αi e 1/αe
qc
qr
qc
qr
Te Ti
Tsi
Tpi
Tse
TpeAmbiente esterno
Ambiente interno
GENERALITA’ TERMOFISICA DELL’EDIFICIO
CARICHI PER TRASMISSIONE CONCLUSIONICARICHI PER
VENTILAZIONE
ANALISI DELLA TRASMITTANZA
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]
∑= λ
j
1i j
js
s
λ(caratteristico del materiale)
GENERALITA’ TERMOFISICA DELL’EDIFICIO
CARICHI PER TRASMISSIONE CONCLUSIONICARICHI PER
VENTILAZIONE
CONDUCIBILITA’ TERMICA
Il valore della conducibilità termica può essere direttamente ricavata dalla UNI 10351
λmapparente
λdi riferimento
GENERALITA’ TERMOFISICA DELL’EDIFICIO
CARICHI PER TRASMISSIONE CONCLUSIONICARICHI PER
VENTILAZIONE
ANALISI DELLA TRASMITTANZA
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.
∑=
k
1ikR
Struttura eterogenea
GENERALITA’ TERMOFISICA DELL’EDIFICIO
CARICHI PER TRASMISSIONE CONCLUSIONICARICHI PER
VENTILAZIONE
RESITENZA TERMICA
Il valore della resistenza termica può essere direttamente ricavata dalla UNI 10355
Resistenza termica
GENERALITA’ TERMOFISICA DELL’EDIFICIO
CARICHI PER TRASMISSIONE CONCLUSIONICARICHI PER
VENTILAZIONE
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)
Telaio
Vetro
GENERALITA’ TERMOFISICA DELL’EDIFICIO
CARICHI PER TRASMISSIONE CONCLUSIONICARICHI PER
VENTILAZIONE
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
fg
ffggW AA
KAKAK
++
=
SERRAMENTI A DOPPIO VETRO
fg
ffggW AA
LKAKAK
+Ψ++
=
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 ilperimetro del vetro.
GENERALITA’ TERMOFISICA DELL’EDIFICIO
CARICHI PER TRASMISSIONE CONCLUSIONICARICHI PER
VENTILAZIONE
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:
La disomogeneità deriva dalla disposizione geometrica di
strutture uguali.DI FORMA :
La disomogeneità deriva dall’accostamento di strutture
diverse.DI STRUTTURA:
GENERALITA’ TERMOFISICA DELL’EDIFICIO
CARICHI PER TRASMISSIONE CONCLUSIONICARICHI PER
VENTILAZIONE
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:
)T(TLQ eiLptD
.
−⋅⋅Ψ=
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]
GENERALITA’ TERMOFISICA DELL’EDIFICIO
CARICHI PER TRASMISSIONE CONCLUSIONICARICHI PER
VENTILAZIONE
TIPOLOGIE DI PONTI TERMICI
Ponti termici di forma Ponti termici di struttura
GENERALITA’ TERMOFISICA DELL’EDIFICIO
CARICHI PER TRASMISSIONE CONCLUSIONICARICHI PER
VENTILAZIONE
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 CONCLUSIONICARICHI PER
VENTILAZIONE
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 ermeticitàdell’involucro edilizio oppure ventilazione meccanica).
La formula fondamentale per la determinazione del carico termico di ventilazione è:
)T(TcmQ eiapaV
.
−⋅⋅= ,
.
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.
UNI 10344
GENERALITA’ TERMOFISICA DELL’EDIFICIO
CARICHI PER TRASMISSIONE CONCLUSIONICARICHI PER
VENTILAZIONE
La portata di massa dell’aria può essere espressa come:
nVV.
⋅=
a
a. mV
ρ=
.
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:
)T(TcVnQ eiapaV
.
−⋅⋅ρ⋅⋅= ,
PORTATA DI VENTILAZIONE
GENERALITA’ TERMOFISICA DELL’EDIFICIO
CARICHI PER TRASMISSIONE CONCLUSIONICARICHI PER
VENTILAZIONE
Dunque il carico totale disperso sarà dato da:
CARICO TOTALE DISPERSO
Qtotale = Qdispersione + Qventilazione = (QD + QDpt) + Qv
Dimensionamento
dell’impianto di riscaldamento
GENERALITA’ TERMOFISICA DELL’EDIFICIO
CARICHI PER TRASMISSIONE CONCLUSIONI
CARICHI PER VENTILAZIONE