Carichi termici in regime invernale ed estivo - Prof.Arch.Gianfranco Cellai

Carichi termici in regime
  invernale ed estivo

  Prof.Arch.Gianfranco Cellai

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.

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

Schema funzionale

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.

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 27 °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.

UNI 10339

temperature di
progetto estive

Dati climatici: UNI 10349

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 .

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 .

Convenzione dei segni

                                       inverno

--- asporto calore all’aria ambiente
+ fornisco calore all’aria ambiente

                                        estate

Bilancio termico in un ambiente
Per il principio di conservazione dell’energia il
bilancio termico dell’aria racchiusa in un ambiente
ad un dato istante è espresso dalla seguente
equazione (segni in valore assoluto):
            QC + QV + QG + QP = 0
QC = potenza termica scambiata per convezione con
le pareti;
QV= potenza termica dovuta alle portate d’aria di
ventilazione ed infiltrazione;
QG = apporti interni gratuiti;
QP = potenza fornita dal terminale d’impianto

Scambio termico in regime invernale

              - QC - QV + QG + QP = 0
generalmente QG si trascura
In regime stazionario la componente convettiva QC può
essere determinata ricorrendo al principio di
sovrapposizione degli effetti :

QC = Qt + Qs
Qt = potenza termica scambiata per trasmissione
Qs = potenza termica attribuita all’irraggiamento solare
Generalmente Qs si trascura.

L’equazione del bilancio termico diviene:

                 - Qt - QV + QP = 0
QV è un carico termico per il terminale solo se l’aria di
ventilazione è immessa direttamente in ambiente; se l’aria è
trattata centralmente il carico termico corrispondente grava sulle
batterie dell’unità di trattamento aria e quindi si ha:

                   - Qt + QP = 0
Qt è dato da :

Qt = Σ i =1,n [Ui Si (θa – θe)]i + Σ i =1,p [k L (θa – θe)]i (W)
U = Trasmittanza termica del componente
S = superficie del componente
k = trasmittanza lineare del ponte termico
L = dimensione caratteristica del ponte termico

Ricambi 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.
Per gli edifici dotati di sistemi di ventilazione meccanica il
ricambio d’aria è fissato pari a:

dove Vf è la portata d’aria di progetto del sistema per
ventilazione meccanica, ηv è il fattore di efficienza
dell’eventuale recuperatore di calore dell’aria (pari a 0 se
assente).L’obbligo del recupero è stabilito per legge.

UNI 10339

Ventilazione naturale e infiltrazioni d’aria
si possono determinare mediante il seguente prospetto
(fonte UNI 10344) m3/(h x m3) = h-1

Il numero dei volumi d'aria ricambiati in 1 h (valore medio nelle 24 ore) si può calcolare come
segue :

                           (24 − toc ) ϕ ⋅ toc ⋅ ia ⋅ Ap
                  n = 0,15            ⋅+
                              24         2400 ⋅ V
      Dove: 0,15 è il ricambio d'aria minimo in assenza di persone;

ϕ            è la portata d'aria esterna in metri cubi per ora per persona richiesta nel periodo di
             occupazione dei locali;

toc          è il periodo di occupazione giornaliero dei locali, espresso in ore;

Ap           è l’area utile del pavimento;

ia           l’indice di affollamento dei locali, espresso in numero di persone per 100 m2 di
             superficie calpestabile;

Va           è il volume dell’aria nello spazio riscaldato ed è calcolato facendo riferimento alle
             dimensioni interne delle strutture edilizie.
          I dati di portata d'aria esterna in metri cubi all’ora per persona e dell'indice di
affollamento dei locali si desumono dalla UNI 10339.

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 · ρ · cp · (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 · cp = 0,34 (Wh/m3 °C)

Carichi termici estivi
Diventa fondamentale sia il carico termico dovuto alla
ventilazione QV , talora anche quello degli apporti interni QG
ma soprattutto quello 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;

Apporti solari attraverso componenti opachi
Per tenere conto della trasmissione di calore attraverso i componenti
opachi e quindi dell’effetto di accumulo e ritardo delle murature
(inerzia) si introduce il concetto della differenza di temperatura
equivalente DTE (°C). Si ha pertanto per le pareti i-esime:
                      QSE = Σi (Ui x Si x DTE)

                                   QSE = U · S · [(tem-ti) + γ · (te – tem)]
                                   DTE = [(tem-ti) + γ · (te – tem)]
                                   γ < 1 inerzia termica della costruzione

DTE
La DTE si trova tabulata in
funzione della massa
superficiale della parete
(kg/m²), della latitudine 40N
per una temperatura esterna
di 34 °C , una escursione
termica di 11 °C, ed una
temperatura interna di 26 °C.
Per valori diversi dai
suddetti si apportano delle
correzioni.

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)

Fattore di
    accumulo

M

Contributo di apporti gratuiti
Gli apporti gratuiti QG 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.

Carichi endogeni Qi

Il carico termico massimo contemporaneo
I carichi termici dell’irraggiamento solare, della ventilazione, e dei carichi
interni sono tra loro indipendenti e possono raggiungere valori massimi in
tempi tra loro differenti.
Per il dimensionamento dei gruppi frigoriferi nasce allora il problema di
determinare la punta massima raggiunta dalla combinazione contemporanea
dei vari carichi che rappresenta la massima potenzialità frigorigena che
dovrà erogare la macchina.
Tuttavia è noto che il carico massimo complessivo dei vari locali si verifica
in genere in coincidenza col massimo valore della radiazione solare e
pertanto per ogni esposizione è determinata l’ora cui riferire il calcolo dei
carichi massimi istantanei, tenuto conto delle superfici finestrate e dei valori
della DTE.
Analogamente anche elevati affollamenti nei mesi estivi in determinate ore
porta al conteggio nel mese più caldo in quanto il trattamento dell’aria
esterna incide notevolmente sul carico complessivo.

Massimo carico
               contemporaneo
Esposizione
prevalente a    trasmissione
    sud
                  ventilazione

                 irraggiamento

Considerazioni finali
La conoscenza della massima irradiazione su superfici
verticali e orizzontali non è esaustiva al fine della
determinazione del massimo carico istantaneo.
Ad esempio per l’esposizione a sud l’irradiazione massima
alle nostre latitudini si ha al mezzogiorno, mentre dall’esame
della tabella dei fattori di accumulo si rileva che questi
raggiungono valori massimi nelle ore immediatamente
successive (verso le ore 15.00), così come i valori della DTE
per le rientrate di calore attraverso i muri e la copertura.
La percentuale di superfici vetrate a sud e la massa
superficiale delle pareti e della copertura possono pertanto
influenzare la determinazione del massimo carico
contemporaneo. Analogamente si dovrà procedere all’esame
delle altre esposizioni.

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.