Carico Termico Invernale

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ISTITUTO TECNICO PER GEOMETRI “Di Vittorio” Carico termico invernale Docente: GILBERTO GENOVESE Anno Scolastico 2008-2009 IMPIANTI di RISCALDAMENTO

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calcolo carico termico invernale

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ISTITUTO TECNICO PER GEOMETRI “Di Vittorio”

Carico termico invernale

Docente: GILBERTO GENOVESE

Anno Scolastico 2008-2009

IMPIANTI di RISCALDAMENTO

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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.

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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

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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

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VENTILAZIONE

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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)

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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)

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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

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CONSIDERAZIONI FISICHE

All’ equilibrio la situazione può essere schematizzata nel modo seguente:

Q = ∆ H = 0

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VENTILAZIONE

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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

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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

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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).

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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

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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

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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.

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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

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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

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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.

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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

= j

1i

k

1i ek

j

j

i

1R

s11

K

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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

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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)

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CONDUCIBILITA’ TERMICA

Il valore della conducibilità termica può essere direttamente ricavata dalla UNI 10351

λmapparente

λdi riferimento

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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

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RESITENZA TERMICA

Il valore della resistenza termica può essere direttamente ricavata dalla UNI 10355

Resistenza termica

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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

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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.

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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:

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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]

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TIPOLOGIE DI PONTI TERMICI

Ponti termici di forma Ponti termici di struttura

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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.

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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

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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

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Dunque il carico totale disperso sarà dato da:

CARICO TOTALE DISPERSO

Qtotale = Qdispersione + Qventilazione = (QD + QDpt) + Qv

Dimensionamento

dell’impianto di riscaldamento

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CARICHI PER TRASMISSIONE CONCLUSIONI

CARICHI PER VENTILAZIONE

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