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IMPIANTI E STRUTTURE

Corso di Laurea Specialistica

PAAS

Prof. Massimo Lazzari

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IL CONTROLLO DELLA TEMPERATURA

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Il movimento è il modo di esistere della materia.

L’energia è materia (E = m *c2). L’energia è movimento (L = F * s)

Mai in nessun luogo c'è stata e può esserci materia senza movimento. Movimento nello spazio cosmico, movimento meccanico di masse più piccole nei singoli corpi celesti, vibrazione molecolare come calore o come corrente elettrica o magnetica, scomposizione e combinazione chimica, vita organica: sono queste le forme di movimento, nell'una o nell'altra o contemporaneamente in parecchie delle quali si trova, in ogni dato istante, ogni singolo atomo di materia cosmica. In realtà non esiste distinzione tra materia e movimento: sono la stessa cosa.

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calore

Energia in transitoEnergia = Lavoro = F * s

Fenomeno per cui le molecole vibrano e trasmettono le loro vibrazioni

urtandosi l’una con l’altra o attraverso l’emissione di radiazioni.

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CalorePrimo principio della termodinamica: il calore si

trasferisce da un corpo a temperaura più elevata a un corpo a temperatura inferiore.

La temperatura ci indica il livello di calore di un corpo e quindi ci permette di prevedere la direzione del

trasferimento di energia.

La termodinamica tuttavia non ci dice nulla riguardo al tempo. Ci dice che l’energia si sposta da un corpo all’altro

ma non in quanto tempo

Potenza = Energia/ tempo = Flusso di energia nell’unità di tempo = W

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La temperatura negli allevamenti

• È il parametro sul quale si è maggiormente accentrata l'attenzione dei ricercatori e ciò sia per una sua indubbia notevole influenza sulla produzione, sia perché è certamente il parametro più semplice da controllare nel ricovero.

• I livelli di temperatura ottimali sono correlati all'età, alla razza ed al livello alimentare.

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• Come noto gli animali allevati, di interesse zootecnico, sono omeotermi; tendono cioè a mantenere costante la temperatura del corpo, grazie ad un complesso sistema di termoregolazione.

• Tale sistema è efficace entro un certo campo di variazione della temperatura esterna al di fuori del quale l'animale non è più in grado di mantenere il suo stato di omotermia, con situazioni allora di ipo o ipertermia, sino alla morte da freddo o da caldo.

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• Il campo di temperature all'interno del quale la produzione di calore è minima, ed è quindi massima l'energia dell'alimento che resta disponibile per la produzione, si indica come zona di termoneutralità, di confort o di benessere.

• Tale zona di massima produttività, è delimitata dalle temperature critiche inferiore e superiore al di là delle quali l'organismo deve spendere energia aggiuntiva per mantenere l'omeotermia.

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10Temperatura critica

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Nella zona C-F la produzione di calore è indipendente dalle condizioni

microclimatiche e varia principalmente in relazione al livello nutritivo ed al peso dell’animale, mentre

l’utilizzazione dell’energia a fini produttivi raggiunge i più alti valori: in tale intervallo la

temperatura ambientale influisce solo sulla tipologia di calore disperso, poiché al suo variare l’eventuale minor dispersione di calore sensibile è compensata

dall’aumento della quota di calore latente e viceversa.

ZONA DI TERMONEUTRALITA’

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- la temperatura critica inferiore è definita come la temperatura ambientale al di sotto della quale l’animale è costretto ad aumentare la produzione di calore per mantenere l’omeoternia (in pratica è la temperatura più bassa alla qualecorrisponde la minima produzione di calore);- la temperatura critica superiore è la temperatura ambientale al di sopra della quale gli animali aumentano la produzione di calore come conseguenza del lavoro muscolare richiesto per l’incremento della frequenza respiratoria e di quella cardiaca.

TEMPERATURE CRITICHE INFERIORE E SUPERIORE’

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Bilancio termico

m+ p

s

l

H2O

ConduzioneConvezioneIrraggiamento

mantenimento+ produzione>- sensibile+ latente

1 g/h di H2O=0,68 Wh di energia

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s

l ls

p p

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produzione media mensile di latte

2020,5

2121,5

2222,5

2323,5

24ge

n

feb

mar apr

mag giu

lug

ago

set

ott

nov

dic

mesi

pro

du

zio

ne

di

latt

e (k

g/g

iorn

o)

2001

2002

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• Vari fattori quali il livello alimentare, la qualità della dieta, l'età degli animali, le dimensioni corporee, la numerosità del box, il tipo di pavimentazione ed il tipo di ventilazione influenzano i valori delle temperature critiche, per cui, la determinazione delle condizioni ambientali operative ottimali, deve discendere da un esame complessivo del management.

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EFFETTI SULLA PRODUTTIVITA’ – Es. BOVINE

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NON DIPENDE SOLO DALLA TEMPERATURA

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NON DIPENDE SOLO DALLA TEMPERATURA

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NON DIPENDE SOLO DALLA TEMPERATURA

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NON DIPENDE SOLO DALLA TEMPERATURA

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VALE ANCHE PER I SUINI

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Conservare il calore durante la stagione fredda

Disperdere il calore durante la stagione calda

Sempre e comunque controllare il trasferimento del calore

Condizionamento ambientale

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m+ p

s

l

H2O

ConduzioneConvezioneIrraggiamento

mantenimento+ produzione-> sensibile+ latente

1 g/h di H2O= 0,68 Wh di energia

Apporto termico degli animali in un edificio produttivo

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qr :radiazione solare

qe :attraverso le pareti

qa :emesso dagli animali

qv :ventilazione

Tqqqqq vesuar

qsu :riscaldamento

Bilancio termico di un edificio produttivo

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tab. 6.15

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PRODUZIONE DI CALORE METABOLICO E PRODUZIONE DI LATTE

CON PIU’ DIVENTANO PRODUTTIVE CON PIU’ SONO SOGGETTE A STRESS DA CALDO

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PRODUZIONE DI CALORE METABOLICO E PRODUZIONE DI LATTE

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La temperatura ambientale e la temperatura radiante hanno influenza sulla produzione di calore sensibile

degli animali

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Come si trasmette il calore sensibile:Conduzione

Convezione

Irraggiamento

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λ è la conducibilità termica e ci indica il

flusso di calore (Watt) che passa attraverso uno spessore di materiale di 1 m per ogni °C di differenza di temperatura tra le due facce dello stesso.

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materiale λ [W/m °C] Massa volumica [kg/m3]

Rame 320 8900

Acciaio 52 7800

Vetro 1 2400

Gesso 0,35 1200

Cemento 1,4 2000

Mattoni pieni 0,63 1800

Mattoni forati 0,38 1400

Legno 0,14 600

Calcestruzzo autoclavato

0,12 500

Lana di vetro 0,035 100

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Conduttanza (C) e resistenza termica (R)

C = λ /s [W/m2 ·°C],con s = spessore materiale in [m]

R = 1/ C = s / λ [m2 ·°C/W]

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Esercizio n.1

Quale è il flusso di calore che passa per conduzione da uno spessore di 20 cm di cemento armato sapendo che la conducibilità è di 0,93 [W/m · °C]. Quale è la resistenza termica della parete?

C = λ /s = 0,93/0,2 = 4,65[W/m2 ·°C],

R = s / λ = 0,2 / 0,93 = 0,21[m2 ·°C /W]

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Conduzione di calore

Flusso di calore che attraversa una generica superficie S quando si ha una temperatura interna pari a t1 e una temperatura esterna pari a t2

Q = C · S · (t2 – t1) [W],

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Esercizio n.2

Quale è il flusso di calore che attraversa una superficie di 400 m2 del materiale di cui all’esercizio 1 quando la temperatura interna è di 18 °C e quella esterna di – 2 °C. Quale la quantità di calore Qdie dispersa in una giornata?

Q = 4,65 · 400 · 20 = 37200[W],

Qdie = 37200 ·24 /1000 = 892,8 [kWh]

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PRESENZA CONTEMPORANEA DI DIVERSE MODALITÀ DI SCAMBIO TERMICO Al momento in cui siamo in presenza di diverse modalità di scambio termico (convezione + irraggiamento + conduzione) si introduce il concetto di coefficiente di trasmittanza U (o coefficiente globale di scambio).

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Resistenza complessiva di una parete

R = 1/αi + s / λ + 1/ αe [m2 ·°C /W]

• 1/αi resistenza liminare interna parete

• 1/ αe resistenza liminare esterna parete

1/αi + 1/ αe = 1/20 + 1/15 = 0,15 [m2 ·°C /W]

R = 0,15 + (s / λ) [m2 ·°C /W]

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Trasmittanza di una parete

U = 1/R [W /m2 ·°C]

Fondamentalmente si usa solo questo valore!!!!!

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Esercizio n.3

Quale è la resistenza termica di una parete di 20 cm di cemento armato sapendo che λ = 0,93 [W/m · °C]? Quale è la sua trasmittanza?

R = 0,15 + s / λ = 0,15 + 0,2 / 0,93 = = 0,36 [m2 ·°C /W]

U = 1/R = 2,70 [W/m2 ·°C]

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Pareti multistrato

R = 0,15 + (s1 / λ1 + s2 / λ2 +….+ sn / λn) [m2 ·°C /W]

U = 1/R

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Intercapedini d’aria da 3 a 20 cm

R = 0,18 [m2 ·°C /W]

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Esercizio 4si calcoli la trasmittanza di una

parete composta da:strato Spessore [m] λ

Mattoni pieni 0,12 0,5

Mattoni forati 0,08 0,35

Intonaci interni ed esterni

0,02 0,8

Intercapedine 0,05 ---

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Calcolo R

R = 0,16 + 0,18 + (0,12/0,5 +0,08/0,35 + 0,02/0,8) = 0,86 [m2 ·°C /W]

Calcolo K

U = 1/ 0,86 = 1,16 [W /m2 ·°C]

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Esercizio 4Quale sarà la trasmittanza U della

parete precedente inserendo nell’intercapedine un pannello

isolante con spesso 3 cm e λ = 0,02 W /m2 ·°C

R = 0,86 + 0,03/0,02 = 2,36 [m2 ·°C /W]

U = 1/ 2,36 = 0,42 [W /m2 ·°C]

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Esercizio 5Quale sarà quantità di calore

giornalmente disperso dalla parete precedente ipotizzando una Ti = 18 °C una Te = -2 °C e una superficie

complessiva di 200 m2

Qdie = K · S · 24 · (ti – te)/1000 = 40,32 [kWh]

Q = K · S · (ti – te) = 1680 [W]

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Calore disperso dal pavimento

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La trasmissione del calore attraverso il pavimento avviene prevalentemente sul perimetro esposto.

Per calcolare il valore di U del pavimento si può usare una relazione empirica, valida per pavimenti con superficie maggiore di 25 m2:

Up = 0.05 + 1.65 * (S/P)-1- 0.6 * (S/P)-2

Dove: S è la superficie del pavimento;

P è la somma della lunghezza dei lati esposti.

Se è presente uno strato isolante:

i

i

p

t sU

U

1

1

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Valore di U per pavimenti solidi in contatto con il terreno e con quattro lati esposti

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Esercizio 6

Quale è la trasmittanza di un pavimento con 100 m di lunghezza e 16 m di larghezza.

S = 100 ·16 = 1600 [m]P = (100+ 16) · 2 = 232 [m]S/P = 1600/16 = 6,9 [-]

Up = 0,05 + 1,65 · (6,9)-1 - 0.6 · (6,9)-2

= 0,28 [W /m2 ·°C]

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Esercizio 7

Parete

R = 0,15+ 0,3/0,93 + 0,04/0,87 + 0,03/0,7 = 0,56

U= 1/R = 1/0,56 = 1,78

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Esercizio 7

ii

iii

m S

Skk

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Ricerca della temperatura di equilibrio

Un’altro fattore in grado di influenzare le proprietà coibenti degli isolanti è rappresentato dall'umidità poiché il vapore acqueo, che tende a trasmigrare spontaneamente dall’interno all’esterno del ricovero per effetto della differenza di pressione e della porosità dei materiali, incontrando temperature via via più basse all’interno della massa, può giungere al punto di saturazione e condensare. Ciò accade più facilmente negli strati isolanti, dove il salto termico è elevato, determinandone un forte aumento di conducibilità poiché, qualora nei pori venga a condensarsi del vapore, la resistenza termica del materiale precipita a valori bassissimi. Per prevenire questo tipo di danno è necessario proteggere il materiale coibente con una “barriera al vapore”, cioè uno strato impermeabile al vapore (materiali plastici o bituminosi, anche semplici fogli di polietilene) che, posto sulla faccia dello strato coibente rivolta verso l’interno dell’edificio, sia in grado di assicurare il mantenimento, nel tempo, delle caratteristiche di isolamento dei materiali. Tale intervento è indispensabile, ad esempio, nella copertura, in prossimità della quale si ha normalmente la stratificazione dell’aria più calda, e quindi anche più umida.

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BARRIERA al VAPORE

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BARRIERA al VAPORE

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BARRIERA al VAPORE

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capacità termica o inerzia termica • strettamente correlato con l'isolamento, è il potere

che ha la parete di immagazzinare calore, ad una certa temperatura, e di cederlo a temperatura più bassa.

• Tale caratteristica dipende soprattutto dal “peso” della costruzione; in presenza di pareti e di coperture pesanti è più facile mantenere condizioni ambientali costanti, anche con situazioni esterne notevolmente variabili, sia nei periodi invernali che estivi.

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CONTRIBUTO DELLE PARETI PESANTI

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Oltre alla temperatura dell'aria ambiente ha influenza pure il grado della temperatura raggiante (=media delle temperature delle superfici interne dell'edificio). Quando la temperatura raggiante media è pressoché eguale a quella dell'aria, circa il 40-50% del calore sia ceduto sotto forma di radiazioni elettromagnetiche; è quindi molto importante che i valori di queste due temperature siano il più vicini possibile; ciò si ottiene realizzando ricoveri “pesanti” e ben coibentati.

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sfasamento

attenuazione

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• Fig. 6.13

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Ponti termici

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La

D

Si considera non solo l’area del ponte termico ma si estende la sua influenza al doppio della sua distanza dalla parete:

L=La + 2 D