Laboratorio Integrato di Progettazione Tecnologica (Modulo...

3/3/18

1

UNIVERSITA� DEGLI STUDI DI CAGLIARI

FACOLTÁ DI INGEGNERIA E ARCHITETTURA

Laurea in Archite:ura

Laboratorio Integrato di Progettazione Tecnologica (Modulo di Termofisica dell’edificio)

a.a. 2017-2018

La trasmittanza termica dinamica (Numero di slide 1 – 45)

Docente: ROBERTO RICCIU1

ROBERTO RICCIU Laboratorio Integrato di Proge:azione Tecnologica (Modulo di Termofisica dell’edificio) A.A. 2017-18

Riferimenti normativi: UNI 13786 / Anna Magrini: •

soluzioni per l’isolamento termico degli edifici

esistenti. EPC ed. 2013

Indice:

Calore specifico e capacit• à termica

Equazione generale della conduzione •

Parametri dinamici di una parete •

� UNI 13786

La trasmittanza termica dinamica

2ROBERTO RICCIU Laboratorio Integrato di Proge7azione Tecnologica (Modulo di Termofisica dell’edificio) A.A. 2017-18

3/3/18

2

Ricapitoliamo dalla Fisica Tecnica:- L’edificio è un sistema termodinamico che ha per confinel’involucro edilizio. - L’involucro “dovrebbe” essere in grado di “controllare”le condizioni del sistema.- Quali sono le condizioni attese del sistema?: il comfort

- Quali sono le caratteristiche del confine/involucro è argomento della lezione



Gli edifici – ad es. nel clima mediterraneo - sono continuamente soggetti a fluttuazioni (generalmente con periodicità giornaliera) a causa delle variazioni periodiche delle condizioni climatiche esterne e delle condizioni di utilizzo.

Per poter valutare gli effetti prodotti dal regime dinamico sull’edificio occorre considerare gli effetti dello stoccaggio di energia:



3/3/18

3

Per• la natura dei materiali impiegati nell’edilizia, la velocità dievoluzione dei fenomeni termici è nettamente governatadalla conduzione, tanto da potere considerare, rispetto adessa, quasi istantanei gli altri scambi per convezione edirraggiamento.Se• utilmente impiegato, il ritardo con cui l’onda termicaproveniente dall’esterno riemerge dalla faccia interna dellaparete puo consentire di avere ambienti con involucri ancorafreschi quando all’esterno si ha il massimo dell’irraggiamentosolare o della temperatura dell’aria.



Il calore specifico (c) è una proprieta del materiale e indica la quantita di calore (Q) necessaria per aumentare di 1 K la temperatura di 1 kg di massa:

Capacità termica (C):

Es.:Valutare l’energia termica necessaria ad aumentare di 20 �C la temperatura di 1 m3 di calcestruzzo normale e di 1 m3 di aria.

Il n calore specifico del calcestruzzo normale e dell’aria sono rispettivamente pari a n ccalc = 1080 J/(kg·K) n caria = 1008 J/(kg·K)

Qcalcn = 47520 kJ n Qaria = 24.7 kJ



3/3/18

4

Il regime termico dinamico tiene conto del fatto che durantel’arco della giornata si hanno variazioni della temperatura esternae di quella interna secondo determinate leggi che normalmente sipossono approssimare a sinusoidi. La parete subisce l’effettocombinato delle due caratteristiche: accumulo termico o capacitàtermica e resistenza termica; l’effetto combinato vienedenominato inerzia termica.

La trasmittanza termica dinamica: inerzia termica


Benefici dell’inerzia termica: l’inerzia termica legata al fenomenoconduttivo è capace di:q mitigare le oscillazioni di temperatura nell’ambiente;q realizzare migliori condizioni di benessere; q limitare i costi di installazione e di gestione degli impianti. Infatti, il valore massimo della potenza termica richiesta per la climatizzazione estiva può essere ridotto sfasando in modoadeguato gli istanti in cui il carico termico per ventilazione e quelloper trasmissione raggiungono i rispettivi picchi giornalieri. § E’possibile così evitare che all’interno accada quanto avvieneall’esterno, ossia la presenza, quasi contemporanea dellamassima insolazione e del valore piu alto della temperaturadell’aria. § Con un valore del carico massimo di raffreddamento piu basso, sarà necessario dimensionare un impianto con taglia e costosicuramente inferiori e che avrà inoltre un migliore rendimentoenergetico.



3/3/18

5

L’inerzia termica della parete si manifesta con: §Uno SMORZAMENTO dell'ampiezza dell'onda.

§Uno SFASAMENTO tra l'onda esterna e quella interna (capacita di una parete a far sentire più tardi gli effetti termici che si hannoall'esterno).




3/3/18

6



3/3/18

7

§L’evoluzione termica degli edifici è caratterizzata dal comportamento delle pareti esterne in condizioni di transitoriotermico. §Lo studio in regime dinamico delle pareti, ovvero la caratterizzazione del comportamento delle pareti in condizioni al contorno variabile (T esterna, radiazione solare incidente, ecc...), viene proposto secondo il modello delle condizioni al contornovariabili attraverso un’armonica semplice di periodo temporalecostante come, ad esempio, una sinusoide.

Si q parla di caso semplificato di una variazione sinusoidale dellatemperatura esterna di parete (mantenendo costanti le condizioni sulla parete interne), cioè di

Regime Periodico Stabilizzato

La trasmittanza termica dinamica: Il transitorio termico


Tale q approccio è il caso particolare di una metodologia piùgenerale nota come dei “Metodi Armonici” o “Analisi in frequenza” particolarmenteadatta a studiare “segnaliperiodici”. Essi permettonoinfatti di scomporre e, successivamente, ricombinareun segnale generico in unasomma (infinita) di sinusoidi.

La trasmittanza termica dinamica: Il transitorio termico


3/3/18

8

“Qualunque segnale periodico è scomponibile nella somma di un eventuale termine costante (valore medio del segnale) e di unaserie (anche infinita) di sinusoidi delle quali, una ha la stessafrequenza del segnale considerato (armonica fondamentale) e le altre hanno frequenze multiple intere (armoniche superiori) con ampiezze via via decrescenti”.

Mediante la serie di Fourier (o trasformata di Fourier) trasformoun segnale in infinite sinusoidi. Le “operazioni tra sinusoidi” sonorelativamente semplici giacche le serie di Fourier si possonoriscrivere in forma:-Complessa; -Rettangolare (o trigonometrica); -Polare.

La trasmittanza termica dinamica: Trasformata di Fourier


La relazione che si applica per determinare quanto caloreaccumula una parete dopo una variazione di temperatura è:


L’equazione l’accumulo di calore dipende dalla -densita del materiale. I materiali aventi un - peso specifico elevato e privi di vuoti hanno una grande capacità di accumulo di calore (ossia un’elevata capacità termica).

Basti pensare alla pietra, materiale che si scalda molto lentamente e che rilascia il calore accumulato nell’ambiente in tempi molto lunghi.


3/3/18

9

La relazione che si applica per determinare quanto caloreaccumula una parete dopo una variazione di temperatura è:

La trasmittanza termica dinamica: massa

- Edifici costituiti da strutture perimetrali con poca massa termica possono presentare nell’arco della giornata temperature con punte al di fuori della zona di comfort, con necessità di riscaldamento nel periodo invernale o di raffrescamento nel periodo estivo; viceversa, nel caso di edifici massivi la restituzione dell’energia accumulata può portare a una maggior efficienza e, in ogni caso, a un migliore funzionamento degli impianti correlato ai carichi di punta inferiori.


• Un esempio dell’efficacia dell’accumulo termico si ha osservando l’evolversi della temperatura interna nelle cattedrali e nei castelli, ed in tutte quelle strutture dove sono presenti grandimasse murarie.

• Le masse di accumulo, ad esempio con murature (soprattuttointerne) spesse, è in contrasto con la tendenza odierna di utilizzare materiali leggeri e manufatti industriali capaci di un elevato isolamento termico ma di bassa capacità termica.

• Tuttavia, non basta una buona capacità termica, ma ènecessaria anche una buona capacita di restituzione o di immagazzinamento dell’energia. Quest’ultimo aspetto è legato al fattore di attenuazione, citato in precedenza.

La trasmittanza termica dinamica: effusività


3/3/18

10




20

I - materiali che hanno elevata capacità termica e contemporaneamente sonobuoni conduttori di calore hanno più elevata effusività termica e rispondono meglio all’esigenza di attenuare le oscillazioni termiche interne poiché sono in grado di immagazzinare e di cedere energia con maggiorevelocità e quindi più prontamente rispetto alle sollecitazioni esterne.

Particolare- attenzione meritano le pareti interne, rivestendo un ruolofondamentale nei transitori di accensione e spegnimento degli impianti, nonché nella regolazione di tali impianti.

ROBERTO RICCIU Laboratorio Integrato di Proge8azione Tecnologica (Modulo di Termofisica dell’edificio) A.A. 2017-18

3/3/18

11

La trasmittanza termica dinamica: progettazione

21

Bisogna fare alcune considerazioni in fase progettuale: -L’ordine di grandezza del calore specifico dei materiali da costruzione è nell’ordine di 1 kJ/(kg K). Per aumentare l’accumulotermico bisogna pertanto ricorrere a masse elevate e/o ad innalzamento della temperatura media dei materiali; -La funzione di accumulo termico e quella di isolamentodovrebbero essere deputate a materiali diversi (isolamento agliisolanti e accumulo alla parte strettamente strutturale (calcestruzzo));

-E’ necessario sincronizzare il momento di accumulo termico e quellodi cessione all’ambiente (es. accumulo di giorno e rilascio di notte). Questo potrebbe essere ottenuto con un isolamento termico variabiledelle masse di accumulo facendo si che la superficie di tali masse vangano a contatto con l’aria interna nel momento desiderato. Inoltre, nel caso invernale l’aria esterna è a temperatura inferiore, ènecessario isolare termicamente verso l’esterno le masse di accumulo.


La trasmittanza termica dinamica: progettazione

22

q Nel caso invernale, con impianto termotecnico funzionante, l’aria interna si porta ad una temperatura maggiore di quella dellemasse murarie e pertanto si verifica cessione di energia termica a talimasse.

§ All’atto dello spegnimento dell’impianto, a seguito degliscambi termici con l’ambiente esterno e per infiltrazioni, l’aria internaassume una temperatura inferiore a quella delle masse di accumuloe pertanto si osserva un’inversione di segno negli scambi termici(sempre che queste ultime siano isolate termicamente dall’ambienteesterno). q Durante il periodo estivo il comportamento è simmetrico.

§ Durante il giorno le “rientrate termiche” tendono a riscaldare non solo l’aria interna ma anche le masse di accumulo. Al tramonto, il fenomeno tende ad invertirsi. Inoltre, durante le prime ore serali, l’aria esterna ha una temperatura sufficientemente bassa da poter essere utilizzata per ventilare le strutture di accumulo edevitare che queste cedano potenza termica all’ambiente interno.


3/3/18

12

La trasmittanza termica: progettazione


La trasmittanza termica: esempio

24

Le due pareti riportate nelle figure sono uguali, questo implica chehanno la stessa resistenza e trasmittanza termica stazionaria.


3/3/18

13

La trasmittanza termica: esempio

25

Distribuzione di temperatura

La parete b ha una efficacia maggiore della a (masse maggiori nello strato interno)


La trasmittanza termica dinamica: UNI EN ISO 13786

26

• Si consideri uno strato di materiale (elemento) che separa le zone n ed m; • Lo strato è costituito da un materiale omogeneo, isotropo e compreso tra superfici piane e parallele... Sulla parete n è applicata una variazione sinusoidale dellatemperatura


3/3/18

14


27

L’equazione di Fourier per la conduzione in regime transitorio(flusso monodimensionale)...




3/3/18

15




30

Parete multistrato?


3/3/18

16


31

Esempio di parete multistrato:



32

Legame tra le variazioni del flusso termico e della temperatura sui due lati di una parete:


3/3/18

17





3/3/18

18




36

Da studi effettuati con monitoraggi e simulazioni di edifici campione è risultata verificatal’efficacia dell’approccio con la trasmittanza termica periodica Ymn per ottimizzare ilrisparmio energetico nella climatizzazione di un edificio. Riconducendo il problemaestivo essenzialmente ai flussi entranti dall’esterno (irraggiamento solare e trasmissioneconduttiva delle pareti esterne), al fine di ridurre il contributo dei carichi esterni, la limitazione della Ymn, in effetti, presenta una sua validità.Tuttavia, laddove vengano considerati anche i carichi interni, l’uso di un involucroleggero è fortementecoibente è controindicato, non tanto dal punto di vista del risparmio energetico, ma soprattutto dal punto di vista del comfort abitativo.ROBERTO RICCIU Laboratorio Integrato di Proge8azione Tecnologica (Modulo di Termofisica dell’edificio) A.A. 2017-18

3/3/18

19




38

ProceduraLa procedura è la seguente:1.identificare i materiali costituenti gli strati del componente edilizio e lo spessore di questi strati e determinare le caratteristiche termiche dei materiali;2.specificare il periodo delle variazioni in corrispondenza delle superfici;3.calcolare la profondità di penetrazione per il materiale di ogni strato;4.determinare gli elementi della matrice di trasferimento per ciascuno strato;5.moltiplicare le matrici di trasferimento di ogni strato, escludendo quelle degli strati periferici, nell'ordine corretto per ottenere la matrice di trasferimento del componente.


3/3/18

20



40

Rapporto di calcoloIl rapporto di calcolo deve comprendere la descrizione del componente edilizio, il suo utilizzonormale (parte dell'involucro o componente interno) e l'elenco delle zone a contatto con esso.Ogni parte omogenea deve essere chiaramente definita, con le sue dimensioni e l'identificazionedel materiale utilizzato per la parte, cosi come la conduttività termica, la densita e la capacitàtermica specifica usata per i calcoli. Il rapporto deve fornire per ogni componente le conduttanze termiche periodiche e le capacitàtermiche, insieme al periodo T, utilizzati per i calcoli.In aggiunta, per componenti piani costituiti da strati omogenei, il rapporto deve contenere: §l'areadell'elemento; §una lista degli strati a cominciare dal lato 1; il lato 1 adottato nei calcoli deve essere chiaramenteindicato; per componenti dell'involucro edilizio, il lato 1 deve essere il più interno;§i quattro elementi della matrice di trasferimento, Z; questi numeri complessi sono identificati da modulo e argomento, in unità angolari; gli argomenti possono essere anche convertiti nellecorrispondenti variazioni temporali; §le due ammettenze termiche, rappresentate da modulo e argomento;§il fattore di decremento;§la trasmittanza termica, calcolata in accordo con la EN ISO 6946.L'inverso della matrice Z, corrispondente alla matrice di trasferimento del componente invertito, deve essere fornito anche per i componenti dell'involucro edilizio che potrebbero essere installaticon uno o l'altro lato in corrispondenza dell'ambiente esterno. Se il calcolo è stato effettuato per diversi periodi, i risultati devonoessere forniti per ogni periodo.


3/3/18

21





3/3/18

22


43

Da ricordare:

La trasmittanza termica periodica Yie = -1/Z12

è definita come il rapporto tra la variazione di flusso termico in entrata in un ambiente

mantenuto a temperatura costante e la variazione di temperatura sull’altro ambiente

Lo sfasamento dell’onda termica, dall’argomento f=arg (Yie)

rappresenta il tempo con cui il picco massimo della temperatura esterna impiega ad

attraversare completamente un componente edilizio

Il fattore di decremento si ottiene dal rapporto:

Fa = mod(Yie)/U



44

FINE


Laboratorio Integrato di Progettazione Tecnologica (Modulo...

Documents

Transcript of Laboratorio Integrato di Progettazione Tecnologica (Modulo...