I fabbisogni degli edifici 1 Condizioni di progetto
1.1 Condizioni termoigrometriche interne Nella stagione estiva la temperatura interna dovrebbe essere, in ambienti con presenza continua di persone con attività moderata, di 24-25 °C con umidità relativa tra il 45% e il 50%, dato che con questi valori si raggiungono per il maggior numero degli occupanti le condizioni di benessere termico; con tale temperatura interna il salto termico tra ambiente interno ed esterno potrebbe però risultare risultare troppo elevato con effetto di freddo eccessivo per le persone che dall'esterno entrano nell'ambiente condizionato. L'impianto viene pertanto dimensionato, dimensionato, nelle condizioni di carico mediamente più gravose, per temperature temperature interne interne superiori e variabili a seconda degli ambienti da 25 a 29 °C, con conseguente risparmio dei costi di installazione e di esercizio; l'umidità relativa viene contenuta in un campo di valori compresi tra 45% e 60%, con i valori più bassi corrispondenti alle temperature inferiori. Le temperature convenzionali dell'aria esterna riportate nella tabella 2 si riferiscono alle ore 15 e al mese di luglio. Poiché il dimensionamento dell'impianto va fatto per il carico estivo mediamente più gravoso, che non è detto si verifichi sempre alle ore 15 del mese di luglio, è necessario conoscere anche le condizioni termoigrometriche esterne in altre ore della giornata e in altri mesi dell'anno. Sono state pertanto elaborate, in base ai dati climatici e in funzione della escursione termica nelle 24 ore, le correzioni da apportare alle temperature convenzionali esterne per varie ore della giornata dalle 8 alle 20 (tab. 3). 1.3 Aria esterna di ventilazione Le condizioni di benessere di un ambiente dipendono oltre che dalla temperatura e dall'umidità relativa dell'aria anche dalla sua purezza, che pertanto deve essere mantenuta al grado più alto.
.possibile, compatibilmente con l'economicità dell'impianto. Nell'ambiente condizionato condizionato non deve esserci quindi sensibile presenza presenza di polveri in sospensione sospensione,, fumo, odori molesti, inquinanti ecc.; inoltre l'aria deve essere il più possibile possibile batteriolo batteriologica gicamente mente pura. pura. Al fine di mantenere negli ambienti condizionati un sufficiente grado di purezza dell'aria è necessario rinnovare con
La diluizione con aria esterna filtrata costituisce infatti il mezzo fondamentale di controllo della purezza purezza dell'aria negli ambienti condizionati, e l'energia connessa con il trattamento di tale aria esterna rappresenta uno dei carichi termici più significativi, se non il maggiore, dell'impianto di condizionamento. Un impianto di condizionamento avrà pertanto una presa d'aria esterna, dotata di filtri per trattenere il pulviscolo atmosferico e altre particelle, e comunque disposta in posizione la più lontana possibi possibile le da fonti fonti inquinan inquinanti ti esterne esterne (camini, traffico veicolare ecc.). I quantitativi di aria esterna necessaria per diluire gli odori in tali tipi di ambienti sono normalmente più che sufficienti anche per la diluizione dell'anidride carbonica emessa con la respirazione. Nei locali loc ali abitua abi tua li (resid (re sid enze , uffici, ecc.) di solito si fissa il ricambio in 5 l/s, 3 corrispondente a 18 m /h. Questo quantitativo rappresenta dunque la portata minima dell'aria esterna di ventilazione per persona. La diluizione degli odori prodotti dalle persone richiede invece quantitativi dell'aria di ventilazione esterna decisamente maggiori; è consigliato a tale scopo un quantitativo minimo di aria esterna pari a circa 36 m 3/h a person persona, a, se non ci sono fumatori, con un affollamento di 0,14-0,2 persone/m 2 e altezza dei locali di 2,7 m; per affollamenti maggiori il valore suddetto va opportunamente aumentato. Per diluire l'odore del fumo di tabacco, secondo la recente L. 16/01/2003, n.3 per la tutela dei non fumatori, sono necessari quantitativi di almeno 30 l/sp = 108 m 3/h a persona.
Norma Nor ma UNI 1033 9
Nor mativa mat iva antifu ant ifu mo Il 10 gennaio scorso scorso è entrato in vigore vigore l'art. 51 della legge legge 16 gennaio 2003, 2003, n.3 che, al fine di tutelare la salute dei dei non fuma tori, tor i, dispone il divieto di fumo in tutti i locali chiusi, ad eccezione di: locali privati privati non aperti ad utenti uten ti od al pubbl ico locali riservati ai fumatori e come tali contrassegnati contrassegnati La legge 584 del 1975, su cui si basava il nostro ordinamento sino al 2003, disponeva (art. l) il divieto di fumare: __ _ a) nelle corsie degli ospedali; nelle aule delle scuole di ogni ordine e grado; negli autoveicoli di proprietà dello Stato, di enti pubblici e di privati concessionari di pubblici servizi per trasporto collettivo di persone; nelle metropolitane; nelle sale di attesa delle stazioni ferroviarie, autofilotranviarie, portuali-marittime e aeroportuali; nei compartimenti ferroviari riservati ai non fumatori che devono essere posti in ogni convoglio convoglio viaggiato viaggiatori ri delle delle ferrovie ferrovie dello dello Stato Stato e nei convogli viaggiatori delle ferrovie date in concessione ai privati; nei compartimenti a cuccette e in quelli delle carrozze letto, occupati da più di una persona, durante il servizio di notte; b) nei locali chiusi che sano adibiti a pubblica riunione, nelle sale chiuse di spettacolo cinematografico cinematografico o teatrale, nelle sale chiuse da ballo nelle sale-corse, nelle sale di riunione delle accademie, nei musei, nelle biblioteche e nelle sale di lettura aperte al pubblico, nelle pinacoteche e nelle gallerie d'arte pubbliche o aperte al pubblico. Con la nuova normativa, emanata a partire dal 2003 il divieto di fumare viene esteso non solo ai luoghi di lavoro pubblici, ma anche a tutti quelli pri vati, che siano aperti al pubblico o ad utenti. Tale accezione precisa la Circolare 17, comprende gli stessi lavoratori dipendenti in quanto "utenti" dei locali nell'ambito dei quali prestano la loro attività lavorativa; in tal modo risultano interessati dal provvedimento tutti i luoghi di lavoro, nonché gli esercizi pubblici quali bar, ristoranti, alberghi, etc. La Circolare precisa inoltre che "la realizzazione di aree per fumatori non rappresenta affatto un obbligo, ma una facoltà, riservata ai pubblici esercizi e ai luoghi di lavoro che qualora ritengano opportuno attrezzare locali riservati ai fumatori devono adeguarli ai requisiti tecnici riportati nell'alleato I del decreto del Presidente del Consiglio dei Ministri del 23 dicembre 2003, e precisamente: I locali riservati ai fumatori devono essere contrassegnati come tali e realizzati in modo da risultare adeguatamente • separati da altri ambienti limitrofi dove è vietato fumare. A tal fine i locali per fumatori devono rispettare i seguenti requisiti strutturali: strutturali: a) essere delimitati delimitati da pareti a t utta altezza su quatt ro lati; l ati; b) es sere dotat i di ingre sso con porta a chiusur ch iusur a aut omati ca, abitualme abit ualme nte in p osizione di chiusura; chiusura; c) essere forniti di adeguata segnaletica d) non rappresentare rappresentare un locale locale obbligato di passaggio passaggio per i non fu matori. I locali per fumatori devono essere dotati di idonei mezzi meccanici di ventilazione forzata, in modo da garantire • una portata d’aria di ricambio supplementare esterna o immessa per trasferimento da altri ambienti limitrofi dove è vietato fumare. L'aria di ricambio supplementare deve essere adeguatamente filtrata. La portata di aria supplementare minima da assicurare è pari a 30 litri/secondo per ogni persona che può essere ospitata nei locali in conformità della normativa vigente, sulla base di un indice di affollamento pari allo 0,7 persone/mq. All'ingresso dei locali è indicato il numero massimo di persone ammissibili, in base alla portata dell'impianto. I locali per fumatori devono essere mantenuti in depressione non inferiore a 5 Pa (Pascal) rispetto alle zone • circostanti. La superficie destinata ai fumatori negli esercizi di ristorazione deve comunque essere inferiore alla metà della • superficie complessiva di somministrazione dell'esercizio. L'aria proveniente dai locali per fumatori non è riciclabile, ma deve essere espulsa all' esterno attraverso idonei • impian impianti ti e fun funzio zional nalii apert aperture ure,, second secondo o quan quanto to prev previst isto o dalla vige nte norm ati va in tema di emi ssio ni in atm osfe r a esterna, esterna, nonc nonché hé dai dai regolamenti regolamenti com unali di ig iene ed edi lizi.
2 Trasmissione di calore attraverso una parete opaca soggetta a irraggiamento solare
2.1 Irraggiamento solare diretto e diffuso L'irraggiamento solare delle superfici esterne di strutture verticali e orizzontali di un edificio causa un ingresso di calore entro queste superfici. Dato che esso è sempre un apporto di calore, il suo effetto è trascurato quando si stimano le perdite di calore d'inverno; il massimo carico termico che deve fornire l'im pianto di riscaldamento riscaldamento si avrà perciò quando il sole non brilla. Nell'estate, il carico di raffreddamento potrebbe essere nella maggior parte dovuto al calore solare e quindi è necessario poter determinare terminare la quantità di calore che si può presumere venga fornita allo spazio interno da questa sorgente. Tale quantità è influenzata da un certo numero di fattori quali: - la natura dell'atmosfera; - la localizzazione geografica dell'edificio; - il periodo dell'anno; - l'ora del giorno; - l'orientamento delle superfici che ricevono la radiazione; - il loro coefficiente di riflessione; - il ritardo di tempo tra l'apporto di calore alla superficie esterna e da questa all'interno; - la trasmittanza della parete; -1'inerzia termica della parete. Su una superficie piana posta sulla superficie superficie terrestre in posizione posizione normale rispetto alla radiazione solare, la radiazione diretta incidente sarebbe di circa 1326 W/m2 se non ci fossero la diffusione e l'assorbimento dell'atmosfera. Le perdite dovute a queste cause riducono la radiazione a circa 900 W/m2 con atmosfera chiara; la contaminazione atmosferica da parte di industr ie può ridurre ulteriormente questa quantità. Alcune delle radiazioni diffuse dall'atmosfera e dalle superfici circostanti raggiungono infine le superfici esterne degli edifici, dando luogo alla cosiddetta radiazione diffusa. L'ammontare ricevuto dipende dalle caratteristiche dell'atmosfera, dal contorno e dall'orientamento della superficie. Una superficie orizzontale in atmosfera chiara può
ricevere una radiazione diffusa di circa 100 W/m2, che diventano 220 W/m2 in atmosfera inquinata da scarichi industriali. La radiazione solare totale incidente, I , t t su una superficie è dunque la somma della radiazione diretta e di quella diffusa. diffusa. 2.2 Temper atura equivalente Il calore totale che entra su una superficie esterna è la somma dell'ingresso di calore dovuto alla radiazione solare e alla trasmissione di calore per convezione e radiazione dovuta alla differenza tra la temperatura dell'aria esterna e la temperatura della superficie esterna. La quantità di calore che entra in una su perficie esterna di una parete dipende da: I t t = intensità della radiazione totale incidente su superficie comunque inclinata e orientata (W/m 2); a = coefficiente di assorbimento della superficie esterna per la radiazione solare; ta = temperatura temperatura aria esterna (°C); ts = temperatura della superficie (°C); αe = adduttanza unitaria esterna fluido-superficie (W/m2 °C). Il complesso problema di combinare la trasmissione di calore per radiazione radiazione solare solare e per conduttività esterna è semplificato se si immagina una trasmissione di calore che abbia luogo soltanto per una conduttività equivalente esterna, somma dell'ingresso di calore solare e di quello per conduttività esterna che in effetti si verifica. La trasmissione equivalente per sola conduttività esterna richiede perciò un aumento della differenza di temperatura tra l'aria esterna e la superficie. Questo aumento può essere ottenuto considerando una temperatura fittizia, maggiore dell'aria esterna, chiamata temperatura equivalente. Indicando con Q la quantità di calore trasmesso attraverso la superficie S avente il coefficiente di assorbimento a, con t a la temperatura dell'aria esterna, con ts la temperatura della superficie superficie esterna della parete, con t e la temperatura equivalente, anche nota come temperatura aria-sole, si ha: Q = αeS (t (ta - f s) + S a l t t = αeS (te t s) da cui:
t e
= t a +
al t α e
2.3 Differenza di temperatura equivalente Durante il giorno gli ingressi di calore su una superficie esterna variano in accordo con i cambiamenti della temperatura dell'aria e della radiazione incidente che si verificano in tale intervallo di tempo. Inoltre, la capacità di immagazzinamento di calore della parete introduce un ritardo di tempo tra l'istante dell'ingresso nella superficie esterna e l'arrivo alla superficie interna, e uno smorzamento del flusso termico. Pertanto il calcolo della quantità di calore che in un periodo variabile viene trasmessa all'interno risulta risulta piuttosto compless o. Se però si ammette che, in un determinato istante (in pratica durante un'ora), la trasmissione sia stazionaria, l'ingresso di calore che si verifica in tale istante può essere calcolato con l'espressione: Q=KS ∆ Q=KS ∆T T relativa alla trasmissione attraverso una parete a facce piane e parallele in condizioni di regime; il salto termico AT AT non non può peraltro essere quello esistente tra la temperatura equivalente esterna t e che si ha in quel momento e la temperatura interna ti, perché così facendo non si verrebbe a tener conto della capacità di immagazzinamento della parete. Si assume allora come salto termico la differenza di temperatura tra interno ed esterno che, in un determinato momento, dà luogo alla trasmissione di una quantità di calore nello spazio interno uguale a quella che si ha sommando le componenti della radiazione solare e della conduttività esterna, tenendo con to sia del ritardo del passaggio di calore all'interno, sia dello smorzamento del flusso termico, entrambi influenzati dalla inerzia termica della parete; tale differenza di temperatura si chiama differenza di temperatura equivalente ed è indicata con DTE. DT E. La quantità di calore che si trasmette all'interno in un determinato momento è data
allora da: Q = K S (DTE) Infatti analizzando la trasmissione in regime variabile attraverso la parete si osserva che, in un periodo di 24 ore, la quantità media oraria Q 1 di calore trasmesso è: Q1 = K S (t em )i em - t dove: t em = temperatura equivalente em media durante le 24 ore: t i = temperatura interna; K =trasmittanza unitaria della parete. Piuttosto che la media, interessa però conosc conoscere ere la quantità quantità di calore calore che può essere trasmessa all'interno a un dato momento. Si dovrà quindi tener conto anche sia del ritardo che si verifica tra l'ingresso di calore nella superficie esterna della parete e l'arrivo allo spazio interno, sia dello smorzamento del flusso termico. La variazione Q2 della quantità media di calore causata dall'onda perio dica del flusso termico può essere espressa come segue, con l'introduzione di un fattore di smorzamento γ <1 che riduce la differenza tra la temperatura equivalente istantanea t e e la temperatura equivalente media t em em il cui valore è influenzato dall'inerzia termica della costruzione: Q2 = K Sγ S γ (te - t em em ) dove t e è la temperatura equivalente che si ha nell'istante che precede quello considerato di un tempo pari al ritardo nella trasmissione. La quantità di calore totale Q trasmessa all'interno a un determinato istante risulta allora: Q = Q1 + Q2 = K S {(t {(t em em - t ) i + γ (t e t em em )} DTE DT E = (t em em - ti) + γ (t e - t em em ) Nella figura figura 1 è riportato graficamente il significato della DTE. I valori della DT E per vari tipi di pareti sono riportati nelle tabelle 7 e 8; è da tener presente che tali valori sono stati dedotti per una te mperatura esterna di 35 °C e i nterna di 26,7 °C nel mese di di agosto e a 40° di latitudine nord (Italia centro-meridionale); le correzioni da apportare per altre condizioni sono indicate nelle
note. Da tali tabelle si rileva che la differenza di temperatura equivalente non è influenzata dal coefficiente di conduttività interna, per cui la DT E è la stessa per pareti pareti isolate isolate e non. • Esempio 3. Una copertura avente una superficie di 150 m 2 costituita da uno strato di 15 cm di calcestruzzo armato, con 5 cm di strato isolante sull'estradosso e da un feltro bitumato di copertura con spessore 1 cm verniciato con vernice all'alluminio (a = 0,55), è esposta al sole; la massa unitaria della struttura è di 410 kg/m 2; la posizione dell'edificio è a 40° di latitudine nord. Calcolare l'ingresso di calore all'interno alle ore 14 di luglio per una temperatura esterna di 35 °C e una interna di 26,7 °C. Dalla tabella 7, per le ore 14 e per costruzione pesante esposta al sole, si ricava che la DTE la DTE è è di 21,1 °C. Essendo il coefficiente di assorbimento della superficie esterna pari a 0,55 la DTE la DTE corretta è data dalla: Il
coefficiente
K
di
conducibilità totale attraverso la struttura si determina applicando: 1 K
1
=
α i
+
s ' λ 1
+
s" s" ' λ 2
+
λ 3
+
1 α e
0,55 0,90
(21,1 − 2,2 ) = 13,75°C
2
W/m °C Per la parte di struttura s' = 15 cm di calcestruzzo, si assume un coefficiente di conduttività interna λ 1 = 1,51 W/m °C; per lo strato isolante, spessore s" = 5 cm, si assume λ 2 = 0,034 W/m °C; per lo strato catramato, spessore s"` = 1 cm, si assume λ 3 = 0,58 W/m °C; quindi si ha: 1 K
=
1 6
+
0,15 1,51
+
0,05 0,034
+
0,01 0,58
+
1 20
=
= 0,16 + 0,099 + 1,47 + 0,017 + 0,05= = 1,75 per cui: K =
1 1,75
=
0,57
DT E = 5,6 + 3,3 x 55 = 4,63 130 Poiché la differenza di temperatura fra interno ed esterno è di 12 °C, è necessario aggiungere alla DTE la quantità (12 - 8,3) = 3,7; la DTE risulta pertanto: 4,63 + 3,7 = 8,33. Assumendo per il coefficiente globale di trasmissione del muro di 25 cm di mattoni forati K forati K = 1,68, il calore trasmesso trasmesso risulta pertanto: Q = 1,68 x 8,33 x 20 = 280,8 W
Per le adduttanze unitarie si assumono i seguenti valori: - per la superficie interna αi = 6 W/m2 - per la superf. esterna α e = 20 DTE = 2,2 +
4, Una parete di 20 m 2 con superficie esterna colore crema, costituita da un muro di mattoni forati intonacato sulle due facce, spessore 25 cm massa unitaria di 275 kg/m 2, ha un orientamento sud-ovest. La posizione dell'edificio è a 35° di latitudine nord. Determinare l'ingresso di calore all'interno alle ore 16 per una temperatura esterna di 35 °C e per una temperatura interna di di 23 °C. Dalla tabella 8, per 8, per le ore ore 16 16 e per 20 cm di muro di mattoni forati (chiaro) con massa unitaria di 220 kg/m 2, si trova una DTE una DTE di 5,6; per la stessa ora e per un muro di 30 cm di mattoni forati con massa unitaria di 350 kg/m 2, si trova una DTE di 3,3; per il muro di forati di 25 cm, interpolando linearmente, la DTE DTE intermedia è: • Esempio
W/m 2 °C
Il calore trasmesso attraverso i 150 m2 della copertura risulta pertanto: Q = 0,57 x 13,75 x 150 =1175,6 W
3 Trasmissione di calore attraverso una parete vetrata soggetta a irraggiamento solare
Lastre di vetro chiaro, semplici o doppie, trasmettono rispettivamente l'85% e il 75% circa della radiazione incidente con lunghezze d'onda tra 0,3 e 3 µm; tale campo comprende la maggior parte (circa il 99%) dell'energia solare; vetri bronzati, bronzati, grigi o verdi in lastre di spessore di 6 mm trasmettono circa il 50% dell'energia suddetta. Tutti i tipi di vetro impiegati nell'edilizia sono invece pressoché opachi alle radiazioni di lunghezza d'onda superiore a 3 µm, quali sono quelle emesse da superfici a temperatura sotto i 120 °C.
Questa caratteristica dei comuni vetri è responsabile del cosiddetto "effetto serra", per cui si verifica che la radiazione solare che entra in un ambiente attraverso una parete vetrata vi viene da questa "intrappolata"; infatti, quando la radiazione è
assorbita da una superficie quale può essere una di quelle delimitanti l'ambiente, la radiazione che viene da questa riemessa è di lunghezza su perior perioree a 3 µm e quindi quindi non non può sfuggire all' esterno attraverso la parete vetrata, essendo essa opaca a tal genere di radiazioni. Nella Nella figura 2 sono rappresentati i vari flussi termici che si verificano in questo particolare tipo di trasmissione. Il fenomeno è pertanto complesso, complesso, soprattutt o per il fatto che i coefficienti di riflessione, trasparenza e assorbimento del vetro variano fortemente con l'angolo di incidenza della radiazione. Nei calcoli per il dimensionamento degli impianti il problema viene semplificato lasciando inalterata l'energia trasmessa attraverso la superficie vetrata per differenza di temperatura e tenendo conto dell'energia raggiante trasmessa all'interno mediante l'uso di tabelle derivate sperimentalmente operando su vetri semplici e chiari (spessore 1,8-2,0 mm) soggetti a irraggiamento solare. Con le semplificazioni suddette l'energia totale trasmessa può essere espressa come somma di due componenti: 1) radiazione solare trasmessa per trasparenza; 2) energia trasmessa tra aria esterna e interna per scambi di irraggiamento e convezione alla superficie del vetro e per conduttività interna dello stesso. Il valore della prima componente si determina per mezzo delle tabelle di cui sopra, ognuna delle quali si riferisce a un determinato giorno di ogni mese; esse forniscono la potenza termica entrante attraverso una finestra di vetro semplice, chiaro, soggetta alla radiazio-ne solare sia diretta che diffusa dalla volta celeste tenuto conto dell'effetto di riscaldamento del vetro irradiato. A titolo di esempio si riporta la tabella 9 in cui
sono indicati i valori in W/m2 della radiazione solare attraverso un comune vetro, in data 1° agosto, con atmosfera chiara per varie latitudini, ore del giorno e orientamenti. Da notare che le superfici in ombra, pur non ricevendo radiazione diretta, sono ugualmente soggette a ingressi di energia dovuti alla radiazione solare diffusa dall'atmosfera e riflessa dal contorno. I valori della tabella 9 devono essere corretti per tenere conto di condizioni ambientali diverse da quelle cui la tabella si riferisce, come riportato nella nota in calce alla stessa. Per altri tipi di vetro i valori possono essere corretti con l'applicazione dei fattori elencati nella tabella 10. I valori indicano come il "sole basso sull'orizzonte", che incide con angoli prossimi allo zero (incidenza normale) sui vetri verticali nella mattina e nel pomeriggi pomeriggio, o, causi un maggiore ingresso di energia rispetto al "sole più alto di mezzogiorno". Se la radiazione solare attraverso il vetro viene ridotta mediante l'applicazione di idonee schermature (schermi esterni, tende, tapparelle ecc.), i valori indicati nella tabella 9 9 devono essere ridotti, moltiplicandoli per opportuni fattori correttivi (dìpendenti dal tipo di schermo impiegato) che sono riportati nella tabella 11. I carichi termici, valutati con gli ingressi di energia raggiante istantanei suddetti, devono essere corretti per tenere conto dell'accumulo di calore da parte delle strutture interne dell'am biente irradiate dal sole ("inerzia termica"). L'energia raggiante entrata in ambiente durante un certo periodo di tempo viene infatti inizialmente in gran parte assorbita e ivi accumulata dalle strutture dell'edificio, aumentandone così la temperatura, per essere poi restituita in tempi più lunghi all'aria ambiente, divenendo solo allora un carico effettivo per l'impianto di climatizzazione. climatizzazione. Dato che la durata dell'irraggiamento solare diretto è limitata nel tempo a qualche ora, l'accumulo nelle strutture di una parte di tale irraggiamento irraggiament o consente consente di attenuare e sfasare i valori massimi dell'onda termica esterna, con conseguente livellamento della potenza che l'impianto deve erogare. Si tiene conto di questo fenomeno
introducendo dei fattori correttivi detti "fattori di accumulo", minori di 1, che sono funzione, per una determinata parete vetrata vetrata e tipo di scherma schermatura tura della stessa, sia della massa e quindi dell'inerzia termica delle strutture dell'edificio, sia della la durata giornaliera di funzionamento dell'impianto. Se l'impianto di condizionamento funziona per un periodo giornaliero inferiore inferiore alle 24 ore, per esempio 12 ore, il calore di radiazione accumulato rimane nelle strutture anche dopo l'arresto dell'impianto e viene ceduto all'aria ambiente facendone aumentare la temperatura. Quanto più si riduce il periodo periodo di funziona mento ment o tant o maggiore sarà la quantità di calore da rimuovere all'avviamento. I fattori di accumulo sono riportati nella tabella 12 e vanno applicati al valore massimo della radiazione solare relativa alla esposizione considerata che si verifica nel mese e alla latitudine presi presi in esame. esame. Per quanto riguarda infine il valore della seconda componente della trasmissione attraverso un vetro, questa viene determinata con l'espressione già trovata per la trasmissione del calore fra due fluidi separati da una parete, applicando cioè: Q=KS(ta-ti) in cui K cui K è è la trasmittanza unitaria del vetro considerato, S la la superficie dello stesso, ta la temperatura dell'aria esterna, ti la temperatura dell'ambiente interno. In conclusione, la quantità di calore trasmessa in totale attraverso una parete di vetro risulta dalla somma di due termini: il primo dedotto dalla tabella 9, eventualmente ridotto mediante i fattori correttivi di cui alle tabelle 10, 11 e 12, 12, e moltiplicato per la superficie S del vetro; il secondo ottenuto dall'applicazione dell'espressione suddetta. 4 Configurazione delle ombre
Nel valutare gli ingressi di calore attraverso le superfici vetrate è opportuno tenere conto della configurazione delle eventuali ombre portate su tali superfici, per la presenza di aggetti, cornicioni, terrazze, rientranze o sporgenze di facciate e di edifici contigui. Ciò
consente di considerare come radiazione incidente sulle parti ombreggiate la sola radiazione diffusa. Per determinare la configurazione delle ombre su di una superficie comunque orientata è necessario conoscere la posizione del sole rispetto a tale superficie; tale posizione è definibile mediante i seguenti seguenti due angoli (fig. 4): -altezza solare ( β ): angolo formato tra la direzione del sole e l'orizzonte nel piano verticale comprendente il punto punto di riferimento sulla superficie considerata e il sole; - azimut solare ( γ ) rispetto alla superficie considerata: angolo formato tra il piano verticale suddetto passante per il sole, per il punto punto di riferimen riferimento to e il piano vertiverticale perpendicolare alla superficie considerata (assunto zero a sud, positivo positivo verso verso est e negativ negativo o verso verso ovest). L'altezza solare β per un determinato punto sulla superficie terrestre dipende solo dall'ora e dal giorno dell'anno, mentre l'azimut solare γ dipende anche dall'orientamento della superficie rispetto ai punti cardinali e dalla sua inclinazione rispetto all'orizzontale; in genere il punto di riferimento si trova su di una parete, cioè su di una superficie verticale.
Fig. 3 Distribuzio Distribuzione ne nel tempo tempo dei carichi istantanei entrati e rimossi per effetto di radiazione solare solare attraverso attraverso superfici superficiee vetrata – ambiente con esposizione ovest e 16 ore di funzionam funzionamento ento dell’impia dell’impianto. nto.
3
Fig. 4 Ombre portate da aggetti verticali e orizzontali su superficie vetrata: β = = altezza solare; γ = azimut solare rispetto alla superficie superficie verticale verticale.. Fig. 5 Ombre portate da schermi verticali su superfici verticali parallele. parallele.
4
5
5 Carichi interni
All'interno degli ambienti condizionati abitualmente si trovano varie fonti di calore sensibile e latente, quali: persone, sorgenti luminose, macchine elettriche, oggetti introdotti a temperatura superiore alla temperatura ambiente ecc.; l'apporto energetico suddetto costituisce per l'impianto di condizionamento un "carico interno" che incide sulla potenzialità dello stesso. La valutazione dei "carichi interni" istantanei viene qui di seguito illustrata. Dato che una frazione del calore sensibile istantaneo prodotto dalle fonti interne viene emessa sotto forma di energia raggiante, questa viene in gran parte assorbita dalle superfici che delimitano l'ambiente l'ambiente,, e, a rigore, diventa un carico effettivo per l'impianto di condizionamento solo quando viene restituita da tali superfici all'aria ambiente. I carichi istantanei delle fonti interne devono essere pertanto ridotti con opportuni coefficienti correttivi per tenere conto dell'accumulo dell'accumulo di calore nelle strutture. 5.1 Carichi per illuminazione L'illuminazione artificiale elettrica dà luogo a un carico di calore sensibile che deve essere accuratamente valutato potendo costituire uno dei maggiori carichi interni. Il carico istantaneo q dovuto alla illuminazione è dato dalla seguente relazione: q = potenza totale delle lampade x fattore di contemporaneità x fattore di impianto dove il "fattore di contemporaneità è il rapporto tra il numero delle lampade in funzione nel momento in cui viene determinato il carico e il numero totale delle lampade installate; il "fattore di impianto" tiene conto del tipo di lampade installate e della conseguente necessità o meno di alimentatori, e si assume pari a 1,25 per lampade fluorescenti, a 1,15 per lampade a scarica al sodio e al mercurio, a 1 per lampade a incandescenza. Il carico effettivo che costituisce l'apporto di calore all'aria ambiente non corrisponde peraltro al carico istantaneo; infatti gran parte
dell'energia emessa da questa sorgente è energia raggiante che viene assorbita e accumulata dalle strutture e dagli oggetti dell'arredo fino a riscaldarli, dopo un certo tempo, a temperatura superiore a quella dell'aria in modo analogo a quanto avviene per la radiazione solare entrata dalle vetrate. Solo a questo punto l'energia assorbita e accumulata viene riversata all'aria ambiente dando luogo a un carico effettivo che si manifesta quindi dopo un certo lasso di tempo dalla emissione del carico istantaneo, e dunque anche dopo lo spegnimento delle luci. Nella figura 6 è riportato l'andamento dei carichi termici istantanei ed effettivi dovuti a un impianto di illuminazione tenuto acceso per 12 ore al giorno. Il carico effettivo risulta a un determinato momento, durante il periodo periodo di accensione delle luci, sempre minore del carico istantaneo e in aumento fino al loro spegnimento; dopo lo spegnimento assume un valore finito che va via via riducendosi fino alla successiva riac censione. Degli effetti di accumulo e di ritardo nella restituzione dell'energia assorbita si tiene conto nella valutazione del carico effettivo moltiplicando il carico istantaneo per dei "fattori di accumulo" minori di 1 che sono funzioni dei seguenti seguenti elementi: elementi: - massa della costruzione; - massa dell'arredamento; - tipo della distribuzione dell'aria in ambiente; - aerazione dei corpi illuminanti; - tempo di accensione delle luci. A seguito di studi sperimentali e analitici sono stati determinati i valori dei fattori di accumulo delle varie situazioni possibili riscontrabili in pratica, valori che sono stati tabulati in funzione del numero di ore trascorse dall'accensione. Tali fattori di accumulo sono applicabili solo nel caso che la temperatura dell'aria ambiente sia mantenuta costante e cioè che l'impianto di condizionamento sia in funzione 24 ore su 24. Se l'impianto di condizionamento è in funzione solo durante il tempo di accensione delle luci, l'effetto di accumulo non viene considerato e il carico effettivo dell'illu-minazione si assume eguale al carico istantaneo. A titolo di esempio si riportano nella
tabella 13 13 i valori dei fattori di accumulo per un periodo di accensione di 12 ore al giorno; le condizioni assunte sono quelle relative a gran parte dei casi riscontrabili nella pratica. • Esempio 9. In un ambiente per uffici, avente una massa di circa 500 kg/m2 di pavimento, di pavimento, determinare il carico effettivo alle ore 12 e alle ore 16 dovuto a un impianto di illuminazione costituito da 40 lampade fluorescenti da 36 W montate su plafoniere aerate. L'accensione di tutte le lampade avviene alle ore 8 e lo spegnimento alle 18. L'impianto di condizionamento è in funzione 24 ore su 24. Il carico istantaneo è: 40 x 36 W x 1,25 =1800 W Alle ore 12 le luci sono accese da 4 ore, alle 16 da 8 ore; in base ai fattori di accumulo dati dalla tabella 13 13 i carichi effettivi risultano: alle ore 12 0,80 x 1800 W=1440 W alle ore 16 0,85 0,85 x 1800 W=1530 W 5.2 Carichi per affollamento Nell'organ Nell'organismo ismo umano umano si svolgono svolgono complessi processi fisiologici mediante i quali l'energia chimica degli alimenti e delle riserve viene trasformata in calore e col lavoro muscolare anche in energia meccanica; questo insieme di processi viene viene detto detto "metabo "metabolism lismo" o" e si verifica in continuazione anche durante il riposo; la produzione di calore nelle condizioni di riposo viene detta "metabolismo basale" e costituisce la produzione di calore minima che deriva dall'attività fisiologica fondamentale. Il valore del metabolismo basale è di circa 1 W per kg di peso corporeo e mediamente di circa 80 W per l'uomo e di 75 W per la donna. L'intensità della produzione di calore è variabile entro limiti molto ampi. In primo luogo essa dipende dal grado di attività dell'organismo; i maggiori incrementi nella produzione produzione di calore si verifica no a seguito di intenso lavoro muscolare che può portare tale produzio produzione ne a circa circa 10 volte volte quella quella che si verifica nel metabolismo basale. basale. La produzione produzione di calore è inoltre influenzata dalle condizioni ambientali che, quando il corpo si trova in stato di sbilancio termico con l'ambiente, determinano nell'organismo reazioni tendenti a riportarlo in uno stato di
equilibrio con l'ambiente stesso. In corpo umano ha una temperatura interna all'incirca costante di 37 °C, che non è influenzata da grandi variazioni della temperatura ambiente; la costanza della temperatura interna è infatti essenziale per la vita. La temperatura interna corporea può essere mantenuta costante solo se vi è equilibrio tra il calore prodotto dal corpo e il calore che viene perduto nell'ambiente. Il corpo umano deve quindi disperdere calore altrettanto rapidamente di quanto lo produce e ciò è ottenuto mediante un processo fisiologico che regola la perdita di calore attraverso l'epidermide. Il calore viene trasmesso dalla parte interna più calda del corpo alla pelle, in parte per conduzio conduzione ne attraverso attraverso i tessuti e in parte tramite il flusso del sangue. In un ambiente freddo, gli impulsi nervosi provenienti dai termoricettori danno luogo a un restringimento dei vasi sanguigni periferici, riducendo il flusso di sangue, e quindi di calore, verso la pelle; quest'ultima, quest'ultima, inoltre, assume una temperatura più bassa, riducendo il gradiente termico con l'ambiente. In un ambiente caldo il flusso di sangue è maggiore, a causa della vasodilatazione, potendo divenire fino a 10 volte il flusso minimo; la temperatura della pelle è però per ò ele vata, vat a, per cui si riduce lo scambio interno per conduzione e il flusso di calore dall'interno verso la pelle avviene quasi esclusivamente attraverso il flusso sanguigno. In ambiente caldo, con gradiente termico tra pelle e ambiente ambiente basso basso o negativo, negativo, il calore poi viene perduto dalla pelle principal principalment mentee per evapora evaporazion zionee di acqua da parte della pelle stessa; questa evaporazione ha comunque luogo con continuità. Anche attraverso la respirazione si ha una evaporazione di acqua nell'aria; infatti l'aria espirata contiene un quantitativo di vapore acqueo superiore a quella inalata. La quantità di acqua evaporata con la respirazione, pari a circa 40 g/h, è peraltro molto piccola se raffrontata a quella emessa dalla pelle pelle che può raggiungere raggiungere circa 2000-3000 g/h. I processi di termoregolazione sopra descritti consentono di mantenere costante la temperatura interna corporea intorno a 37 °C, mentre la
temperatura della pelle può oscillare entro limiti molto più ampi: da 17 a 40 °C circa. Il calore viene pertanto ceduto dall'organismo dall'organismo all'ambiente in parte sotto forma di calore sensibile, per radiazione tra il corpo e le superfici più fredde costanti e per convezione nell'aria, e in parte sotto forma di calore latente per evaporazione di acqua attraverso l'epidermide e dai polmoni. L'entità dello scambio per irraggia- mento dipende dalla differenza di temperatura tra corpo e superfici degli oggetti circostanti, dal loro assorbimento e dalla distanza da essi; l'entità dello i scambio per convezione dipende dalla temperatura dell'aria, dalla sua velocità e dal tipo di vestiti indossati; infine, l'evaporazione dipende dalla velocità, dall'umidità relativa dell'aria, nonché dalla temperatura di bulbo secco della stessa. Le quantità di calore emesso per irraggiamento e convezione (calore sensibile) e di calore emesso per evaporazione (calore latente) dalle persone, in varie condizioni di attività, sono riportate nella tabella 14 unitamente alle situazioni tipiche in cui tali attività possono svolgersi e per temperature di bulbo secco dell'aria ambiente variabili da 26 a 28 °C e umidità relative comprese fra 45% e 60%. I dati riportati nella tabella costituiscono valori pratici per le condizioni e attività più comuni e per vestiario appropri appropriato ato alle medesime. Tali valori rappresentano la media a persona del calore emesso da un gruppo composto da uomini, donne e bambini nelle percentuali che si possono usualmente avere nelle tipiche situazioni considerate, tenendo conto che il calore emesso da una donna è circa l'85% del calore emesso da un uomo e quello emesso da un bambino è il 75% di quello emesso da un uomo. Mentre il calore latente emesso da una persona può essere considerato come carico istantaneo per l'impianto di condizionamento, condizionamento, il calore sensibile composto per circa il 70% da irraggiamento, essendo in gran parte assorbito e accumulato dalle superfici delle strutture che delimitano l'ambiente e restituito allo stesso in tempi successivi, non può essere a rigor di termini considerato un carico
istantaneo. Un calcolo esatto dovrebbe pertanto tenere conto anche per questa situazione dell'effetto dell'accumulo, che dipende sia dal tempo passato dalle persone persone nell'ambiente nell'ambiente condizionato condizionato,, sia dal tempo trascorso, dal loro ingresso; in funzione di questi due parametri parametri sono stati determina determinati ti dei coefficienti correttivi per i quali devono essere moltiplicati i valori dei calore sensibile dati dalla tabella 14 14 per ottenere i carichi istantanei. Tali coefficienti sono riportati nella tabella 15. Si osserva peraltro che se la temperatura dell'ambiente condizionato non è mantenuta costante durante tutto il periodo giornaliero di 24 ore, come generalmente si verifica con l'interruzione notturna, allora non si considera l'effetto dell'accumulo e il calore emesso dalle persone costituisce nella sua totalità un carico istantaneo per l'impianto; infatti il calore accumulato nelle strutture a seguito della interruzione notturna non viene rimosso e si presenta all'avviamento come carico istantaneo. Anche negli ambienti in cui vi è un forte affollamento, come in teatri, cinema, auditori e in genere nei locali di pubblico spettacolo, la parte di radiazione emessa dalle persone e captata dalle superfici dell'ambiente è molto ridotta e pertanto il calore sensibile sensibile emesso viene considerato nella sua totalità come carico istantaneo. 5.3 Carichi per motori elettrici e macchine Quando una macchina di qualsiasi genere è messa in movimento da un motore elettrico, una parte dell'energia fornita al motore viene immessa nell'ambiente sotto forma di calore sensibile. Il motore infatti emette energia termica data da: potenza potenza assorbita assorbita x x (1 - rendimento del motore) Se il motore è nell'ambiente condizionato, detta energia costituisce un carico interno. La rimanente potenza assorbita dal motore viene utilizzata dalla macchina che il motore mantiene in movimento, ed essa può costituire o meno un carico interno a seconda del tipo e della disposizione della macchina, nonché degli oggetti prodott i dalla stessa rispetto all'ambiente. Se la macchina è una pompa o un
ventilatore, l'energia utilizzata viene spesa per aumentare pressione, pressione, velocità velocità e tempera temperatura tura del fluido trasportato trasportato e pertanto quando tale fluido viene inviato all'esterno dell'ambiente condizionato questa energia non costituisce un carico interno. Per le altre macchine che non siano pompe o ventilatori, se la macchina è nell'ambiente e gli oggetti prodotti dalla lavorazione rimangono in ambiente, tutta l'energia utilizzata costituisce un carico interno; se gli oggetti lavorati vengono allontanati dall'ambiente con temperatura superiore a quella iniziale, la quantità di calore data dal prodotto del loro calore specifico per la loro massa e per la differenza di temperatura deve essere detratta dal carico interno dovuto alla macchina. A titolo orientativo, si riportano nella tabella 17 i rendimenti dei motori elettrici di varia potenza assorbita.
5.4 Carichi per altre fonti interne Nella valutazione dei carichi interni interni occorre considerare tutte le varie apparecchiature che siano fonti di calore presenti nell'ambiente; è pertanto indispensabile l'analisi delle caratteristiche di ciascuna di queste sorgenti. La loro alimentazione può essere elettrica, a gas o a vapore e possono emettere sia calore calore sensibile che calore latente. Le più comuni apparecchiature producenti calore, che si incontrano in ambienti condizionati, sono quelle usate per la preparazione dei cibi in ristoranti, ospedali, scuole, alberghi e bar; alcune di esse sono collocate nell'area dove si trovano le persone che consumano i cibi, altre, di maggiore potenzialità, sono invece confinate nelle cucine e installate sotto cappe di aspirazione. Altre apparecchiature producenti calore sono presenti in negozi di parrucchiere, in laboratori medici ecc. La presenza di cappe di estrazione aria riduce praticamente alla metà i carichi sensibili e latenti della maggior parte delle sorgenti suddette; per essere efficaci le cappe devono però sporgere di circa 30 cm dal bordo dell'apparecchio per ogni metro di distanza tra il piano inferiore della cappa e il piano superiore dell'apparecchio stesso e comunque tale distanza non deve mai superare 1,20 m; in corrispondenza del piano inferiore della cappa la velocità dell'aria non deve essere inferiore a 0,35 m/s. Nella tabella 16 sono riportati i valori della quantità di calore emesso dai tipi di apparecchiature di uso più frequente per "media utilizzazione", corrispondente a un loro normale impiego: tali apparecchi, infatti, raramente funzionano con continuità alla loro massima potenza. 6 Infiltrazioni d'aria
In un edificio provvisto di impianto di condizionamento dell'aria la ventilazione degli ambienti è normalmente ottenuta mediante sistemi meccanici costituiti, nel caso più generale, da una presa presa di aria esterna, un elettroventilatore per la mandata dell'aria agli ambienti, una rete di
canali di distribuzione e di ripresa aria, un elettroventilatore di espulsione e uno di ripresa; il sistema di ventilazione meccanica è dimensionato in modo che gli ambienti si trovino in leggera sovrappressione rispetto all'esterno per cui non esistono problemi di infiltrazione all'interno di aria esterna non non trattata dall'impianto. Nei piccoli edifici, edifi ci, e in partic olare in quelli destinati ad abitazioni, vengono però installati anche impianti privi di sistemi di ventilazione forzata per cui il ricambio di aria negli ambienti è basato basato esclusivamen esclusivamente te sulla ventilazione naturale ottenuta mediante apertura manuale di porte e finestre, finestre, controllata controllata quindi quindi dagli occupanti gli ambienti, e sulle infiltrazioni costituite da un flusso incontrollabile di aria attraverso porosità delle strutture, fessure in corrispondenza degli infissi e aperture varie non intenzionali. Le infiltrazioni d'aria sono prodott e da differenze di pressione tra ambiente i nterno nte rno ed esterno determinate o dal vento o da differenze di temperatura tra aria interna ed esterna. Il flusso d'aria causato dal vento intorno e sopra un edificio determina delle zone nelle quali la pressione pressione dinamica dinamica è superiore o inferiore a quella esistente nella corrente d'aria indisturbata. Le differenze di pressione sono positi ve nei lati dell'edificio sopravento, dando luogo a ingressi di aria all'interno, e negative nei lati sottovento dando luogo a uscite di aria. Sugli altri lati dell'edificio le differenze di pressione possono essere positive o negative in funzione dell'angolo di incidenza del vento rispetto alle superfici verticali od orizzontali. A differenze di temperatura tra interno ed esterno corrispondono differenze di densità dell'aria, che a loro volta danno luogo a differenze di pressione, con conseguenti fenomeni di infiltrazioni in ingresso o in uscita attraverso le strutture perimetrali dell'edificio; tale fenomeno corrisponde al cosiddetto "effetto aspirante" che si manifesta nei camini. Durante il periodo in cui l'impianto produce riscaldamento, l'aria interna più calda sale e fluisce verso l'esterno
dalla parte alta degli ambienti; un eguale quantitativo di aria esterna più fredda entra dalla parte bassa; nel periodo in cui l'impianto produce raffreddamento, le direzioni dei due flussi si invertono e comunque, essendo le differenze di temperatura tra interno ed esterno minori, sono meno importanti. L'andamento delle differenze dì pressione dovuto a differenze di temperatura nel periodo del riscaldamento è quello schematicamente indicato nella figura 7. In un certo punto delle superfici verticali la pressione interna è eguale a quella esterna; il piano che passa per tale punto si chiama "piano neutro"; la posizione di tale piano, in assenza di vento, dipende dalla distribuzione delle aperture e dalla resistenza al flusso di aria presentato dalle strutture perimetrali; in presenza di vento può variare in alto o in basso in dipendenza delle differenze di pressione pressione determinate determinate da quest'ultimo. La valutazione delle portate dell'aria di infiltrazione negli ambienti interni è stata oggetto di vari studi. Qui di seguito viene riportato un metodo semplificato di calcolo, indicato nel recente progetto di norma nor ma CTI 9/124b 9/1 24b "Calcolo per la qualificazione energetica degli edifici e degli impianti di riscaldamento", che consente di determinare per l'edificio nella sua globalità il numero di volumi ambiente rinnovati ogni ora a causa di infiltrazioni. I valori risultanti da tale metodo possono essere applicati alle infiltrazioni che si verificano nei singoli ambienti con approssimazione accettabile per tale tipo di calcoli. Secondo tale metodo il numero n di volumi ambiente rinnovati all'ora per infiltrazioni è dato da: n= p(C p(Cv S v + Co S o )/V dove: p p = differenza di pressione efficace fra interno ed esterno (Pa); Cv = coefficiente di permeabilità delle pareti vetrate espresso in m3/(h m2 Pa); Sv = area dei serramenti esterni, compresa l'area dei cassonetti degli avvolgibili (m 2); Co = coefficiente di permeabilità
delle pareti opache espresso in m3/(h m2 Pa); So = area delle superfici delle pareti perimetral perimetralii opache opache (m (m 2); V= volume lordo climatizzato (m3). I valori dei coefficienti C v e Co sono forniti dalla tabella 18 in funzione dei tipi di serramenti sotto l'aspetto della permeabilità all'aria. La differenza di pressione efficace per un ambiente di altezza h in metri è data dalla espressione: p = [al hb1 +a2hb2 ]0,25 I valori di al e b1 sono riportati nella tabella 19 e quelli di a2 e b2 nella tabella 20. • Esempio 10. Calcolare nelle stagioni estiva e invernale la portata dell'aria di infiltrazione per un edificio in muratura, isolato, di tre piani fuori terra destinato a uffici, situato in Genova periferia, altezza s.l.m. 180 m, distanza dalla costa 500 m, e avente le seguenti caratteristiche caratteristiche costruttive: volume lordo climatizzato V=1200 m 3 altezza altezza edificio edificio h= 9 m area superfici vetrate Sv = 350 m2 area superfici opache compreso copertura S o = 770 m2 permeabilità permeabilità edificio edificio media serramenti con guarnizioni Caratteristiche climatiche: temperatura aria esterna estate 30 °C temperatura aria esterna inverno 0°C zona di vento 3 In base alla tabella 18 i valori dei coefficienti di permeabilità all'aria sono: pareti pareti vetrate vetrate Cv =1 pareti opache opache Co = 0,04 In base alle tabelle 19 e 20 i coefficienti per il calcolo della differenza di pressione efficace sono i seguenti: coefficiente a l = 0,0913 coefficiente b 1 = 0,69 coefficiente a 2 (estate) = 0,014 coefficiente a2 (inverno) = 0,0263 coefficiente b2 = 0,69 La differenza di pressione efficace risulta allora: estate p= [0 , 09 13 x 90,69 + 0,014 x 90,69]0,25 = 0,832 inverno
p= (0 ,0 91 3 x 90,69 + 0,0263 x 90,69]0,25 = 0,855 Il numero di volumi ambiente rinnovati ogni ora con l'aria delle infiltrazioni è: estate n = 0,832 x (1 x 350 + 0,04 x 770)/1200 = 0,264 inverno n = 0,855 x (1 x 350 + 0,04 x 770)/1200 = = 0,271
Fig. 7 Andamento delle differenze di pressione tra interno ed esterno con temperatura interna t i > t a. Le frecce indicano la direzione del flusso d’aria.
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