CARICHI TERMICI DI PROGETTO Francesco Mancini Università La Sapienza di Roma francesco.mancini@uniroma1.it www.ingenergia.it

Introduzione 2 Il comfort termoigrometrico dipende da numerosi fattori, tra cui la temperatura e l’umidità relativa dell’ambiente interno: nella stagione invernale, il valore della temperatura interna di progetto è fissato e vale 20°C, mentre l’umidità relativa deve mantenersi intorno al valore del 50%; nella stagione estiva, il valore della temperatura interna di progetto è fissato e vale 26°C, mentre l’umidità relativa deve mantenersi intorno al valore del 50%. È facile immaginare che, in presenza della condizioni climatiche tipiche invernali o estive ed in assenza di un impianto di riscaldamento o raffrescamento, ben difficilmente si possano raggiungere e mantenere le condizioni di comfort indicate.

Calcolo del carico termico invernale di progetto 3 Carico termico invernale: potenza termica sensibile che l’edificio, in precisate condizioni, solitamente indicate come condizioni di progetto, disperde verso l’ambiente esterno. La conoscenza di questa grandezza consente di dimensionare un impianto di riscaldamento, grazie al quale sarà raggiunta e mantenuta la giusta temperatura. Il carico termico è variabile nel tempo: ai fini dell’equilibrio tra i due termini, anche la potenza erogata dall’impianto dovrà essere variabile. F. Mancini, Sapienza Università di Roma

Calcolo del carico termico invernale di progetto 4 flusso scambiato con l’ambiente esterno per trasmissione attraverso l’involucro edilizio QH,tr() flusso scambiato con l’ambiente esterno per ventilazione attraverso l’involucro edilizio QH,ve() flussi termici dovuti a sorgenti interne all’edificio, quali persone, lampade e apparecchiature QH,int() apporti termici solari QH,sol() Tutti i flussi energetici sono variabili nel tempo, in funzione di condizioni climatiche variabili e di modalità di occupazione parimenti variabili. F. Mancini, Sapienza Università di Roma

Calcolo del carico termico invernale di progetto 5 Il calcolo del carico termico invernale è finalizzato al dimensionamento di un impianto di riscaldamento Si è soliti utilizzare una convenzione dei segni per cui hanno segno positivo i termini che producono una diminuzione di temperatura dell’ambiente interno I primi due termini dell’equazione precedente hanno pertanto un segno positivo, mentre gli ultimi due hanno un segno negativo F. Mancini, Sapienza Università di Roma

Calcolo del carico termico invernale di progetto 6 Seguendo la ciclicità annuale dei dati climatici, il valore del carico termico parte da zero all’inizio della stagione di riscaldamento, cresce fino ad arrivare ad un massimo nel pieno della stagione fredda, iniziando poi a decrescere fino ad arrivare a zero al termine della stagione di riscaldamento. Il carico termico invernale è la potenza termica che deve essere erogata dall’impianto di riscaldamento per mantenere la temperatura di progetto. Con l’obiettivo di mantenere sempre (in ogni condizione) la temperatura di progetto, ai fini del dimensionamento dell’impianto di riscaldamento, è necessario considerare la peggiore condizione che l’impianto sarà chiamato ad affrontare, andando a individuare il valore massimo della curva F. Mancini, Sapienza Università di Roma

Calcolo del carico termico invernale di progetto 7 La prima semplificazione riguarda gli apporti delle sorgenti interne e della radiazione solare; possono essere trascurati, costituendo un ausilio aleatorio all’azione dell’impianto (carichi termici gratuiti). La seconda semplificazione riguarda la temperatura esterna: è sempre più bassa di quella interna e può essere assunta costante, pari al valore più basso che si incontra nell’anno. Tale temperatura è detta temperatura esterna di progetto.

Carico termico invernale per trasmissione 8 pareti che confinano con l’ambiente esterno, per le quali T=Ti-Te pareti che confinano con locali non riscaldati, per le quali T=Ti-Tnr pareti che confinano con il terreno, per le quali valgono le considerazioni esposte a proposito del calcolo della trasmittanza pareti che confinano con ambienti a temperatura prefissata, per le quali T=Ti-Tf pareti che confinano con ambienti interni, ugualmente riscaldati, per cui T=0 Descrizione della struttura Maggiorazione per ponti termici Parete con isolamento dall’esterno (a cappotto) senza aggetti/balconi e ponti termici corretti 5 Parete con isolamento dall’esterno (a cappotto) con aggetti/balconi 15 Parete omogenea in mattoni pieni o in pietra (senza isolante) Parete a cassa vuota con mattoni forati (senza isolante) 10 Parete a cassa vuota con isolamento nell’intercapedine (ponte termico corretto) Parete a cassa vuota con isolamento nell’intercapedine (ponte termico non corretto) 20 Pannello prefabbricato in calcestruzzo con pannello isolante all’interno 30

Carico termico invernale per ventilazione 9 minf è la portata in massa di aria che entra negli ambienti riscaldati per infiltrazione [kg/s]; cp è il calore specifico a pressione costante dell’aria [J/kgK] La portata in massa di aria esterna può essere valutata ipotizzando: un numero di ricambi orari per infiltrazione pari a 0,3 h-1 per edifici con infissi nuovi oppure pari a 0,5 h-1 per edifici con infissi vecchi Si ricordi che il numero n di ricambi orari rappresenta il rapporto tra il volume d’aria rinnovato in un’ora e il volume dell’ambiente considerato Nel caso di ambienti pressurizzati (portata di mandata superiore alla portata di ripresa dell’ambiente, ottenuta grazie ad un impianto di ventilazione meccanica) si può porre minf = 0, semplificando ulteriormente il calcolo

Considerazioni sulla ventilazione naturale 10 Considerazioni sulla ventilazione naturale La qualità dell’aria rappresenta un requisito essenziale per il comfort ed è ottenuta ventilando con aria esterna Le sole infiltrazioni possono essere sufficienti; in alcuni casi si tende a progettare opportunamente le aperture dell’edificio al fine agevolare il ricambio La ventilazione ottenuta è naturale perché generata da cause naturali, ma non è affatto gratuita: alla portata d’aria che entra naturalmente è associato un carico termico, talvolta anche molto importante Nel valutare la convenienza di sistemi di ventilazione naturale degli edifici è bene tenere presente che l’alternativa rappresentata da sistemi di ventilazione meccanica con recupero di calore è spesso più conveniente dal punto di vista energetico ed è sicuramente più efficace ai fini del comfort. Dal punto di vista energetico: nel pieno della stagione invernale meglio la ventilazione meccanica con temperature più miti meglio la ventilazione naturale Dal punto di vista dell’efficacia considerare: velocità dell’aria eccessiva e correnti d’aria collocazione della presa d’aria esterna filtrazione

Calcolo del carico termico estivo di progetto 11 Carico termico estivo: potenza termica che l’edificio, in precisate condizioni, solitamente indicate come condizioni di progetto, riceve dall’ambiente esterno (carico esogeno) e dalle sorgenti di calore interne (carichi endogeni). La conoscenza di questa grandezza consente di dimensionare un impianto di raffrescamento, per raggiungere e mantenere la giusta temperatura. Il carico termico è variabile nel tempo: ai fini dell’equilibrio tra i due termini, anche la potenza erogata dall’impianto dovrà essere variabile. F. Mancini, Sapienza Università di Roma

Calcolo del carico termico estivo di progetto 12 flussi termici dovuti a sorgenti interne all’edificio, quali persone, lampade e apparecchiature (QC,int) apporti termici solari (QC,sol) flusso scambiato con l’ambiente esterno per trasmissione attraverso l’involucro edilizio (QC,tr) flusso scambiato con l’ambiente esterno per ventilazione attraverso l’involucro edilizio (QC,ve) Tutti i flussi energetici sono variabili nel tempo, in funzione di condizioni climatiche variabili e di modalità di occupazione parimenti variabili. F. Mancini, Sapienza Università di Roma

Calcolo del carico termico estivo di progetto 13 Il calcolo del carico termico estivo è finalizzato al dimensionamento di un impianto di raffrescamento Si è soliti utilizzare una convenzione dei segni per cui hanno segno positivo i termini che producono un incremento della temperatura dell’ambiente interno I primi due termini dell’equazione precedente hanno pertanto un segno positivo, mentre gli ultimi due possono avere un segno positivo o negativo a seconda delle condizioni climatiche Nessuna semplificazione: tutti i termini devono essere considerati di tutti i termini è necessario valutare l’andamento in funzione del tempo F. Mancini, Sapienza Università di Roma

14 Calcolo del carico termico estivo di progetto Metodo dei fattori di accumulo Un metodo semplificato, che consente un’applicazione manuale attraverso grafici e tabelle, è il metodo dei fattori di accumulo calcolare il carico termico sensibile QC,nd di un ambiente in regime continuo, con un valore costante della temperatura interna e utilizzando il principio della sovrapposizione degli effetti Illuminazione Persone Apparecchiature E’ sufficiente una soluzione ad intervalli orari t diventa h F. Mancini, Sapienza Università di Roma

Accumulo e trasmissione di calore - Parete opaca reale 15 Parete con tanta inerzia: sensibile solo al valore medio dell’oscillazione Parete senza inerzia: segue l’andamento della temperatura esterna Il comportamento delle pareti reali (comunemente impiegate in edilizia) è intermedio rispetto a quelli esposti. Lo scambio di calore fra interno ed esterno è funzione di un valore intermedio delle differenze di temperature fra i due casi limite esaminati Il valore intermedio della differenza di temperatura (fra la temperatura fittizia al sole e quella ambiente) è la differenza di temperatura equivalente necessaria al calcolo del flusso termico attraverso la parete. Dipende dall’inerzia termica della parete, dalle condizioni climatiche esterne, dall’irraggiamento solare, dalle proprietà radiative della parete e dal coefficiente di adduzione esterna.

16 Carico termico per trasmissione attraverso la porzione opaca dell’involucro edilizio Per trattare la trasmissione del calore attraverso la porzione opaca dell’involucro edilizio, viene utilizzato il concetto delle differenze di temperatura equivalenti DTeq, al fine di utilizzare le stesse semplici espressioni del regime stazionario I valori delle differenze di temperature equivalenti sono tabulati: per pareti e coperture in funzione della massa frontale delle pareti, dell’ora del giorno e dell’esposizione della parete. Si definisce massa frontale la grandezza: F. Mancini, Sapienza Università di Roma

17 Carico termico per trasmissione attraverso la porzione opaca dell’involucro edilizio F. Mancini, Sapienza Università di Roma

18 Carico termico per trasmissione attraverso la porzione trasparente dell’involucro edilizio Porzione trasparente: venendo meno gli effetti di inerzia ed essendo decisamente più rilevante il contributo della radiazione solare, si preferisce considerare separatamente il carico termico per trasmissione (qui di seguito) ed il carico termico dovuto alla radiazione solare (altro termine separato) Massa frontale bassa e effetti di inerzia termica estremamente limitati Le pareti vetrate, sottoposte ad una sollecitazione termica ciclica, hanno un comportamento molto simile a quello delle pareti senza inerzia: seguono fedelmente la sollecitazione esterna ed il flusso termico dipende dalla differenza istantanea fra la temperatura esterna e interna (DTeff, detta anche differenza di temperatura effettiva). Tmax è la temperatura massima giornaliera dell’aria esterna; DTmax è l’escursione giornaliera massima della temperatura dell’aria esterna; F(h) è il fattore di distribuzione della temperatura UNI 10349 riporta i dati climatici

Carico termico estivo dovuto alle infiltrazioni o alla ventilazione 19 Carico termico estivo dovuto alle infiltrazioni o alla ventilazione Formulazione analoga a quella vista per la stagione invernale, adattata alla stagione estiva, che prevede un calcolo orario Rispetto all’inverno, merita un approfondimento il confronto tra sistemi di ventilazione (naturale o meccanica), limitatamente agli aspetti energetici, rimanendo valide le considerazioni sviluppate in merito all’efficacia In estate la differenza tra la temperatura dell’aria esterna e quella dell’aria interna è più contenuta; diminuisce, quindi, il periodo di convenienza della ventilazione meccanica con recupero rispetto alla ventilazione naturale Di notte la temperatura esterna è minore della temperatura interna: momento ottimale per la ventilazione naturale o meccanica degli ambienti, con una doppia utilità, sia per la diluizione degli inquinanti sia per il raffrescamento dell’edificio (free cooling notturno). Questa opportunità, in genere, non viene colta, coincidendo con il periodo di non occupazione di molti edifici: ciò costituisce spesso un grossolano errore nella gestione energetica dell’edificio.

20 Carico termico per radiazione solare attraverso la porzione trasparente dell’involucro edilizio Il carico termico dovuto alla radiazione solare è molto importante, rappresentando in molti casi il maggiore dei contributi al carico termico estivo La radiazione solare che entra attraverso le superfici trasparenti viene assorbita dalle pareti che circondano l’ambiente interno, per le quali si avrà un incremento di temperatura; allorché la temperatura di queste supera quella dell’aria ambiente, una parte del calore assorbito viene trasferito all’ambiente circostante La capacità dell’ambiente di immagazzinare il calore è responsabile della mancata coincidenza tra l’apporto di calore istantaneo e il carico termico reale che deve essere compensato dall’impianto di raffrescamento.

21 Carico termico per radiazione solare attraverso la porzione trasparente dell’involucro edilizio La valutazione degli effetti di inerzia (dell’ambiente e non della parete) viene effettuata con un fattore di accumulo f’b, funzione dell’esposizione della superficie trasparente, della presenza di schermi, della massa media dell’ambiente e del regime di funzionamento dell’impianto Isol,max è la radiazione specifica massima trasmessa dal vetro semplice di riferimento, in funzione dell’esposizione, della latitudine e del mese; SV è la superficie della finestra considerata; CS è il coefficiente di shading del vetro considerato; fh è un coefficiente che tiene conto del tipo di telaio; fV è la frazione di finestra che risulta soleggiata.

22 Carico termico per radiazione solare attraverso la porzione trasparente dell’involucro edilizio prima sommatoria estesa alle superfici dell’ambiente verso l’esterno, valutate con massa frontale mf intera; seconda sommatoria estesa alle superfici rivolte verso ambienti interni, valutate con metà massa frontale Tabella per il calcolo del fattore di accumulo

Carico termico estivo per illuminazione artificiale 23 Carico termico estivo per illuminazione artificiale Le considerazioni effettuate a proposito del carico termico per radiazione solare rimangono valide anche per la valutazione del carico termico connesso all’illuminazione artificiale degli ambienti. Il meccanismo di scambio termico è il medesimo e sono gli stessi parametri ad influenzare lo sfasamento tra il carico istantaneo prodotto dalle lampade ed il carico termico, con qualche piccola differenza.

Carico termico estivo per illuminazione artificiale 24 Carico termico estivo per illuminazione artificiale Il fattore di accumulo dipende dalla massa media delle strutture, dal tipo di corpi illuminanti e dall’orario di accensione Legame doppio degli impianti di illuminazione con i consumi energetici dell’edificio: una lampada accesa genera consumi direttamente per il suo funzionamento e indirettamente per il raffrescamento degli ambienti.

25 Carichi termici estivi per sorgenti interne diverse dall’illuminazione artificiale Per sorgenti interne diverse dall’illuminazione si intendono tutte quelle sorgenti interne all’edificio che trasmettono calore all’ambiente prevalentemente per convezione. Si tratta delle apparecchiature e delle persone Il calcolo è estremamente semplice, limitandosi alla sommatoria delle potenze delle diverse sorgenti, ora per ora. Legame doppio delle apparecchiature con i consumi energetici dell’edificio: un’apparecchiatura accesa genera consumi direttamente per il suo funzionamento e indirettamente per il raffrescamento degli ambienti.

26 Carichi termici estivi per sorgenti interne diverse dall’illuminazione artificiale