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RAPPORTO EDIFICIO-UOMO-AMBIENTE

Arch. Gabriele Cigolotti

CONDUZIONE Trasferimento di energia tra due solidi a contatto Pareti - Uomo CONVEZIONE Trasferimento di energia tra una superficie solida e un fluido adiacente in movimento Pareti – Uomo - Radiatori Ventilconvettori IRRAGGIAMENTO Trasferimento di energia che avviene attraverso le onde elettromagnetiche prodotte da variazioni nelle configurazioni elettroniche degli atomi e delle molecole Sole – Uomo – Pareti Pannelli radianti

I PARAMETRI DEL COMFORT NELL’UOMO

I MECCANISMI DI TRASMISSIONE DEL CALORE

La trasmissione del calore si occupa dello studio dell’insieme di leggi che governano il passaggio di calore da un sistema ad un altro o da un punto ad un altro di uno stesso sistema, dei dispositivi coinvolti negli scambi di calore e delle leggi che danno la distribuzione di temperatura all’interno di un sistema in funzione dello spazio e del tempo. I meccanismi di trasmissione del calore sono tre: CONDUZIONE, CONVEZIONE, IRRAGGIAMENTO • tutti e tre i meccanismi richiedono l’esistenza di una differenza di temperatura

• si verificano spontaneamente da un sistema a temperatura più alta ad un sistema a

temperatura più bassa

• la conduzione e l’irraggiamento danno luogo esclusivamente a trasferimento di calore, mentre la convezione comporta sempre anche trasporto di massa

I PARAMETRI DEL COMFORT NELL’EDIFICIO: INVERNO

I PARAMETRI DEL COMFORT NELL’EDIFICIO: ESTATE

LA RADIAZIONE SOLARE

ORIENTAMENTO E DISPOSIZIONE LOCALI INTERNI

IL CONTROLLO CLIMATICO ESTERNO

EFFETTI DELL’INERZIA TERMICA DELLE PARETI

MASSA TERMICA consiste nella capacità di un materiale di opporsi al passaggio del flusso di calore e di accumularne una parte, mantenendo, nello stesso tempo, una temperatura dell'ambiente interno omogenea, costante e confortevole. Dunque il materiale è in grado di accumulare calore da un lato, senza cederlo direttamente dall'altro, evitando che i bruschi cambiamenti di temperatura esterna si riflettano in modo diretto all'interno dell'edificio.

MASSA TERMICA E SFASAMENTO

Il ritardo con cui l’involucro cede il calore accumulato si chiama SFASAMENTO ed equivale all’arco di tempo (ore) che serve all’onda termica per fluire dall’esterno all’interno attraverso un materiale edile. Maggiore è lo sfasamento, più lungo sarà il tempo di passaggio del calore all’interno dell’edificio. Lo sfasamento dunque è la differenza di tempo che intercorre tra l’ora in cui si ha la massima temperatura all’esterno e l’ora in cui si ha la massima temperatura all’interno, e non deve essere inferiore alle 8/12 ore.

ASSORBIMENTO E RIFLESSIONE DELL’INVOLUCRO

LA TRASMISSIONE DEL CALORE

POTENZA TERMICA E FLUSSO TERMICO

POTENZA: in fisica, è l’energia trasferita nell’unità di tempo POTENZA TERMICA: si tratta di un trasferimento di calore FLUSSO TERMICO: è la potenza riferita ad una superficie di area unitaria. Il flusso termico medio su una superficie si esprime:

I MECCANISMI DELLA TRASMISSIONE DEL CALORE

CONDUZIONE

CONDUCIBILITA’ E TRASMITTANZA

CONDUCIBILITA’ TERMICA (λ) è il rapporto, in condizioni stazionarie, fra il flusso di calore e il gradiente di temperatura che provoca il passaggio del calore nel caso della conduzione termica. In altri termini, la conducibilità termica è una misura dell'attitudine di una sostanza a trasmettere il calore (vale a dire maggiore è il valore di λ o k, meno isolante è il materiale). Essa dipende solo dalla natura del materiale, non dalla sua forma. TRASMITTANZA (U) è una grandezza fisica che misura la quantità di calore scambiato da un materiale o un corpo per unità di superficie e unità di differenza di temperatura e definisce la capacità di un elemento nello scambiare energia, ovvero l'inverso della capacità isolante di un corpo .

CONDUZIONE – RESISTENZA TERMICA

CONDUZIONE – CONDUCIBILITA’ TERMICA DI ALCUNI MATERIALI

ISOLANTI NATURALI

Sono quelle tipologie di materiali isolanti utilizzati per la coibentazione degli edifici non derivanti da sintesi chimica, ma ottenuti da prodotti biologici presenti in natura.

FIBRA DI ROCCIA o LANA MINERALE Ottenuto tramite l’agglomerazione di scorie, sminuzzamenti e rocce fuse, sotto forma di pannelli che possono essere rigidi, semirigidi o flessibile e trapuntati. Caratteristiche principali: Conduttività termica (λ): 0,038 ÷ 0,054 W/m°K Resistenza al vapor d’acqua (μ): 1 ÷ 1,3 fortemente igroscopico Densità (ρ): 30 – 200 kg/m3

ISOLANTI NATURALI

FIBRA DI LEGNO Ricavato da trucioli di legno sminuzzato fino ad ottenere delle “fibre”. A volte viene lavorato con resine leganti naturali o sintetiche, altre volte viene compattato con azione meccanica ed aggiunta di amidi naturali. Si trova in commercio sotto forma di pannelli rigidi, semirigidi e flessibili arrotolato. Caratteristiche principali: Conduttività termica (λ): 0,04 ÷ 0,06 W/m°K Resistenza al vapor d’acqua (μ): 2 ÷ 10 igroscopico Densità (ρ): 150 ÷ 250 kg/m3

ISOLANTI NATURALI

SUGHERO ESPANSO E’ un prodotto di origine naturale ricavato dall’albero del sughero (Quercus suber L.) periodicamente rimosso dal tronco e dai rami. A volte viene lavorato con resine leganti naturali o sintetiche. Può essere granulato, espanso e ricompattato in pannelli utilizzando il suo legante naturale essudato dalla stessa pianta. Caratteristiche principali: Conduttività termica (λ): 0,043 ÷ 0,053 W/m°K Resistenza al vapor d’acqua (μ): 9 ÷ 19 igroscopico Densità (ρ): 90 ÷ 200 kg/m3

ISOLANTI SINTETICI

Costituito prevalentemente da STIRENE (derivato del petrolio). L’EPS è permeabile al vapore acqueo, ed è quindi traspirabile, ma impermeabile all’acqua. Caratteristiche principali: Conduttività termica (λ): 0,032 ÷ 0,045 W/m°K Resistenza al vapor d’acqua (μ): 20 ÷ 120 igroscopico a bassa densità Densità (ρ): 15 ÷ 40 kg/m3

Sono quelle tipologie di materiali isolanti utilizzati per la coibentazione degli edifici derivanti da sintesi chimica.

POLISTIROLO/POLISTIRENE ESPANSO (EPS)

ISOLANTI SINTETICI

E’ un prodotto di origine sintetica ricavato dalla lavorazione dei derivati del petrolio, attraverso la lavorazione/estrusione di sfere di polistirene espanso. L’XPS è poco permeabile al vapore acqueo, ed è quindi poco traspirabile e fortemente impermeabile all’acqua. Caratteristiche principali: Conduttività termica (λ): 0,030 ÷ 0,045 W/m°K Resistenza al vapor d’acqua (μ): 80 ÷ 300 poco igroscopico Densità (ρ): 30 ÷ 50 kg/m3

POLISTIROLO/POLISTIRENE ESTRUSO (XPS)

ISOLANTI SINTETICI

E’ un prodotto di origine sintetica presente sotto forma di schiuma di poliuretano espansa a celle chiuse di consistenza rigida. Essendo molto sensibile al deterioramento per ossidazione e per creep dovuto a raggi UV, si trova solitamente racchiuso in barriere protettive e polimeriche o metalliche tipo alluminio. Caratteristiche principali: Conduttività termica (λ): 0,022 ÷ 0,035 W/m°K Resistenza al vapor d’acqua (μ): 50 ÷ 200 poco igroscopico (in funzione della densità) Densità (ρ): 20 ÷50 kg/m3

POLIURETANO E SCHIUME POLIURETANICHE (XPU – PUR)

ISOLANTI SINTETICI

Appare come fumo congelato, è considerato il solido più leggero al mondo e possiede la minore conducibilità termica tra tutti i materiali attualmente conosciuti. È formato per il 95% da aria, tenuta insieme da acido silicico (diossido di silicio) che si ottiene dalla sabbia. L’aerogel viene prodotto eliminando il liquido dall’acido silicico, ma mantenendone intatta la struttura. Il gel così ottenuto viene sottoposto ad un complesso procedimento ed essiccato in condizioni estreme. Caratteristiche principali: Conduttività termica (λ): 0,013 ÷ 0,015 W/m°K Resistenza al vapor d’acqua (μ): 5 Densità (ρ): 150 kg/m3

AEROGEL

TRASMITTANZA MURATURA

TRASMITTANZA = 1/R = 1/0,5 = 2 W/m²K

TRASMITTANZA MURATURA

TRASMITTANZA = 1/R = 2,9 = 0,34 W/m²K

TRASMITTANZA SERRAMENTI

I COMPONENTI DELL’IMPIANTO



Lo scopo degli impianti di riscaldamento è quello di mantenere all’interno di un ambiente, nelle stagioni fredde, condizioni climatiche compatibili con il tipo di attività svolta. Gli impianti di riscaldamento sono costituiti: • da un gruppo termico di generazione del calore, alimentato da un combustibile, solido, liquido o gassoso

• da un camino per l’evacuazione dei fumi

• da un sistema di distribuzione del fluido termovettore (acqua o aria)

• da terminali scaldanti (o nel caso di aria, diffusori) che hanno il compito di fornire il calore agli ambienti

• le apparecchiature di regolazione


I sistemi di alimentazione La complessità del sistema di alimentazione dipende dal tipo di combustibile impiegato. Per i combustibili trasportati (combustibili liquidi e solidi) il sistema di alimentazione deve comprendere anche uno stoccaggio che garantisca una autonomia di qualche mese (da un minimo di tre mesi ad un massimo corrispondente al fabbisogno dell’intera stagione di riscaldamento). Nel caso di combustibili liquidi lo stoccaggio avviene normalmente in serbatoi che possono essere realizzati in lamiera oppure in materie sintetiche quali la vetroresina. I combustibili gassosi (gas naturale o metano, gas di città o manifatturato) sono trasportati mediante le reti urbane sino al contatore. La parte di impianto dal contatore all’utenza (bruciatore) deve essere eseguita a cura dell’utente secondo precise norme di sicurezza. Per le utenze medio-piccole può essere impiegato come combustibile anche il gas di petrolio liquefatto (GPL) che viene consegnato allo stato liquido e depositato entro appositi serbatoi.


I bruciatori I bruciatori sono apparecchi che provvedono a miscelare un combustibile con un comburente, introdurre tale miscela nella camera di combustione e innescare la combustione. In un bruciatore, indipendentemente dal combustibile utilizzato, si possono individuare tre sottosistemi: - il sottosistema di trasferimento che provvede alla miscelazione dell’aria con il combustibile; - il sottosistema di accensione che provvede all’innesco della miscela; - il sottosistema di sicurezza e regolazione che controlla il corretto svolgimento della combustione.

LA DISTRIBUZIONE

LA DISTRIBUZIONE

IL SISTEMA DI DISTRIBUZIONE

LA DISTRIBUZIONE

I TERMINALI RISCALDANTI



I terminali scaldanti Gli apparecchi di utilizzazione, detti anche terminali scaldanti o corpi scaldanti, hanno lo scopo di trasferire il calore prodotto dal gruppo termico, e distribuito dalla rete idraulica, direttamente all’interno dei singoli locali garantendo in questo modo le condizioni di benessere. I terminali degli impianti di riscaldamento possono essere classificati sulla base della modalità con la quale scambiano calore con l’ambiente: • terminali scaldanti a prevalente convezione naturale: radiatori, piastre radianti, termoconvettori, tubi alettati, ecc.; • terminali scaldanti a prevalente convezione forzata: aerotermi, ventilconvettori, ecc.; • terminali scaldanti a prevalente scambio termico radiativo: a bassa temperatura (pannelli radianti a pavimento, a soffitto, a parete), ad alta temperatura (strisce radianti, ecc.) devono essere collocati in posizione e condizioni tali che non ne risulti pregiudicata la cessione di calore all’ambiente.


I radiatori I corpi scaldanti più diffusi sono i radiatori a elementi, attraverso le pareti dei quali il fluido scaldante, proveniente dalla caldaia, cede calore al locale. Caratteristica comune a tutti i corpi scaldanti, che possono essere realizzati in ghisa, in acciaio o in alluminio, è quella di presentare una serie di canali le cui estremità sono collegate a due canali principali detti collettori ai quali fanno capo gli attacchi di ingresso e di uscita del fluido scaldante. Tale disposizione agevola la distribuzione del fluido entro l’intero corpo scaldante, evitando che si formino dei passaggi preferenziali.


Le condizioni normali di funzionamento prevedono l’ingresso dell’acqua (dall’alto) ad una temperatura di 85 °C ed una differenza di temperatura tra ingresso e uscita di 10 °C. Le caratteristiche di scambio termico dipendono da diversi fattori (forma dimensione e materiale, temperatura di funzionamento, posizione dei collegamenti idraulici, temperatura dell’aria nell’ambiente da riscaldare e posizione del corpo scaldante all’interno dell’ambiente).


I ventilconvettori Un corpo riscaldante che viene usato generalmente negli impianti di climatizzazione per il raffrescamento estivo e per il riscaldamento invernale. Il ventilconvettore è in buona sostanza un convettore nel quale l’aria passa attraverso una batteria di tubi alettati spinta da un ventilatore anziché per tiraggio naturale. In questo caso viene quindi meno la funzione del camino ed il mobiletto che ricopre l’apparecchio, quando questo è posto contro una parete, ha semplice funzione di copertura e finitura estetica, oltre che di sostegno delle griglie di ingresso e di uscita dell'aria. Quando l’apparecchio viene espressamente progettato per il solo servizio invernale prende il nome di termoconvettore ventilato.


I pannelli radianti Il principio si basa sulla circolazione di acqua calda a bassa temperatura (in genere tra i 30 e i 35 °C) in un circuito chiuso, che si sviluppa coprendo una superficie radiante molto elevata. Vi sono attualmente sistemi che utilizzano l'energia elettrica, sistemi composti da cavi scaldanti o strisce di vario genere, anche se il principio è quello tecnico/scientifico dell'effetto joule (sinteticamente: un conduttore attraversato da una corrente elettrica dissipa energia sotto forma di calore).

I SISTEMI DI REGOLAZIONE



Centralina e sonda esterna Valvola termostatica

Valvola termostatica elettronica

SOLARE TERMICO

SOLARE TERMICO

SOLARE TERMICO

IMPIANTI SOLARI A CIRCOLAZIONE NATURALE

IMPIANTI SOLARI A CIRCOLAZIONE FORZATA

FABBISOGNO PRO CAPITE

FABBISOGNO PRO CAPITE ACS

40°C temperatura ACS 70 litri/giorno

Ad esempio, per una famiglia di 4 persone

70 litri/giorno x 4 persone = 280 litri/giorno = 0,280 m³/giorno

15°C temperatura media acqua prelevata dall’acquedotto

Δt = (40°C – 15°C) = 25°C Massa volumica = 1000 kg/m³

Calore specifico = 1,162 Wh/kg °C

Q h,w= ρ * c * Vw * Δt * G = 1000 kg/m³ * 1,162 Wh/kg °C * 0,28 m³/G * 25 °C * 365 G

= 4.139.100 Wh = 4,14 MWh

QUANTITA’ DI ENERGIA NECESSARIA per questo FABBISOGNO 4,14 MWh/anno

IRRAGGIAMENTO

DIMENSIONAMENTO

IPOTESI IMPIANTO SOLARE TERMICO

Ipotizzando un irraggiamento 1100 kWh/m² annuo

1100 kWh/m² x 4 m² di pannello = 4,40 MWh/anno

ENERGIA FORNITA DAI COLLETTORI 2,55 MWh/anno

ENERGIA FORNITA DAL CIRCUITO

2,30 MWh/anno

Il solare termico con 4 m² di pannelli Soddisferebbe il 55% del fabbisogno

Energia fornita dal circuito = 2,30 MWh/anno

Fabbisogno ACS = 4,14 MWh/anno

CASO STUDIO

CASO STUDIO

Risparmio energetico residenziale

Classe energetica F Prestazione energetica 250 kWh/m² Energia necessaria 100%

Sottotetto Involucro

Clima Energia

Illuminazione

Situazione iniziale



Clima Energia

Illuminazione

Classe energetica E Prestazione energetica 220 kWh/m² Energia necessaria 88%

Isolamento sottotetto



Clima Energia

Illuminazione

Classe energetica C Prestazione energetica 108 kWh/m² Energia necessaria 43%

Isolamento involucro



Clima Energia

Illuminazione

Classe energetica B Prestazione energetica 88 kWh/m² Energia necessaria 35%

Caldaia a condensazione



Clima Energia

Illuminazione

Classe energetica A Energia necessaria 29%

Pompa di calore



Clima Energia

Illuminazione

Classe energetica A+ Energia necessaria 19%

Impianto fotovoltaico



Clima Energia

Illuminazione

Classe energetica A+ Energia necessaria 17%

Illuminazione a LED

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