Appunti completi Fisica tecnica e impianti

Lezione 1

Il 35% dei consumi mondiali dell’energia è dovuto al settore dell’edilizia e delle costruzioni, di cui:

• Il 22% dato dai consumi degli edifici residenziali;
• L'8% dato dai consumi degli edifici non-residenziali (uffici, negozi, …);
• Il 5% dato dai consumi dell’indotto edilizio (produzione materiali da costruzioni, …).

Consumi degli edifici residenziali

Guardando più nello specifico il 22% dei consumi degli edifici residenziali possiamo analizzare che i consumi sono così ripartiti:

• Heating (33%): si intende il consumo energetico diretto per il riscaldamento degli ambienti durante la stagione fredda. Per ridurlo non è sufficiente efficientare gli impianti di riscaldamento, ma è necessario progettare correttamente l’involucro evitando le dispersioni termiche.
• Cooking (21%): si intende il consumo diretto di energia per cucinare gli alimenti e quindi i consumi di piani di cottura e forno (a qualsiasi tipo di alimentazione). È molto difficile abbattere questi consumi in quanto già i moderni piani di cottura sono molto efficienti.
• Domestic hot water (18%): si intende il consumo energetico diretto per la produzione dell’acqua calda sanitaria. Anche questa categoria di consumo è difficilmente abbattibile.
• Appliances (16%): si intendono i consumi energetici dovuti al funzionamento degli elettrodomestici. Utilizzare quest’ultimi soltanto quando strettamente necessario e sostituire i più “antichi” con i più moderni ed efficienti.
• Cooling (6%): si intende il consumo energetico per il raffrescamento degli ambienti. Questo è un consumo estremamente complicato da abbattere in quanto è un servizio molto energivoro e che è anche destinato ad aumentare nei prossimi anni.
• Lightning (6%): si intende il consumo energetico per l’illuminazione artificiale. Più che mettere le lampade a LED non si può fare molto altro, in quanto questa tecnologia è molto evoluta e a bassissimi consumi. Inoltre, nel breve periodo, difficilmente scopriremo una tecnologia migliore.

Consumi diretti e indiretti

I consumi dell’edilizia si dividono in:

• Diretti: uso, gestione e manutenzione degli edifici (vedi sopra i consumi divisi per categorie)
• Indiretti: energia necessaria per la produzione dei materiali da costruzione, trasporto di questi, assemblaggio e demolizione degli edifici.

Life cycle assessment (LCA)

Scienza che studia il ciclo di vita di un bene o di un servizio. Possiamo analizzare come negli edifici degli anni '50/'60 i costi energetici indiretti siano solo il 6%-20% del costo totale dell’edificio; mentre nei moderni edifici nZEB il costo energetico maggioritario sia quello indiretto, quindi oltre al costo per la produzione, non ci sono tanti consumi durante l’utilizzo dell’edificio.

Analizzando l’impatto ecologico dell’edilizia, in relazione alla popolazione (negli ultimi 10 anni) possiamo notare che questi crescano in maniera direttamente proporzionale, ciò è ovvio: se aumentano le persone devono aumentare le abitazioni per ospitarli, ciò comporta un rilevante aumento dei consumi energetici.

Distribuzione dei consumi nel settore energetico

Analizzando la distribuzione dei consumi nel settore energetico bisogna evidenziare che: USA, Cina e UE sono i primi per consumi, ma l’Africa che oggi si trova a “pari merito” al 12% con l’UE, è destinata ad aumentare tali consumi, con il rischio che prenda a paradigma l’esempio sbagliato occidentale degli anni passati in cui non era per niente focalizzata l’attenzione sui temi di sostenibilità ambientale.

Uso del vetro nell'edilizia

L’uomo non ha mai fatto grande utilizzo del vetro, in quanto era un’arte molto complicata e che non permetteva la costruzione di infissi apribili, fino al 1600: periodo nel quale si inizia la costruzione della reggia di Versailles. In questa epoca si iniziano a produrre per la costruzione del palazzo le prime lastre di vetro, le quali vengono poi montate sui primi serramenti mobili e quindi apribili, ma rimase sempre un metodo di produzione non perfetto: le lastre non erano perfettamente lisce ed erano molto pesanti, e lo rimase fino agli anni '50 con l’invenzione del vetro “FLOAT”: grazie a una nuova tecnica produttiva si riuscì a creare lastre più sottili ed estremamente lisce ed uniformi.

Nel giro di pochi decenni si passò dalla costruzione tradizionale a grandi edifici con enormi superfici vetrate (vedi grattacieli contemporanei). Queste costruzioni presentano parecchi punti critici sotto il punto di vista energetico:

• Il vetro facilita la dispersione termica.
• La ventilazione naturale è inibita, costringendo alla costruzione di grandi apparati di ventilazione artificiale.
• Effetto serra all’interno degli ambienti.
• Altissimo consumo energetico indiretto: il vetro costa di più a livello energetico per la produzione rispetto ai materiali tradizionali.

Direttiva n.91 e NZEB

Per mettere un freno agli enormi consumi energetici degli edifici l’UE ha emanato nel 2002 la direttiva n.91 (2002/91/CE) anche conosciuta come EPBD. Questa direttiva introduceva il concetto di NZEB (Nearly Zero Energy Building - Edifici ad energia quasi zero). Questa direttiva però era molto vaga in quanto non introduceva nessun limite o valore; quindi, ogni stato (europeo) ha recepito e normato tale direttiva secondo i propri climi e standard ambientali/energetici.

È sufficiente tappezzare gli edifici di pannelli fotovoltaici? No, bisogna agire sull’involucro.

Piramide di Butera per una corretta sostenibilità energetica

Per una corretta sostenibilità energetica bisognerebbe fare riferimento alla piramide di Butera:

• Energia rinnovabile.
• Efficientamento consumi.
• HVAC.
• Corretta progettazione per minimizzare i consumi.

HVAC: Heating Ventilation Air Conditioning.

Sviluppo sostenibile delle costruzioni

Per uno sviluppo sostenibile delle costruzioni non bisogna seguire un approccio lineare, ma bisogna lavorare di gruppo, ognuno mettendo a disposizione le sue competenze e le sue conoscenze.

EU Green Deal

L’Unione Europea con l’EU Green Deal, in accordo con il patto di Parigi, stabilisce 8 aree di intervento per arrivare alla carbon-neutrality entro il 2050:

• Contrastare il cambiamento climatico.
• Energie rinnovabili.
• Industria “pulita” e circolare.
• Edilizia sostenibile.
• Mobilità elettrica.
• Industria alimentare sostenibile.
• Biodiversità.
• Azzerare le emissioni tossiche (gas serra, clima alteranti, dispersione di plastiche).

Nell’era dell’Olocene la temperatura del pianeta è rimasta pressoché costante, permettendo quindi agli uomini di prevedere il clima di un certo luogo e quindi stanziarsi permanentemente. Ciò è vero fino alla prima rivoluzione industriale in cui l’introduzione della macchina a vapore alimentata a carbone ha rilasciato nell’ambiente tantissimo carbonio alterando così gli equilibri naturali.

Altro colpo pesante per il clima si ha all’inizio del XX secolo, periodo in cui vennero messi a punto e prodotti i fertilizzanti azotati e l’introduzione delle irrigazioni massive a pioggia. Questi due fattori combinati hanno portato all’acidificazione dei suoli e al conseguente inquinamento delle falde acquifere.

Nel 2009 un gruppo di scienziati ha teorizzato i 9 limiti planetari per evitare l’estinzione del genere umano.

Lezione 2 – Energia e nozioni generali

Scienze termiche

• Termodinamica: studio degli stati d’equilibrio dei sistemi.
• Stati di calore: studio della trasmissione del calore in sistemi non in equilibrio.

Sistemi

• Aperti: scambiano con l’ambiente energia e materia (casa con finestre aperte).
• Chiusi: scambiano con l’ambiente solo energia (casa con finestre chiuse).
• Isolati: nessun scambio con l’ambiente (nella realtà situazioni difficili).
• Adiabatici: lo studio dello scambio della materia viene omesso.

Sistema termodinamico

Il sistema termodinamico è una quantità di materia, o porzione di spazio separata dal resto dell’universo mediante un determinato contorno costituito da una superficie reale o immaginaria, rigida e deformabile. Durante il corso, il sistema termodinamico preso in considerazione sarà l’edificio: è uno spazio delimitato dall’ambiente circostante (universo) da dei muri (contorno).

Equilibrio termodinamico

L'equilibrio termodinamico si ha quando il sistema, preso in analisi, è in stato di equilibrio:

• Meccanico: tutte le forze che agiscono sono in equilibrio.
• Termico: la temperatura è omogenea e non ci sono scambi di calore in corso.
• Chimico: non ci sono reazioni chimiche in atto e la composizione chimica è la medesima.

Nello stato di equilibrio termodinamico è possibile misurare e calcolare tutte le proprietà del sistema. È possibile descriverne lo stato. Le caratteristiche di un sistema sono dette proprietà, esistono 2 tipi di proprietà:

• Intensive: non dipendono dalla massa (temperatura, densità, pressione, …).
• Estensive: dipendono dalla quantità di materia (massa, volume, energia, …).

Temperatura

La temperatura è una proprietà intensiva ed esprime il grado di agitazione delle molecole e l’attitudine delle stesse di scambiare calore con l’ambiente e con altri corpi. La temperatura non è da confondere con il calore, sono due cose diverse.

Unità di misura sistema internazionale: Kelvin [K], quando si parla di temperatura si indica con la T, es: quel corpo ha T 300 K. Molto spesso si indica come gradi Celsius [°C], quando si parla di temperatura si indica con la t, es: quel corpo ha t 50 °C.

Nell’immagine si indicano due recipienti con un liquido alla stessa temperatura, ma l’energia conservata non è la medesima: nel contenitore più grande ne è presente di più. Quantità maggiore di materia immagazzina maggior quantità di energia.

Principio zero della termodinamica

Due corpi, ognuno in equilibrio termico con un terzo corpo, sono in equilibrio termico tra loro.

Divisione delle varie scale di misure della temperatura e indicazione punto di solidificazione ed ebollizione dell’acqua

Il ΔT in qualsiasi sistema di misura sarà uguale in tutti, perché andiamo a calcolare una quantità e non una misura. Ogni sistema tende a portarsi in equilibrio termico con l’ambiente che lo circonda.

Energia

L'energia è la capacità di un sistema di compiere un lavoro, è la capacità di produrre cambiamenti su un sistema. I principali tipi di energia, che tratteremo nel corso, sono:

• Lavoro: azione su un oggetto che causa uno spostamento.
• Calore: è la manifestazione macroscopica dell’agitazione delle molecole e degli atomi dei corpi.

Il calore è una forma di energia qualitativamente inferiore rispetto al lavoro: per passare dal lavoro all’energia è necessaria poca energia, per passare dal calore al lavoro è necessaria molta energia.

Lavoro = Forza x Spostamento [J] [N] [m]

Il calore si ha quando c’è differenza di temperatura tra due corpi. Inizialmente il calore si misurava in calorie [cal], per poi passare ai Joule [J] fino ad oggi in cui si misura in Watt [W].

Potenza

La potenza è il lavoro compiuto in un’unità di tempo. La potenza è fondamentale per capire in quanto tempo è stato compiuto un certo lavoro, ovvero quanta energia è stata utilizzata.

Potenza = Lavoro / Tempo [J/s] [J] [s]

Joule/secondi = Watt. Se l’energia rimane costante la potenza sarà costante, per il calcolo sarà necessaria una semplice moltiplicazione, viceversa se l’energia non è costante, la potenza non sarà tale, per il calcolo del consumo sarà necessario calcolare l’integrale. Fare molta attenzione al calcolo dell’energia che NON deve essere confuso con la potenza.

Energia primaria

L'energia primaria è definibile come il potenziale energetico presentato dai vettori e fonti energetiche nella loro forma naturale (ossia quando non hanno subito nessuna trasformazione). I combustibili fossili sono fonti di energia primaria. L’energia elettrica NON è una fonte di energia primaria.

Smart grid

La smart grid è una rete di distribuzione dell’energia elettrica che trasmette anche informazioni sullo stato della linea in entrambe le direzioni (produttore-consumatore) ed evita picchi di energia che potrebbero causare blackout. Legato al concetto di smart grid vi è il concetto di generazione distribuita, ovvero una rete in cui non vi è presente una sola centrale elettrica che produce per una zona, ma ogni singolo consumatore né produce un po’ e la immette in rete, ciò è possibile grazie ai pannelli fotovoltaici. Inoltre, la smart grid e la generazione distribuita evitano dispersioni di rete, in quanto l’energia prodotta non deve viaggiare per grandi distanze, ma probabilmente verrà utilizzata nelle vicinanze. La smart grid è fondamentale per lo sviluppo delle fonti rinnovabili come eolico e fotovoltaico, in quanto quest’ultime non sono fonti di energia costante, ma creano dei picchi, i quali se non correttamente reindirizzati potrebbero causare gravi danni all’infrastruttura di rete.

Sostanza pura

Una sostanza pura è una sostanza la cui composizione chimica è costante in tutta la massa presa in considerazione.

Fasi della materia

• Fase solida: le molecole di un solido sono intrecciate in un reticolo tridimensionale che si ripete in tutto il corpo. Le molecole di un solido non possono muoversi. Se si immette calore, i legami iniziano a destabilizzarsi e si sciolgono (fase di fusione).
• Fase liquida: le distanze intermolecolari non sono molto diverse dalla fase solida, ma le molecole non sono più in posizione fissa. I gruppi di molecole si muovono tra di loro, ma mantengono tra di loro una posizione iniziale costante.
• Fase aeriforme: le molecole sono molto lontane le une dalle altre e non hanno alcuna struttura ordinata. Si muovono casualmente scontrandosi le une con le altre.

Temperatura e pressione di saturazione

La temperatura di saturazione è la temperatura alla quale una sostanza pura, tenuta fissa la pressione, inizia ad evaporare. La pressione di saturazione è la pressione alla quale una sostanza pura, tenuta fissa la temperatura, inizia ad evaporare.

Punto triplo

Il punto triplo è il punto corrispondente allo stato in cui le tre fasi (solida, liquida e aeriforme) di una determinata sostanza coesistono in condizioni di equilibrio. Il diagramma di stato, indicando pressione e temperatura, indica le zone di passaggio di stato di una sostanza pura.

Calore sensibile e calore latente

Il calore sensibile è la quantità di energia che, quando somministrata ad un corpo o ad una sostanza, provoca un aumento della sua temperatura. L’aggettivo sensibile è dovuto al fatto che tale calore si manifesta, cioè è possibile apprezzarlo, proprio attraverso l’aumento della temperatura che esso provoca.

Il calore latente è la quantità di energia necessaria per effettuare un passaggio di stato. Il calore specifico di una sostanza è la quantità di calore necessario per innalzare di 1K la temperatura di 1 kg di materiale.

Potere calorifico

Il potere calorifico è la quantità di energia che si può ricavare convertendo completamente una massa unitaria in un vettore energetico in condizioni standard. È la quantità di calore che si sviluppa dalla combustione completa di un chilogrammo di combustibile. Il potere calorifico è l’elemento che meglio di ogni altro caratterizza il valore di un combustibile. Si divide in:

• Potere calorifico superiore (PCS): tiene conto del calore latente di evaporazione dell’acqua generata durante la combustione.
• Potere calorifico inferiore (PCI): non tiene conto del calore latente di evaporazione dell’acqua generata durante la combustione.

Lezione 3 – Trasmissione calore nell'involucro opaco

Flusso termico

Quantità di calore scambiata nell’unità di tempo. In un regime stazionario le condizioni a contorno rimangono costanti nel tempo e la potenza termica in un sistema non varia nel tempo e la cui temperatura non varia in ciascun punto.

Ogni meccanismo di trasmissione del calore (conduzione, convezione, irraggiamento) si basa su una legge fenomenologica semplice che permette di calcolare il flusso termico.

Conduzione – Postulato di Fourier

La conduzione termica consiste nello scambio di calore all’interno o all’interfaccia di corpi solidi, liquidi o gassosi senza movimento apparente di materia. Questo fenomeno è dovuto alla cessione di energia cinetica da parte di molecole che si trovano in una zona a più alta temperatura verso altre molecole in una zona a temperatura inferiore.

Dove:

• λ è definita come la capacità di attraversamento del calore in uno specifico materiale: valore tabellato [W/mk].
• A è la superficie presa in considerazione.
• dx/dt definibile anche come derivata prima.
• dt è la differenza di temperatura interna ed esterna della funzione che attraversa il materiale.
• dx è lo spessore che ne caratterizza l’abbassamento di temperatura.

Il flusso termico scambiato per conduzione è influenzato ...