Climatizzazione e termofisica - Domande

Indice

• 1) Descrivere il diagramma psicrometrico e le grandezze su di esso riportate. Definire l’entalpia e l’entalpia specifica per l’aria umida. .................................................................................. 3
• 2) Descrivere le principali trasformazioni termodinamiche dell’aria umida. Descrivere il cosiddetto modello del by-pass factor.................................................................................................. 5
• 3) Spiegare come si ricava e cos’è la retta ambiente (in condizioni estive), evidenziandola sul diagramma psicrometrico e definendo il fattore di by-pass per la batteria (sempre in condizioni estive) .......................................................................................................................................... 9
• 4) Descrivere le trasformazioni a cui è soggetta una portata di aria umida in un impianto a tutt’aria per riscaldamento con umidificazione ad acqua, riportando le principali equazioni di bilancio e tracciando le trasformazioni su un diagramma psicrometrico. Discutere i limiti tecnici del parziale ricircolo dell’aria di espulsione ........................................ 11
• 5) Descrivere i principali cicli di trattamento dell’aria che possono avvenire in una unità di trattamento dell’aria (UTA) .................................................................................................................... 12
• 6) Partendo dall’equazione di scambio termico radiativo per due superfici grigie (spiegare il significato dei termini), effettuare la linearizzazione, determinare il coefficiente di scambio termico radiativo per una superficie, determinare la forma generale della temperatura media radiante lineare, introdurre le varie ipotesi semplificative e le relative formule per il calcolo della temperatura media radiante lineare ......................................................................... 14
• 7) Discutere i modelli lineari per valutare lo scambio radiativo fra le pareti di una stanza, riportandone le equazioni principali e discutendo le ipotesi semplificative ............................. 15
• 8) Definizione di “ponte termico”, descrizione della fisica del fenomeno e dei metodi per la sua valutazione. Riportare e commentare alcuni esempi di ponte termico tipici degli involucri edilizi ed indicare le principali equazioni usate per rappresentarne l’effetto sul bilancio termico ......................................................................................................................................... 17
• 9) Descrivere il modello del quadripolo termico, la matrice di trasferimento armonica, la matrice dell’ammettenza e i fattori armonici ................................................................................... 19
• 10) Descrivere il modello del parametro concentrato. Differenze e confronto con il modello del parametro concentrato lineare ................................................................................... 23
• 11) Definire il bilancio termico per un ambiente umido (in termini di temperatura operante dell’ambiente interno), spiegando il significato dei termini che vi compaiono. Indicare le equazioni fondamentali per il calcolo, discutendo i termini e mettendo in evidenza le ipotesi semplificative introdotte. .......................................................................................................... 25
• 12) Ricavare dal bilancio termico l’equazione per il calcolo del carico termico sensibile di riscaldamento, discutendo le semplificazioni introdotte. Definire il carico termico sensibile e latente ........................................................................................................................................................ 27
• 13) Ricavare dal bilancio termico, l’equazione per il calcolo del carico termico sensibile e latente estivo, secondo il metodo Carrier spiegando le approssimazioni introdotte ........... 29
• 14) Descrivere le categorie di sottosistemi in cui convenzionalmente si schematizza un impianto di riscaldamento per i fini della valutazione delle prestazioni energetiche, indicando alcuni esempi per ciascuna categoria. Descrivere le modalità con cui ne vengono valutati gli effetti (equazione caratteristica) sul fabbisogno energetico dell’edificio, definendo e commentando le diverse “efficienze” ............................................................................ 30
• 15) Descrivere la metodologia per la valutazione delle prestazioni energetiche di un generatore termico a combustione (e.g. termini del bilancio, caratterizzazione delle perdite, definizione rendimenti). Peculiarità di un generatore a condensazione. ................... 32
• 16) Infiltrazioni d’aria attraverso l’involucro: definire le tipologie di infiltrazioni (relazione causa-effetto) ......................................................................................................................... 35
• 17) Benessere termo-fisico: esplicitare il bilancio termico del corpo umano. Descrivere gli indici di previsione del benessere PMV e PPD e i parametri necessari per il calcolo. Differenze con il modello di comfort adattivo. .................................................................................................... 38

1) Descrivere il diagramma psicrometrico e le grandezze su di esso riportate. Definire l’entalpia e l’entalpia specifica per l’aria umida

La psicrometria è lo studio delle proprietà della miscela bicomponente di aria secca e vapore acqueo, chiamata aria umida.

Questa viene applicata nei campi ingegneristici di:

• Benessere igrometrico;
• Trasformazioni termodinamiche nei sistemi di climatizzazione ambientale.

Le proprietà dell’aria umida possono essere riportate in un diagramma bidimensionale se si considera costante la pressione della miscela, il cosiddetto diagramma psicrometrico.

Esistono due diversi diagrammi psicrometrici:

• Diagramma Carrier, variabili indipendenti temperatura θ e umidità massica;
• Diagramma di Mollier e ASHRAE-AiCARR, variabili indipendenti entalpia specifica h e umidità (AU) massica x.

Il diagramma Carrier consente di tracciare alcune trasformazioni solo in modo approssimato, mentre quello di Mollier o ASHRAE-AiCARR sempre in modo corretto.

Il diagramma di Mollier solo apparentemente sembra adottare come coordinate indipendenti temperatura e umidità massica, così come il diagramma ASHRAE_AiCARR, che non è altro che lo stesso tipo di rappresentazione con assi ruotati di 90° in senso antiorario e quindi ribaltato rispetto all’asse verticale (in modo da avere le temperature crescenti da sinistra a destra). L’asse delle h non è ortogonale a quello delle X, ma è inclinato di un angolo β < 90° verso l’asse delle x, per poter distanziare tra loro le iso-umidità relative che altrimenti risulterebbero troppo vicine tra di loro e quindi poco leggibili.

Durante la nostra trattazione abbiamo utilizzato il diagramma di ASHRAE-AiCARR:

Grandezze presenti all’interno del diagramma psicrometrico

Tra le grandezze presenti all’interno del diagramma psicrometrico abbiamo:

• Temperatura di bulbo secco; è la temperatura misurata da un comune termometro a bulbo. La misura di tale temperatura è assolutamente indipendente dall’umidità relativa (U.R.) dell’aria; sul diagramma psicrometrico la scala delle temperature a bulbo secco è indicata sull’asse orizzontale.
• Temperatura a bulbo umido; dato un termometro il cui bulbo viene tenuto avvolto in una garza imbevuta d’acqua (bulbo umido), quando il bulbo viene investito dalla corrente d’aria, parte dell’acqua contenuta nella garza evapora sottraendo calore al mercurio del termometro: l’indicazione del termometro sarà quindi più bassa rispetto a quella che darebbe lo stesso termometro a bulbo asciutto. La temperatura a bulbo umido T è la temperatura dell’aria ambiente misurata dal termometro il cui bulbo è mantenuto umido dall’acqua della garza. Il termometro a bulbo umido misura la temperatura dell’aria ambiente quando essa viene resa satura secondo un processo che avviene ad entalpia costante. Se sono note la temperatura di bulbo secco e la temperatura di bulbo umido risulta determinata l’umidità relativa. Sul diagramma psicrometrico la temperatura è indicata sull'asse orizzontale.
• Umidità specifica; indica quanti grammi di vapore acqueo sono presenti in ogni kg di aria secca. Sul diagramma psicrometrico l’umidità specifica è indicata sull’asse verticale posto sul lato destro.
• Umidità relativa; la quantità di vapore acqueo che può essere contenuto in un kg di aria secca non è illimitata: oltre una certa quantità il vapore aggiunto condensa sotto forma di minute goccioline (effetto nebbia). Vale P/Psat che è = m/msat. L’umidità relativa non è altro che la percentuale di vapore contenuto nell’aria in rapporto alla massima quantità in essa contenibile alla data temperatura. L’umidità relativa dell’aria è strettamente legata alla temperatura di bulbo secco: a parità di grammi di vapore acqueo contenuti nel kg di aria secca, l’umidità relativa aumenta al diminuire della temperatura. Sul diagramma psicrometrico l’umidità specifica è indicata dalle curve (100% curva più alta).
• Temperatura di rugiada; la temperatura di rugiada è la temperatura alla quale l’aria raggiunge le condizioni di saturazione (U.R.=100%). Su ogni elemento (parete, superficie vetrata ecc…) che si trova ad una temperatura appena inferiore alla temperatura di rugiada si forma condensa (rugiada, appunto). La temperatura di rugiada è maggiore, a parità di temperatura a bulbo secco, al crescere dell’umidità relativa. Sul diagramma psicrometrico la temperatura di rugiada è indicata sull'asse orizzontale.
• Volume specifico; è il volume occupato dall’aria umida facendo come sempre riferimento al kg di aria secca. Sul diagramma il Volume specifico è indicato nelle rette ad inclinazione ripida.
• Entalpia; è la grandezza termodinamica che indica il contenuto energetico di una sostanza alle date condizioni di temperatura, pressione ecc… Poiché nelle varie trasformazioni termodinamiche ciò che interessa è la variazione di entalpia dallo stato iniziale allo stato finale, si può fissare ad arbitrio uno stato termodinamico di riferimento al quale si fa corrispondere il valore di entalpia pari a zero. Si misura in chilocalorie su chilogrammo di aria secca (kcal/kg a.s.). Sul diagramma l’Entalpia specifica è indicata nella linea diagonale.

Entalpia della miscela aria umida

L’entalpia della miscela aria umida è data dalla somma delle entalpie dei costituenti:

L’entalpia è resa specifica dividendo per la massa del costituente che si conserva, l’aria secca, in quanto la massa della miscela può variare per effetto della condensazione del vapore o la vaporizzazione di liquido:

Formula semplificata per il calcolo dell’entalpia specifica:

2) Descrivere le principali trasformazioni termodinamiche dell’aria umida. Descrivere il cosiddetto modello del by-pass factor

Per effettuare trasformazioni termodinamiche sul diagramma psicrometrico considero due stati termodinamici di un’aria umida, per andare da 1 → 2 non è sempre possibile o praticabile passare da uno stato ad un altro con una trasformazione semplice (linea retta); uno stato è raggiungibile da un altro stato con diverse sequenze di trasformazioni (trasformazioni composte), che non sono equivalenti nelle trasformazioni semplici che le compongono, ma solo tra gli stati iniziali e finali.

Principali trasformazioni

• Deumidificazione.
• La deumidificazione avviene per condensazione del vapore contenuto nell’aria umida, condensazione che non avviene a temperatura costante perché l’acqua, sia liquida che aeriforme, essendo in equilibrio termico con l’aria secca, segue il raffreddamento dell’aria.
• Riscaldamento sensibile.
• Raffreddamento sensibile.
• Raffreddamento con deumidificazione.
• Umidificazione senza saturazione.
• Miscelazione adiabatica.
• Modello di by-pass factor.

3) Spiegare come si ricava e cos’è la retta ambiente (in condizioni estive), evidenziandola sul diagramma psicrometrico e definendo il fattore di by-pass per la batteria (sempre in condizioni estive)

La retta ambiente è il luogo dei punti del piano che rappresentano una possibile soluzione, la cui pendenza