Domande esame con risposte complete Fisica tecnica ambientale

Q’

• flusso termico che, per conduzione, attraversa la SC;

Q’’

• calore generato all’interno della MC. può essere visto come somma delle

Flusso termico che, per conduzione, attraversa la SC:

componenti lungo x, y, z del flusso termico specifico per l’area della superficie ortogonale

H la generazione interna di calore, per unità di

si indichi con

Calore generato all’interno della MC:

tempo e di volume. Si avrà:

La variazione di U nell’elemento di volume, riferita all’unità di tempo, è:

Dove:

è il CALORE SPECIFICO del mezzo [J∙kg-1∙K-1];

c è la DENSITÀ del mezzo [kg∙m-3];

ρ è L’ENERGIA INTERNA SPECIFICA [J∙kg-1].

u

L’equazione di bilancio si scrive quindi:

Se il mezzo è OMOGENEO nei confronti della conducibilità termica, allora K=cost, e se si introduce

la DIFFUSIVITA’ TERMICA (a) del mezzo si ha:

E questa è l’EQUAZIONE GENERALE DELLA CONDUZIONE:

19) Effetto serra

Si dice SELETTIVA una superficie che presenta un comportamento all’assorbimento e alla

riflessione notevolmente diverso nei diversi campi di lunghezza d’onda della radiazione incidente.

La tipica superficie selettiva è il vetro, trasparente alla radiazione visibile al vicino infrarosso, opaco

alle radiazioni a maggiore lunghezza d’onda. Le proprietà del vetro, materiale semitrasparente,

danno origine al cosiddetto Se si lascia l’automobile sotto la radiazione solare

EFFETTO SERRA.

diretta l’interno raggiunge una temperatura più alta rispetto all’aria esterna, poiché l’automobile si

comporta come La spiegazione di questo fenomeno sta nella selettività del

una trappola di calore.

vetro. Il coefficiente di trasmissione del vetro ha un andamento a U rovesciata e si nota che:

- il vetro trasmette il 90% di radiazione nel campo visibile;

- risulta praticamente OPACO (non trasparente) all’infrarosso.

Poiché a temperatura ambiente (300 K) tutta la radiazione emessa dalle superfici cade nella

regione infrarossa, si verifica che il vetro permette alla radiazione solare di entrare e impedisce alla

radiazione infrarossa di uscire.

Per i materiali opachi, le caratteristiche di selettività riguardano la variabilità con λ delle proprietà

di assorbimento e riflessione. Nel campo di utilizzazione dell’ENERGIA SOLARE, è opportuno

disporre di materiali per la captazione con elevati requisiti di assorbimento dell’energia solare e

ridotte capacità di emissione alle elevate lunghezze d’onda caratteristiche dell’irraggiamento a

bassa temperatura.

L’effetto serra si verifica pure su scala più vasta sulla TERRA. I gas combusti come la CO ed il vapore

2

d’acqua, presenti nell’atmosfera, trasmettono la radiazione solare ma assorbono la radiazione

infrarossa emessa dalla superficie della terra. Il sole è la sorgente primaria di energia sulla terra.

L’energia solare raggiunge il suolo dopo aver subito numerose interazioni con l’atmosfera. Il sole si

9 m ed emette radiazione continuamente con una

trova ad una distanza media di circa 1.5∙10

26 9

potenza media di circa 3.8∙10 W. In realtà solo 1/10 di questa potenza giunge sulla terra.

L’atmosfera terrestre è formata da una miscela di N (~78 %), O (~21%), Ar (~0.9%), CO (~0.035%)

2 2 2

e tracce di altri elementi. Nell’atmosfera terrestre vi è inoltre acqua sotto forma di vapore e

sono tra le maggiori cause dell’effetto serra.

goccioline di liquido. Vapor d’acqua e CO 2

L’assorbimento è dato dall’ozono che assorbe la radiazione UV (quasi completamente per λ <0.3 μ

m), dall’ossigeno che assorbe intorno a λ <0.76 μ m, e da vapor d’acqua e anidride carbonica, che

assorbono nell’IR. Lo spettro al suolo risulta a bande poiché i gas assorbono energia soltanto a

determinate λ associate a livelli energetici molecolari. La dispersione è data dall’aria e dalle

particelle presenti in atmosfera: ossigeno e azoto disperdono principalmente radiazione a λ piccola

rispetto alla grandezza della molecola (radiazione violetta e blu): questa dispersione molecolare in

tutte le direzioni dà al cielo il colore azzurro. Albe e tramonti rossi sono dovuti alla maggior massa

d’aria che la radiazione attraversa, e conseguente dispersione di blu e violetto.

2

L’effetto serra restituisce in media 150 W/m , ma questo valore può essere alterato dalla variazione

della composizione dell’atmosfera con l’introduzione dei cosiddetti gas serra. I gas serra sono

caratterizzati dalla capacità di assorbire e quindi reirradiare radiazione infrarossa, in particolare

proprio nelle λ della finestra atmosferica. Ne deriva la tendenza all’incremento della temperatura

equivalente del cielo. Tra i gas serra principali vanno considerati l’anidride carbonica, il metano

collegato ad attività estrattive, i refrigeranti alogenati ed il protossido d’azoto.

20) Termofisica degli edifici

Il benessere globale di coloro che soggiornano in un edificio è strettamente correlato ad una

corretta progettazione dell’involucro edilizio. La realizzazione di un edificio si basa sulla

contemporanea presenza di tre aspetti progettuali: l’aspetto architettonico, l’aspetto strutturale ed

energetico-impiantistico. La morfologia dell’involucro, la disposizione degli ambienti e la scelta dei

materiali permettono una diminuzione considerevole delle dispersioni termiche e pertanto

consentono una marcata riduzione delle esigenze di potenza termica per mantenere il comfort

termico richiesto. Con lo sviluppo delle tecnologie costruttive, alcune soluzioni antiche, come le

notevoli masse murarie di edifici rurali, sono state sostituite da strutture esili e leggere (per

esempio calcestruzzo, vetro e acciaio). Con la crisi energetica (1973), è nata l’esigenza di contenere

i consumi e sono nate le prime leggi sulla riduzione del fabbisogno energetico. L’accurata

descrizione gli scambi termici tra edifici ed ambiente ha conseguentemente guadagnato sempre

più rilevanza. Al fine di quantificare gli scambi di calore che si stabiliscono tra un edificio e

l’ambiente circostante, è necessario analizzare i fattori ai quali sono strettamente legati gli scambi

di calore stessi:

1. dalle caratteristiche geometriche e termofisiche della struttura;

2. dalle condizioni climatiche esterne;

3. dalle condizioni termiche che si mantengono nell’ambiente interno.

Lo studio può essere schematizzato in due casi di regime termico, stazionario e transitorio, che

possono essere assimilati con buona approssimazione rispettivamente al caso invernale e al caso

estivo.

REGIME STAZIONARIO

Le dispersioni dell’edificio possono essere sostanzialmente di due tipi:

Dispersione attraverso la struttura, per propagazione di calore attraverso l’involucro dell’edificio;

Dispersione per infiltrazione o rinnovo di aria esterna.

REGIME TRANSITORIO

Occorre considerare i flussi termici associati alla variazione della temperatura nel tempo

dell’ambiente e della struttura, a loro volta dipendenti dalle caratteristiche capacitive dei materiali

impiegati. In queste condizioni il bilancio termico bilancio termico comprende la variazione del

tempo dell’energia interna dell’aria e delle strutture e ciò rende notevolmente più complessa la

valutazione dei corrispondenti flussi termici.

In generale il dell’aria ambiente comporta la determinazione degli scambi

BILANCIO DI ENERGIA

termici sulle superfici interne ed esterne delle pareti, tenendo conto:

dell’irraggiamento solare e del vento;

–

– della presenza di corpi solidi a temperatura diverse da quelle dell’aria.

Calcolo dei flussi termici

Il calcolo dei flussi termici costituisce il punto di partenza per la progettazione degli impianti di

riscaldamento e di condizionamento. Si deve tener conto:

- del flusso termico che passa attraverso muri, porte, finestre, pavimento, soffitto, dovuto alla

differenza di temperatura fra l'aria esterna e l'aria interna;

- del flusso dovuto alla radiazione solare;

- del flusso dovuto alla ventilazione;

- del calore prodotto all'interno del locale per la presenza di persone, di motori, di lampade, ecc.

Il calcolo del carico termico nel è, di norma, molto più semplice del calcolo

PERIODO INVERNALE

del carico frigorifero nel PERIODO ESTIVO. Infatti, i valori massimi d'inverno si possono

determinare prescindendo dall'apporto della radiazione solare e considerando la temperatura

esterna costante, pari alla minima che si assume a base dei calcoli.

Si tratta sostanzialmente di un problema di trasmissione del calore in regime stazionario. Questo

perché le escursioni della temperatura dell'aria esterna avvengono con entità modeste e attorno a

valori medi sensibilmente più bassi della temperatura dell'aria da mantenere all'interno degli

ambienti. In queste condizioni risultano praticamente ininfluenti gli effetti della variazione della

temperatura durante l'arco della giornata.

Nel l'escursione della temperatura dell'aria esterna avviene con entità maggiore

PERIODO ESTIVO,

attorno a valori medi prossimi a quelli ambiente. Risulta quindi fondamentale l'effetto della

variabilità delle condizioni esterne. Inoltre, la radiazione solare, che rappresenta un apporto

positivo per il bilancio termico durante l'inverno, comporta, nel periodo estivo, un incremento al

flusso di calore entrante e questo induce un aumento della potenza termica da asportare con

l'impianto di climatizzazione.

Il contributo della radiazione solare radiazione solare, ai fini del dimensionamento degli impianti,

non può essere trascurato durante il periodo estivo.

Per quanto riguarda i flussi termici dovuti alle persone, se ne dovrà tener conto soprattutto nei

locali destinati a riunioni, ove l'apporto del calore dovuto alle persone può costituire la parte

predominante nella valutazione del carico complessivo.

Circa la presenza di motori, lampade, motori, lampade, ecc… basta ricordare che l'intera energia

elettrica assorbita si trasforma in calore. Questa condizione è utilizzata prevalentemente per il

calcolo della potenza dell'impianto di climatizzazione.

Flusso termico che attraversa le pareti in regime stazionario

Se ti è la temperatura interna del locale e te la temperatura esterna di riferimento, il flusso termico

per trasmissione è dato dalla espressione:

ove la sommatoria va estesa a tutte le pareti, porte, ecc. che delimitano il locale, ciascuna di

superficie A e di trasmittanza K.

La da