Edificio quiz ed appunti

Energetica dell'edificio

Introduzione

Politecnico di Torino - Anno 2013/2014

Corso di Ingegneria Energetica - Terzo Anno

Professore: Tronville Paolo Maria

Alunno: Conigliaro Christian

MELLUCE poiché l'indice non ci piace

Argomenti trattati in questi appunti

Climatizzazione

• Consumo energetico
• Cosa sono gli impianti di climatizzazione
• Psicrometria
• Diagramma di Mollier per aria umida
• Diagrama Carrier
• Adsorbimento/Essiccazione
• Termoregolazione del corpo umano
• Benessere termoigrometrico
• Indice di comfort termico
• Valori limite contaminanti (TLV)
• Impianti di ventilazione
• Strategie di ventilazione
• Esercizi
• Impianti a tutt'aria
• Condizionamento estivo ed invernale
• Unità di trattamento aria
• Impianti a portata variabile o con post riscaldamento a zona
• Recuperatori
• Esercizi
• Cicli inversi e macchine frigorifere ad assorbimento
• I filtri
• Legge di Darcy
• Prove d'esame termofisica dell'edificio
• Esercizi

Acustica

• Tipologie di onde
• Suono in campo aperto
• Pressione e intensità sonora
• Distribuzione della frequenza
• Livelli e decibel
• L'orecchio umano
• Sensazione acustica (diagramma di Fletcher e Munson)
• Osservazioni sull'audiogramma normale
• Curve di ponderazione
• Single Event Level
• Campo libero
• Assorbimento
• Correzione acustica
• Campo diffuso
• Campo semiriverberato
• Esercizi
• La trasmissione del rumore
• Legge della massa
• Strumenti di misura
• Rumore bianco, rumore rosa
• Misure
• Livello apparente di rumore da calpestio
• Esercizi

Illuminotecnica

• Caratteristiche dell'onda
• Flussi energetici
• Solido fotometrico
• Grandezze fisiche
• Sorgenti luminose reali
• Sorgenti luminose artificiali
• Evoluzione del LED
• Gli OLED
• Distribuzione illuminamento
• Coefficiente di utilizzazione del flusso
• Requisiti di illuminazione di interni
• Fattore di luce diurna
• Esercizi
• Colorimetria: Soglia cromatica differenziale
• Colorimetria: Sensazione cromatica
• Colorimetria: Il triangolo dei colori
• Colorimetria: Purezza colorimetrica
• Colorimetria: Miscele

Consumo energetico

Il consumo energetico degli edifici dipende da più fattori:

Fattori climatici

• Temperatura e umidità relativa dell'aria esterna (specie d'estate, poiché presenta delle peculiarità che vedremo)
• Radiazione solare
• Velocità e direzione del vento (influenza i coeff. scambio termico delle pareti esterne e quindi la potenza trasferita)

Caratteristiche fisiche dell'edificio

• Struttura dell'edificio (rapporto di superficie/volume)
• Anno di costruzione (soprattutto per questioni tecnologiche)
• Materiali costruttivi e proprietà termofisiche delle chiusure perimetrali
• Tenuta all'aria dei serramenti, rapporto di forma, rapporto tra superficie trasparente e opaca, coefficiente di ombreggiamento (banale esempio, le tende nel balcone influenzano questo coefficiente)

Tipologia impianti e sistemi energetici

• Impianti di climatizzazione, illuminazione e produzione acqua calda sanitaria
• Elettrodomestici, macchine per ufficio, centrali energetiche

Fattori meno evidenti

• Livello di qualità dell'ambiente interno:
• Temperatura ed umidità dell'aria (es: a Torino, aumentando di un grado la temperatura, aumenti del 7% il consumo energetico per riscaldamento)
• Numero di ricambi d'aria (consumo per ventilazione, esempio, aria che entra dalle fessure o dalle porte. Solitamente viene indicato con la lettera "n" e misurato in [1/ore])
• Livello di illuminamento (influenza il n° di ore in cui teniamo accese le luci)
• Modalità di gestione e manutenzione:
• Orario di funzionamento, temperatura set-point impianti climatizzazione
• Contabilizzazione dei consumi, pratiche manutentive (spendo adesso per evitare che il costo complessivo costi molto di più, la difficoltà è convincere i vecchi del condominio a tirare fuori 2 cent)
• Comportamento degli occupanti:
• Numero di occupanti, profilo di occupazione degli ambienti, frequenza e profilo di apertura delle finestre
• Resistenza termica dell'abbigliamento e attività degli occupanti nei periodi di riferimento
• Fattori socio-economici:
• Costo dell'energia, caratteristiche della struttura di fornitura dell'energia, reddito familiare, PIL

Impianti di climatizzazione

È una parola che indica nel modo più ampio tutti i processi coinvolti per rendere l'ambiente più accettabile a livello di qualità aria e temperatura. Spesso gli impianti di climatizzazione vengono indicati con (HVAC). Quando parliamo di condizionamento dell'aria, stiamo parlando di raffrescamento.

Essi Necessitano:

• Produzione caldo (impianti a combustione, pompe di calore, teleriscaldamento)
• Produzione freddo (impianti frigoriferi o semplici "chiller", gruppi ad assorbimento)

Chiller: dispositivi che raffreddano acqua alla temperatura desiderata. È bene ricordare che essi non producono beni o servizi e costituiscono un sottosistema che può racchiudere a propria volta altri sottosistemi (esempio, il condizionamento).

Processi coinvolti nella climatizzazione

• Riscaldamento
• Raffreddamento
• Processi di umidificazione (in inverno) e deumidificazione (estate)
• Pulizia:
• Inquinanti particellari (es: unità trattamento aria)
• Inquinanti aeriformi (es: in un museo devono mantenere certe condizioni aeriformi, per provvedere alla corrosione chimica)
• Ventilazione (implementa il condizionamento dell'aria):
• Naturale (non è affidata al caso, prevedo delle aperture in modo da arieggiare l'ambiente)
• Meccanica
• Movimento dell'aria (circolazione, miscelamento per ottenere adeguata ventilazione e facilitare scambio termico).

Applicazioni con obiettivi diversi

A. Ambiente museale

• Evitare la presenza di muffa (umidità bassa) e minimizzare l'essiccazione dei beni conservati (umidità sufficiente)
• Evitare la dilatazione dei manufatti mantenendo umidità e temperatura costanti senza ricorrere a ventilazione elevata
• 7 Processi necessari (enfasi sull'umidità)

B. Magazzino per cibo congelato

• Mantenimento temperatura tra -20°C e -24°C, in modo uniforme, in varie zone
• Obbiettivi primari: raffreddamento e buona circolazione dell'aria
• Riscaldamento, ventilazione, umidificazione e deumidificazione non impiegati: non si tratta di un vero e proprio impianto di climatizzazione

C. Sala operatoria di un ospedale

• Riscaldamento per il paziente
• Raffreddamento per il personale medico (necessita di controllo accurato e regolabile a piacere)
• Umidificazione (evitare elettricità statica)
• Deumidificazione (no muffa e confort adeguato per chi opera)
• Ecc ecc.

Psicrometria

Aumento dell'umidità

Aumenta l'umidità dell'aria climatizzata se:

• Si mantiene la temperatura costante e aumenta la quantità di vapore (evaporazione). Quindi la quantità di vapore nell'aria è funzione alla temperatura in cui essa si trova e del calore sensibile.
• Si mantiene la quantità di vapore costante facendo scendere la temperatura (condensazione).

Per una determinata pressione e temperatura l'unità di massa d'aria contiene una certa quantità di energia legata a:

• La temperatura dell'aria --> calore sensibile
• La quantità di vapore nell'aria --> calore latente

Più aumenta la temperatura, maggiore la pressione del vapor saturo (aumenta il numero di molecole di acqua per unità di volume che possono rimanere allo stato aeriforme).

Per misurare tutto questo abbiamo bisogno di una serie di grandezze (Temperatura di bulbo secco, temperatura di bulbo umido). La temperatura di bulbo umido si misura con uno strumento dove il bulbo è immerso in un film liquido in fase di evaporazione. La temperatura di bulbo umido sarà sempre minore di quella di bulbo secco, al limite potrà essere uguale.

Umidità relativa e titolo aria umida

L'umidità relativa è uguale al rapporto tra la pressione vapore acqua (che sto considerando) e la pressione di saturazione.

Nota bene:

• Il pedice A, indica aria secca
• Il pedice VS, indica Vapor Saturo.

Grado igrometrico [x]: frazione in massa del vapore d'acqua sull'aria secca.

Entalpia dell'aria umida

La grandezza energetica di cui abbiamo bisogno è l'entalpia dell'aria umida, essa può essere facilmente ricavata pensando che è una grandezza estensiva, quindi è sufficiente scrivere:

Ribadisco:

• a = aria secca
• v = vapore

Il problema è: per fare i calcoli abbiamo bisogno di avere una sola grandezza (entalpia dell'aria umida), ma la quantità di vapore che è contenuta in una unità di massa di aria secca è variabile.

L'intuizione di Mollier è stata: freghiamocene della quantità di vapore presente ogni volta e riferiamoci all'unica cosa che rimane la stessa, la massa di aria secca. Quindi se dividiamo la formula precedente per la massa di aria, troviamo che:

Per determinare bisogna trovare "ha" e "hv" (riferiti all'entalpia a 0°C).

Per il vapore surriscaldato invece si può adottare la seguente espressione: Andando quindi a sostituire le ultime due equazioni trovate:

Diagramma Mollier per aria umida

• Le rette oblique sono le isoentalpiche
• La curva di saturazione è quella con phi=1
• Questo grafico è didatticamente molto efficace, tuttavia, industrialmente è molto più utilizzato il diagramma Carrier

Diagramma Carrier

• Isoentalpiche
• Curva limite
• Regione delle nebbie

Come si vede, i parametri che vengono utilizzati a livello di calcoli sono la temperatura di bulbo secco ed il titolo (Humidity Ratio).

• Le curve rosse sono le "iso-umidità relativa". Quella limite è la più alta.
• Linee azzurrine (diagonali circa a 30°) (Wet bulb or Saturation Temperature) hanno andamento esattamente uguale a quelle isentalpiche.

L'umidità relativa è direttamente proporzionale alla pressione barometrica.

Miscelazione

Abbiamo due correnti gassose che vengono miscelate tra di loro. Ciascuna di esse ha la propria entalpia, titolo e umidità relativa, quindi bilanciando, possiamo dire che quello che esce è uguale a quello che entra (dal punto di vista di potenza termica):

Dalla congiunzione del punto1 e 2 con una retta, si colloca il punto U in modo che la distanza dal punto 1 è proporzionale alla portata in massa 1 ed inversamente proporzionale alla portata in massa 2.

Riscaldamento

Cessione di potenza termica all'aria da parte di un fluido. Tipicamente viene effettuato tramite uno scambiatore termico (batteria di tubi alettata). In questa trasformazione il bilancio ci dà che il titolo in ingresso è uguale a quello in uscita. Il termine "1,9 • x" è trascurabile poiché dell'ordine di 10^-3.

L'umidità relativa scende, poiché, risolvendo rispetto a ø l'espressione, otteniamo che essa è inversamente proporzionale alla pressione di vapor saturo (che all'aumentare della temperatura aumenta, facendo scendere l'umidità relativa).

Umidificazione

Come già detto, possiamo ipotizzare due modi con il quale aggiungere vapor d'acqua:

• Con acqua nebulizzata (una portata di acqua viene aspirata da pompe e passa attraverso ad ugelli; il calore dell'aria viene assorbito dalle particelle nebulizzate per evaporare).
• Con vapore (meglio per ospedali ed impianti speciali)

La differenza essenziale è che la nebulizzazione dell'acqua provoca una ricaduta di fluido nella sezione di nebulizzazione e quindi possibilità di ristagnarsi per una parte di portata (con proliferazione di microrganismi).

Inoltre, nebulizzando l'acqua, si nebulizzano anche le impurità, provocando sostanze particellari che andiamo a respirare. Nel caso della nebulizzazione dell'acqua:

Umidificazione adiabatica

Quindi, sapendo la portata di acqua nebulizzata, riusciamo a ricavare l'entalpia ed il titolo in uscita. La curva è isentalpica poiché non scambiamo lavoro con il sistema (Hi=Hu).

Si può notare sul diagramma la temperatura di bulbo umido (Tbu=temperatura che si genera quando siamo in condizioni di aria saturata). Essendo l'entalpia costante, ed il titolo in uscita è maggiore di quello in entrata (umidificazione), si può vedere dal grafico che la temperatura in uscita deve diminuire.

Le lamiere ondulate sono i separatori di gocce. Il salto entalpico in definitiva, se la trasformazione fosse analizzata in maniera dettagliata, dovrebbe tenere conto dell'entalpia del liquido (che, tuttavia, ha un contributo piccolo). Sul diagramma di carrier, si vede che se la trasformazione fosse totalmente isoterma, avremmo una trasformazione parallela all'asse delle y.

Il goniometro a destra indica la frazione del tipo di trasformazione con cui abbiamo a che fare (se orizzontale, è una trasformazione latente; se fosse tutta verticale, sarebbe una trasformazione con "carichi sensibili", dove non si tocca il titolo).

Raffreddamento senza condensazione

In questo caso non abbiamo un'addizione di calore ma una sottrazione. Essa viene usata d'estate quando si vuole raffreddare una certa portata senza portarla a condensazione (in pratica, raffreddare senza deumidificare).

Deumidificare richiede coefficienti di trasporto diversi dal caso di riscaldamento. Nella serpentina rappresentata in figura, si può far passare un liquido raffrescato precedentemente da un Chiller, o in alternativa, direttamente il fluido frigorigeno (sistema ad espansione diretta). I sistemi ad espansione diretta sono più efficienti, il problema è che bisogna portare per lunghe distanze questo fluido in giro.

Questa trasformazione è isotitolo, variano invece:

• L'entalpia (diminuisce)
• La temperatura (diminuisce)
• L'umidità relativa (aumenta)

Deumidificazione

Può essere fatta con più approcci:

• Raffreddo la corrente d'aria che porta oltre la condizione di saturazione (dal punto I, si porta alla curva ø=100%, e si scende ancora deumidificando). In questo caso vi è una ulteriore complicazione dovuta al fatto che l'acqua condensata, viene rimossa dal sistema (quindi non si ha più la massa costante). Dal punto di vista pratico questo ha delle complicazioni, poiché il drenaggio non è facile (è un fenomeno di trasporto di massa). L'entalpia dell'acqua che viene drenata è variabile.

Temperatura con cui si incrocia la curva

Temperatura di rugiada: isotitolo al 100%

Caso pratico

Pensiamo ad una portata di aria umida che attraversa una batteria di scambio termico, non succederà che tutte le molecole di acqua e tutte le molecole di vapore si porteranno prima in condizione di rugiada e dopo in condensazione. Nella pratica, alcune molecole inizieranno a condensare prima di altre. Inoltre non ci sarà una trasformazione perfettamente lineare lungo la curva ø=100% (nei calcoli adottiamo una unica temperatura per tutta la batteria di scambio termico), ma ci sarà una distribuzione di temperatura.

Perciò mi troverò una portata di acqua deumidificata non idealmente (punto S), mi fermerò da qualche parte (nel grafico) dove l'umidità relativa ed il decremento di temperatura non saranno pari all'ideale. Ci saranno numerosi accorgimenti per cercare di portare la condizione finale a quelle ideali, definiamo quindi un parametro:

Fattore di bypass

Certa quantità di aria che non passa attraverso lo scambiatore termico, quindi senza entrare a contatto con lo scambio termico. Detto con parole migliori, una parte di portata, finisce direttamente all'uscita della batteria di scambio termico miscelandosi con la portata che esce dallo scambiatore di calore. Possiamo quindi dire che l'efficienza dello scambio termico è inversamente proporzionale alla portata che viene bypassata.

Fattori influenzanti

La quantità di acqua bypassata dipende da:

• Temperatura del fluido freddo
• Profondità della batteria fredda (numero di ranghi)
• Geometria (piane o sagomate) e lunghezza alette
• Velocità di attraversamento dell'aria

Adsorbimento/Essiccazione

Un altro approccio che si può fare è l'adsorbimento/essiccazione. L'idea di base è quella di usare una sostanza idroscopica. Possiamo usare alcune sostanze per "asciugare" l'aria in prossimità di essa, ad esempio:

• Gel di silice
• Cloruro di calcio
• Bromuro di litio
• Solfato di sodio

Un'applicazione è il classico pacchettino contenente il gel in silice, che trovi quando compri un oggetto (per esempio elettronico) che deve sopportare una ipotetica condensa (magari durante il viaggio).

Sistema di deumidificazione

Rotore con silicati metallici su matrice ceramica a nido d'ape.

Ambiente per il confort umano

È da mettere in evidenza come il risultato finale sia legato da una parte dalle caratteristiche.