Prof. Massimo Lazzari
IMPIANTI E STRUTTURE
Corso di Laurea Specialistica
PAAS
1
IL CONTROLLO DELLA
TEMPERATURA
2
Il movimento è il modo di esistere
della materia.
L’energia è materia (E = m *c2). L’energia è movimento (L = F * s)
Mai in nessun luogo c'è stata e può esserci materia senza movimento.
Movimento nello spazio cosmico, movimento meccanico di masse più
piccole nei singoli corpi celesti, vibrazione molecolare come calore o
come corrente elettrica o magnetica, scomposizione e combinazione
chimica, vita organica: sono queste le forme di movimento, nell'una o
nell'altra o contemporaneamente in parecchie delle quali si trova, in
ogni dato istante, ogni singolo atomo di materia cosmica. In realtà non
esiste distinzione tra materia e movimento: sono la stessa cosa.
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calore
Energia in transito
Energia = Lavoro = F * s
Fenomeno per cui le molecole vibrano
e trasmettono le loro vibrazioni
urtandosi l’una con l’altra
o attraverso l’emissione di radiazioni.
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Calore
Primo principio della termodinamica: il calore si
trasferisce da un corpo a temperaura più elevata a un
corpo a temperatura inferiore.
La temperatura ci indica il livello di calore di un corpo e
quindi ci permette di prevedere la direzione del
trasferimento di energia.
La termodinamica tuttavia non ci dice nulla riguardo al
tempo. Ci dice che l’energia si sposta da un corpo all’altro
ma non in quanto tempo
Potenza = Energia/ tempo = Flusso di energia nell’unità di
tempo = W
5
La temperatura negli
allevamenti
• È il parametro sul quale si è
maggiormente accentrata l'attenzione
dei ricercatori e ciò sia per una sua
indubbia notevole influenza sulla
produzione, sia perché è certamente il
parametro più semplice da controllare
nel ricovero.
• I livelli di temperatura ottimali sono
correlati all'età, alla razza ed al livello
alimentare.
6
• Come noto gli animali allevati, di
interesse zootecnico, sono omeotermi;
tendono cioè a mantenere costante la
temperatura del corpo, grazie ad un
complesso sistema di termoregolazione.
• Tale sistema è efficace entro un certo
campo di variazione della temperatura
esterna al di fuori del quale l'animale
non è più in grado di mantenere il suo
stato di omotermia, con situazioni allora
di ipo o ipertermia, sino alla morte da
freddo o da caldo.
7
• Il campo di temperature all'interno del
quale la produzione di calore è minima,
ed
è
quindi
massima
l'energia
dell'alimento che resta disponibile per la
produzione, si indica come zona di
termoneutralità,
di
confort
o
di
benessere.
• Tale zona di massima produttività, è
delimitata dalle temperature critiche
inferiore e superiore al di là delle quali
l'organismo deve spendere energia
aggiuntiva per mantenere l'omeotermia.
8
9
Temperatura critica
10
ZONA DI TERMONEUTRALITA’
Nella zona C-F la produzione di calore è
indipendente dalle condizioni
microclimatiche e varia principalmente in relazione
al livello nutritivo ed al peso dell’animale, mentre
l’utilizzazione dell’energia a fini produttivi
raggiunge i più alti valori: in tale intervallo la
temperatura ambientale influisce solo sulla tipologia
di calore disperso, poiché al suo variare l’eventuale
minor dispersione di calore sensibile è compensata
dall’aumento della quota di calore latente e
11
viceversa.
TEMPERATURE CRITICHE INFERIORE E SUPERIORE’
- la temperatura critica inferiore è definita come la
temperatura ambientale al di sotto della quale
l’animale è costretto ad aumentare la produzione di
calore per mantenere l’omeoternia (in pratica è la
temperatura più bassa alla quale
corrisponde la minima produzione di calore);
- la temperatura critica superiore è la temperatura
ambientale al di sopra della quale gli animali
aumentano la produzione di calore come
conseguenza del lavoro muscolare richiesto per
l’incremento della frequenza respiratoria e di quella
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cardiaca.
Bilancio termico
mantenimento+ produzione>- sensibile+ latente
l
s
H2O
Conduzione
Convezione
Irraggiamento
 m+  p
1 g/h di H2O=0,68 Wh di energia
13
p
l
s
p
s
l
14
24
23,5
23
22,5
22
21,5
21
20,5
20
2001
dic
nov
ott
set
ago
lug
giu
mag
apr
mar
feb
2002
gen
produzione di latte
(kg/giorno)
produzione media mensile di latte
mesi
15
16
• Vari fattori quali il livello alimentare, la
qualità della dieta, l'età degli animali, le
dimensioni corporee, la numerosità del
box, il tipo di pavimentazione ed il tipo
di ventilazione influenzano i valori delle
temperature critiche, per cui, la
determinazione delle condizioni
ambientali operative ottimali, deve
discendere da un esame complessivo
del management.
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18
19
EFFETTI SULLA PRODUTTIVITA’ – Es. BOVINE
20
NON DIPENDE SOLO DALLA TEMPERATURA
21
NON DIPENDE SOLO DALLA TEMPERATURA
22
NON DIPENDE SOLO DALLA TEMPERATURA
23
NON DIPENDE SOLO DALLA TEMPERATURA
24
VALE ANCHE PER I SUINI
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Conservare il calore durante la stagione fredda
Disperdere il calore durante la stagione calda
Sempre e comunque controllare il trasferimento del calore
Condizionamento ambientale
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Apporto termico degli animali in un edificio produttivo
mantenimento+ produzione-> sensibile+ latente
l
s
H2O
Conduzione
Convezione
Irraggiamento
 m+  p
1 g/h di H2O= 0,68 Wh di energia
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Bilancio termico di un edificio produttivo
qr  qa  qsu  qe  qv  T
qr :radiazione solare
qe :attraverso le pareti
qsu :riscaldamento
qa :emesso
dagli animali
qv :ventilazione
28
29
tab. 6.15
30
31
PRODUZIONE DI CALORE METABOLICO E
PRODUZIONE DI LATTE
CON PIU’ DIVENTANO PRODUTTIVE CON PIU’
SONO SOGGETTE A STRESS DA CALDO
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PRODUZIONE DI CALORE METABOLICO E
PRODUZIONE DI LATTE
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La temperatura ambientale e la
temperatura radiante hanno influenza
sulla produzione di calore sensibile
degli animali
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37
38
Come si trasmette il calore sensibile:
Conduzione
Convezione
Irraggiamento
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40
λ
è la conducibilità termica e ci indica il
flusso di calore (Watt) che passa attraverso
uno spessore di materiale di 1 m per ogni °C
di differenza di temperatura tra le due facce
dello stesso.
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materiale
Rame
Acciaio
Vetro
Gesso
Cemento
Mattoni pieni
Mattoni forati
Legno
Calcestruzzo
autoclavato
Lana di vetro
λ [W/m °C]
Massa volumica
[kg/m3]
320
52
1
0,35
1,4
0,63
0,38
0,14
0,12
8900
7800
2400
1200
2000
1800
1400
600
500
0,035
100
42
Conduttanza (C) e
resistenza termica (R)
C = λ /s [W/m2 ·°C],
con s = spessore materiale in [m]
R = 1/ C = s / λ [m2 ·°C/W]
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44
45
46
Esercizio n.1
Quale è il flusso di calore che passa per conduzione
da uno spessore di 20 cm di cemento armato
sapendo che la conducibilità è di 0,93 [W/m · °C].
Quale è la resistenza termica della parete?
C = λ /s = 0,93/0,2 = 4,65[W/m2 ·°C],
R = s / λ = 0,2 / 0,93 = 0,21[m2 ·°C /W]
47
Conduzione di calore
Flusso di calore che attraversa una generica
superficie S quando si ha una temperatura interna
pari a t1 e una temperatura esterna pari a t2
Q = C · S · (t2 – t1) [W],
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Esercizio n.2
Quale è il flusso di calore che attraversa una superficie
di 400 m2 del materiale di cui all’esercizio 1 quando la
temperatura interna è di 18 °C e quella esterna di – 2
°C. Quale la quantità di calore Qdie dispersa in una
giornata?
Q = 4,65 · 400 · 20 = 37200[W],
Qdie = 37200 ·24 /1000 = 892,8 [kWh]
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PRESENZA CONTEMPORANEA
DI DIVERSE MODALITÀ DI
SCAMBIO TERMICO
Al momento in cui siamo in
presenza di diverse modalità di
scambio termico
(convezione + irraggiamento +
conduzione) si introduce il concetto
di coefficiente di
trasmittanza U (o coefficiente
globale di scambio).
62
Resistenza complessiva di una parete
R = 1/αi + s / λ + 1/ αe [m2 ·°C /W]
• 1/αi resistenza liminare interna parete
• 1/ αe resistenza liminare esterna parete
1/αi + 1/ αe = 1/20 + 1/15 = 0,15 [m2 ·°C /W]
R = 0,15 + (s / λ) [m2 ·°C /W]
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Trasmittanza di una parete
U = 1/R [W /m2 ·°C]
Fondamentalmente si usa solo
questo valore!!!!!
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Esercizio n.3
Quale è la resistenza termica di una parete di 20 cm
di cemento armato sapendo che λ = 0,93 [W/m · °C]?
Quale è la sua trasmittanza?
R = 0,15 + s / λ = 0,15 + 0,2 / 0,93 =
= 0,36 [m2 ·°C /W]
U = 1/R = 2,70 [W/m2 ·°C]
65
Pareti multistrato
R = 0,15 + (s1 / λ1 + s2 / λ2 +….+ sn / λn)
[m2 ·°C /W]
U = 1/R
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Intercapedini d’aria da 3 a 20 cm
R = 0,18 [m2 ·°C /W]
67
Esercizio 4
si calcoli la trasmittanza di una
parete composta da:
Spessore [m]
λ
Mattoni pieni
0,12
0,5
Mattoni forati
0,08
0,35
Intonaci interni
ed esterni
0,02
0,8
Intercapedine
0,05
---
strato
68
Calcolo R
R = 0,16 + 0,18 + (0,12/0,5 +0,08/0,35 +
0,02/0,8) = 0,86 [m2 ·°C /W]
Calcolo K
U = 1/ 0,86 = 1,16 [W /m2 ·°C]
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Esercizio 4
Quale sarà la trasmittanza U della
parete precedente inserendo
nell’intercapedine un pannello
isolante con spesso 3 cm e λ = 0,02
W /m2 ·°C
R = 0,86 + 0,03/0,02 = 2,36 [m2 ·°C /W]
U = 1/ 2,36 = 0,42 [W /m2 ·°C]
70
Esercizio 5
Quale sarà quantità di calore
giornalmente disperso dalla parete
precedente ipotizzando una Ti = 18
°C una Te = -2 °C e una superficie
complessiva di 200 m2
Q = K · S · (ti – te) = 1680 [W]
Qdie = K · S · 24 · (ti – te)/1000 = 40,32 [kWh]
71
Calore disperso dal pavimento
72
La trasmissione del calore attraverso il pavimento
avviene prevalentemente sul perimetro esposto.
Per calcolare il valore di U del pavimento si può usare
una relazione empirica, valida per pavimenti con
superficie maggiore di 25 m2:
Up = 0.05 + 1.65 * (S/P)-1- 0.6 * (S/P)-2
Dove: S è la superficie del pavimento;
P è la somma della lunghezza dei lati esposti.
Se è presente uno strato isolante:
Ut 
1
1
si

U p i
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Valore di U per pavimenti solidi in contatto con il terreno e con quattro lati esposti
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Esercizio 6
Quale è la trasmittanza di un pavimento con 100 m
di lunghezza e 16 m di larghezza.
S = 100 ·16 = 1600 [m]
P = (100+ 16) · 2 = 232 [m]
S/P = 1600/16 = 6,9 [-]
Up = 0,05 + 1,65 · (6,9)-1 - 0.6 · (6,9)-2
= 0,28 [W /m2 ·°C]
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Esercizio 7
Parete
R = 0,15+ 0,3/0,93 + 0,04/0,87 + 0,03/0,7 = 0,56
U= 1/R = 1/0,56 = 1,78
77
Esercizio 7
k S

S
i
km
i
i
i
i
78
Ricerca della temperatura di
equilibrio
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BARRIERA al VAPORE
Un’altro fattore in grado di influenzare le proprietà coibenti degli isolanti
è rappresentato dall'umidità poiché il vapore acqueo, che tende a
trasmigrare spontaneamente dall’interno all’esterno del ricovero per
effetto della differenza di pressione e della porosità dei materiali,
incontrando temperature via via più basse all’interno della massa, può
giungere al punto di saturazione e condensare. Ciò accade più facilmente
negli strati isolanti, dove il salto termico è elevato, determinandone un
forte aumento di conducibilità poiché, qualora nei pori venga a
condensarsi del vapore, la resistenza termica del materiale precipita a
valori bassissimi. Per prevenire questo tipo di danno è necessario
proteggere il materiale coibente con una “barriera al vapore”, cioè uno
strato impermeabile al vapore (materiali plastici o bituminosi, anche
semplici fogli di polietilene) che, posto sulla faccia dello strato coibente
rivolta verso l’interno dell’edificio, sia in grado di assicurare il
mantenimento, nel tempo, delle caratteristiche di isolamento dei materiali.
Tale intervento è indispensabile, ad esempio, nella copertura, in prossimità
della quale si ha normalmente la stratificazione dell’aria più calda, e
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quindi anche più umida.
BARRIERA al VAPORE
81
BARRIERA al VAPORE
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capacità termica o inerzia termica
• strettamente correlato con l'isolamento, è il
potere che ha la parete di immagazzinare
calore, ad una certa temperatura, e di
cederlo a temperatura più bassa.
• Tale caratteristica dipende soprattutto dal
“peso” della costruzione; in presenza di
pareti e di coperture pesanti è più facile
mantenere condizioni ambientali costanti,
anche con situazioni esterne notevolmente
variabili, sia nei periodi invernali che estivi.
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CONTRIBUTO DELLE PARETI PESANTI
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Oltre alla temperatura dell'aria ambiente ha
influenza pure il grado della temperatura
raggiante (=media delle temperature delle
superfici interne dell'edificio).
Quando la temperatura raggiante media è
pressoché eguale a quella dell'aria, circa il
40-50% del calore sia ceduto sotto forma di
radiazioni elettromagnetiche; è quindi molto
importante che i valori di queste due
temperature siano il più vicini possibile; ciò
si ottiene realizzando ricoveri “pesanti” e
ben coibentati.
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sfasamento
attenuazione
86
• Fig. 6.13
87
Ponti termici
88
89
Si considera non solo l’area del ponte termico ma
si estende la sua influenza al doppio della sua
distanza dalla parete:
L=La + 2 D
La
D
90