IMPIANTI DI
CONDIZIONAMENTO
CRITERI DI CALCOLO (rev.1)
Ing. Attilio Pianese
In particolare:
IL CALCOLO DEI CARICHI FRIGORIFERI
METODO ASHRAE – CARRIER
IL CALCOLO DELLE PORTATE DI ARIA DI
VENTILAZIONE (PER IMPIANTI AD ARIA).
CLASSIFICAZIONE DEGLI IMPIANTI DI
CONDIZIONAMENTO
In base al fluido termovettore che distribuisce il freddo negli
ambienti:
• IMPIANTI A TUTT’ARIA
• IMPIANTI AD ARIA ED ACQUA
• IMPIANTI A SOLA ACQUA
• IMPIANTI A FLUIDO FRIGORIGENO
Gli impianti di condizionamento sono detti HVAC se assolvono alle funzioni:
H Heating (riscaldamento)
V Ventilation (ventilazione, filtrazione e trattamento dell’aria )
AC Air Conditioning (condizionamento, controllo temperatura e umidità)
PARAMETRI DI PROGETTO
I parametri di progetto generalmente assunti sono:
• Case di abitazione:
Ti = 25 ÷ 26 °C
U.R. = 50 %
• Banche, negozi:
Ti = 26 ÷ 27 °C
U.R. = 50 %
• Teatri, cinema, locali affollati: Ti = 27
U.R. = 60 %
Nel caso sia prevista breve permanenza delle persone è
opportuno che sia
Te − Ti = 4 ÷ 5 °C
CALCOLO DELLA POTENZIALITA’
FRIGORIFERA
Somma degli apporti di calore sensibile e calore latente nell’ambiente.
APPORTI DI CALORE SENSIBILE:
• Calore solare trasmesso attraverso i vetri
• Calore trasmesso per convezione attraverso i vetri
• Calore trasmesso attraverso le pareti opache
• Calore sensibile prodotto dalle persone
• Calore sensibile prodotto da sorgenti di calore, luci, dissipazioni di potenza
• Calore sensibile dovuto alle infiltrazioni di aria e alla ventilazione.
APPORTI DI CALORE LATENTE
• Calore latente delle persone
• Calore latente dovuto alle infiltrazioni di aria e alla ventilazione.
Il bilancio termico viene fatto in termini di potenze termiche
(KW) a diverse ore del giorno, si deve in estate tener conto:
- delle variazioni della T ambiente nelle 24 ore,
- degli apporti dovuti all’irraggiamento solare sulle pareti
opache e trasparenti
NOTA: IL GRAFICO E’ TRATTO DAL MANUALE AERMEC
ANDAMENTO DELLA TEMPERATURA
GIORNALIERA
Escursine
termica
7,5°C
10°C
12,5°C
Temperatura
Ora del giorno
esterna
7
9
11
13
14
15
17
19
21
23
bulbo secco
−6,5
−5,0
−3,0
−0,5
0
−0,5
−1,0
−3,5
−5,0
−7,0
bulbo umido
−1,5
−1,0
−0,5
0
0
0
−0,5
−0,5
−1,5
−2,0
bulbo secco
−7,5
−5,5
−3,0
−0,5
0
−0,5
−1,5
−3,5
−6,0
−8,5
bulbo umido
−2,0
−1,5
−0,5
0
0
0
−0,5
−1,0
−1,5
−2,0
bulbo secco
−8,5
−5,5
−3,0
−0,5
0
−0,5
−1,5
−4,0
−6,5
−9,0
bulbo umido
−2,0
−1,5
−0,5
0
0
0
−0,5
−1,0
−2,0
−2,5
NOTA: ORA SOLARE
INTENSITA’ DELLA RADIAZIONE SOLARE PER VARIE
ESPOSIZIONI SUD ITALIA - LUGLIO
CALORE ENTRANTE ATTRAVERSO I VETRI
Q = potenza termica entrante attraverso il vetro.
Q = K⋅FS·Fc⋅Fw⋅g0⋅A⋅I
Kcal/h
con FS = fattore per aggetti
Fc = fattore per tendaggi o schermi esterni
Fw = fattore di incidenza della radiazione (≈ 0,9 ÷ 0,95)
g0 = fattore di trasparenza del vetro
A = area della superficie (m2)
I = radianza solare sulla superficie vetrata Kcal/h m2
K tiene conto dei fenomeni di assorbimento e successiva
riemissione del calore da parte delle superfici riceventi.
K ≈ 0,75 ÷ 0,80
In via approssimata si può trascurare il tempo di ritardo.
METODO DEL CLF
CLF sta per Cooling load factor e assume come riferiemnto la
potenza termica entrante attraverso un infisso in legno con
vetro singolo.
La potenza termica entrante attraverso l’infisso si calcola:
Q = CLF⋅Fc⋅A⋅I0
Kcal/h
I0 = potenza termica entrante attraverso un infisso in legno con
vetro singolo.
CLF = fattore di smorzamento alle diverse ore del giorno da
ricavare dalle tabelle.
Fc = fattore per tendaggi o schermi esterni
VALORI DELLA RADIAZIONE SOLARE
MASSIMA ATTRAVERSO IL VETRO LUGLIO
Radianza attraverso infissi con vetro singolo in Kcal/h m2
Latitudine N
40°
40
45°
39
NE
344
330
E
444
443
SE
339
363
S
187
237
SO
339
363
O
444
443
NO Orizzont
344
631
330
601
METODO DEL CLF (cooling load factor)
CLF for Window Glass with Indoor Shading Devices
(North Latitude and All Room Construction)
Solar time,
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
hour
Orientation:
North
0.07 0.73 0.66 0.65 0.73 0.80 0.86 0.89 0.89 0.86 0.82 0.75 0.78 0.91 0.24 0.18 0.15 0.13
North-east
0.02 0.56 0.76 0.74 0.58 0.37 0.29 0.27 0.26 0.24 0.22 0.20 0.16 0.12 0.06 0.05 0.04 0.04
East
0.02 0.47 0.72 0.80 0.76 0.62 0.41 0.27 0.24 0.22 0.20 0.17 0.14 0.11 0.06 0.05 0.05 0.04
South-east
0.02 0.30 0.57 0.74 0.81 0.79 0.68 0.49 0.33 0.28 0.25 0.22 0.18 0.13 0.08 0.07 0.06 0.05
South
0.03 0.09 0.16 0.23 0.38 0.58 0.75 0.83 0.80 0.68 0.50 0.35 0.27 0.19 0.11 0.09 0.08 0.07
South-west 0.03 0.07 0.11 0.14 0.16 0.19 0.22 0.38 0.59 0.75 0.81 0.81 0.69 0.45 0.16 0.12 0.10 0.09
West
0.03 0.06 0.09 0.11 0.13 0.15 0.16 0.17 0.31 0.53 0.72 0.82 0.81 0.61 0.16 0.12 0.10 0.08
North-west 0.03 0.07 0.11 0.14 0.17 0.19 0.20 0.21 0.22 0.30 0.52 0.73 0.82 0.69 0.16 0.12 0.10 0.08
Horizontal
0.03 0.12 0.27 0.44 0.59 0.72 0.81 0.85 0.85 0.81 0.71 0.58 0.42 0.25 0.14 0.12 0.10 0.08
CALORE TRASMESSO ATTRAVERSO LE
PARETI OPACHE
Q = potenza termica entrante attraverso una parete opaca:
Q = U ⋅ S · CLTD
Kcal/h
con U = trasmittanza della parete Kcal/h m2 °C
S = superficie della parete m2
CLTD = cooling load temperature difference °C
CLTD sono valori convenzionali e corrispondono al ∆Teq relativo a
vari fenomeni:
- Irraggiamento solare della parete,
- trasmissione per conduzione attraverso la parete,
- trasmissione per semplice convezione con l’aria esterna,
- regime periodico giornaliero.
TABELLE DELL’ AERMEC.
PRINCIPALI PARAMETRI DELLE PARETI
OPACHE
CONDUZIONE
- smorzamento ε
- tempo di ritardo τ
o angolo di ritardo ϕ con ϕ = (2π/24) · τ,
dipendenti a loro volta da:
• ρ = densità,
• c = calore specifico,
• s = spessore,
• λ = conducibilità termica,
• D= λ/cρ diffusività (m2/h).
IRRAGGIAMENTO
I = radianza (KW/m2)
as = coefficiente di assorbimento per la radiaz. solare
θs = temperatura al sole
h1 = coefficiente di adduzione esterno
as / h1 = rapporto caratteristico dell’irraggiamento solare
a = emissività (a temperatura ambiente)
La temperatura al sole θs è per definizione data:
θs = θ1 + as I/ h1
con θ1 = temperatura dell’aria esterna.
La temperatura al sole è la temperatura fittizia che si deve
attribuire all’aria esterna per poter ricondurre l’effetto congiunto
dell’irraggiamento solare e della convezione adduzione ad un
unico fenomeno di convezione adduzione.
PARAMETRI DELLE PARETI ESPOSTE AL SOLE
Materiale
Coeff. as
Coefficiente a
Rapporto
radiazione
emissività
as/h1
solare
a 20 ÷ 40 °C
0,15 ÷ 0,25
0,85 ÷ 0,95
0,01
Intonaci con pitture chiare
0,2 ÷ 0,5
0,85 ÷ 0,95
0,01 ÷ 0,025
Intonaci con pitture scure
0,5 ÷ 0,65
0,85 ÷ 0,95
0,025 ÷ 0,035
Mattoni rossi
0,5 ÷ 0,7
0,85 ÷ 0,95
0,025 ÷ 0,035
Cemento, pietra da taglio
0,65 ÷ 0,80
0,85 ÷ 0,95
0,035 ÷ 0,04
Lamiera di alluminio anodizzato
0,10 ÷ 0,20
0,40 ÷ 0,60
0,01
Vernici all’alluminio
0,20 ÷ 0,40
0,40 ÷ 0,60
0,015 ÷ 0,025
Lamiera di acciaio zincato nuova
0,5 ÷ 0,65
0,4 ÷ 0,5
0,03 ÷ 0,04
Lamiera di acciaio ossidato
0,65 ÷ 0,8
0,60 ÷ 0,70
0,035 ÷ 0,045
Intonaci imbiancati al latte di
calce
DETERMINAZIONE DELLA DIFFERENZA DI
TEMPERATURA EQUIVALENTE (CLTD)
1. Si determina l’andamento della temperatura θs alle diverse ore
del giorno. Ossia la θs = θs (t).
2. Si esegue lo sviluppo in serie di Fourier della funzione periodica
θs = θs (t), approssimando la funzione con un polinomio del tipo:
θs = θ0 + θ1 sin (ωt+ψ1) + θ2 sin (2ωt+ψ2) + ...
3. Si determinano infine le temperature equivalenti esterne:
θe equiv. = θ0 + (θ1/ε1) sin (ωt +ψ1 −ϕ1) + (θ2/ε2) sin (ωt +ψ2 −ϕ2) +....
con ω = 2π/24, il tempo t è misurato in ore.
METODO APPROSSIMATO
In modo semplificato, trascurando l’analisi armonica, si può per
un risultato orientativo utilizzare la seguente:
Q = U ⋅ S · {(θ1m− θ2) + ε · {θs(t−τ) − θ1m}
con θ1m = temperatura media esterna
θs = temperatura al sole
θ2 = temperatura interna.
ε = 0,6 ÷ 0,7 smorzamento per pareti in muratura,
τ = 4 ÷ 6 ore tempo di ritardo per pareti in muratura mediamente
spesse.
VENTILAZIONE DEGLI AMBIENTI
La quantità di aria pulita da immetter in ambiente:
• locali di civile abitazione:
0,5 ÷ 1,0 ricambi/h medi
• locali soggetti ad affollamento: 10 ÷ 12
m3/h per persona
⇓
calore sensibile
Q1V = 0,29 ⋅ n ⋅ V ⋅ ∆θ
Kcal/h
calore latente
Q2V = 600 ⋅ 1,2 ⋅ n ⋅ V ⋅ ∆y
Kcal/h
600 Kcal/Kg = calore latente di evaporazione,
1,2 Kg/m3 = densità dell’aria a 20 °C,
y = umidità specifica in g H2O/kg aria secca.
CALORE GENERATO DALLE PERSONE
Per persone a riposo, sedute o in piedi si può assumere:
• calore sensibile:
50 Kcal/h persona
• calore latente:
70 Kcal/h persona
Inoltre si assumono dei fattori di contemporaneità.
CARICHI TERMICI INTERNI
In mancanza di dati esatti, si assumono i seguenti valori:
Luci:
10 ÷ 12 W/m2
Computer, fotocopiatrici, macchine ufficio: 20 ÷ 30 W/m2
BIBLIOGRAFIA – PARTE I
Libri.
Attilio Pianese – Impianti tecnici in Edilizia – Dario Flaccovio
Carlo Pizzetti – Condizionamento dell’aria e refrigerazione – Hoepli
ASHRAE Handbook – Foundamentals.
Libri/Manuali scaricabili da internet
Giuliano Cammarata – Impianti Termotecnici vol. 1– Università di
Catania. Sito internet: http://www.gcammarata.net/
AERMEC – I carichi termici estivi.
AERMEC – Climatizzazione. Elementi di climatizzazione
condizionamento dell’aria.
Sito internet: http://www.edilportale.com/Climatizzazione/
II PARTE - GLI IMPIANTI AD ARIA
CALCOLO DELLE PORTATE DI
ARIA DI VENTILAZIONE
DEFINIZIONI
Portata di ventilazione G: si intende la portata di aria che
viene condizionata ed immessa attraverso l’impianto di
ventilazione.
Portata di aria esterna G1: è la portata di aria pulita prelevata
dall’esterno pari al 25 ÷ 30 % della portata di aria condizionata.
Portata di ricircolo GR: è la portata prelevata dall’interno, che
viene miscelata con la portata di aria pulita ed inviata all’UTA
(unità di trattamento aria).
Portata di aria pulita G0: da non confondere con G1.
Alla fine del calcolo dovrà risultare G1 ≤ G0 ed inoltre G0 ≈ G1
SCHEMA UNITA’ DI TRATTAMENTO ARIA
θi, yi
GR
G1
θe, ye
θB, yB
θA, yA
G
IPOTESI - TESI
Ipotesi
Calore sensibile da asportare
Calore latente da asportare
Q1
Q2
Kcal/h
Kcal/h
Condizioni termoigrometriche interne ed esterne, ossia:
- Temperatura
θA
°C
- Umidità specifica
yA
g H2O/Kg aria
Tesi
Portata di aria condizionata
G
Temperatura aria in uscita dall’UTA
θ
Umidità specifica aria in uscita dall’UTA y
m3/h
°C
g H2O/Kg aria
EQUAZIONI – CONDIZIONI NECESSARIE
Si utilizzano le seguenti equazioni approssimate:
Q1 = 0,29 ⋅ G ⋅ (θA − θ)
Kcal/h
(1)
Q2 = 0,6 ⋅ 1,21 ⋅ G ⋅ (yA − y)
Kcal/h
(2)
Le precedenti equazioni hanno 3 incognite, ammettono quindi
molteplici soluzioni. Dividendo membro a membro si ottiene:
y A − y Q2 0,29
=
⋅
θ A − θ Q1 0,6 ⋅1,21
che sul diagramma ASHRAE è l’equazione di una retta
passante per A e di coeff. angolare ∝ Q2/Q1
RAPPRESENTAZIONE 1
C
S
A
B
RAPPRESENTAZIONE 2
A
B
POTENZA DI POST RISCALDAMENTO
La potenza di post riscaldamento Q3 si calcola con l’espressione:
Q3 = 1,21 · G · (iB − iS) ≅ 1,21 · G · [0,24 (θB − θS)]
Kcal/h
con 1,21 = densità dell’aria secca a 15 °C (Kg/m3)
G = portata di aria (m3/h)
(iB − iS) = differenza di entalpia punti “B ed S” (Kcal/kg aria)
(θB − θS) = differenza delle temperature punti “B ed S” (°C)
La portata G a rigore è riferita all’aria secca. In modo più esatto si può correggere:
G’ = G (1 + y · 29/18)
POTENZIALITA’ FRIGORIFERA TOTALE DI PROGETTO:
Q = Q 1 + Q2 + Q3