IMPIANTI DI CONDIZIONAMENTO

CRITERI DI CALCOLO (rev.1)

Ing. Attilio Pianese

IL CALCOLO DEI CARICHI FRIGORIFERIMETODO ASHRAE – CARRIER

IL CALCOLO DELLE PORTATE DI ARIA DI VENTILAZIONE (PER IMPIANTI AD ARIA).

In particolare:

CLASSIFICAZIONE DEGLI IMPIANTI DI CONDIZIONAMENTO

• IMPIANTI A TUTT’ARIA

• IMPIANTI AD ARIA ED ACQUA

• IMPIANTI A SOLA ACQUA

• IMPIANTI A FLUIDO FRIGORIGENO

In base al fluido termovettore che distribuisce il freddo negli ambienti:

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 èopportuno 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

NOTA: ORA SOLARE

Ora del giorno Escursine

termica Temperatura

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 7,5°C

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 10°C

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 12,5°C

bulbo umido −2,0 −1,5 −0,5 0 0 0 −0,5 −1,0 −2,0 −2,5

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 aggettiFc = fattore per tendaggi o schermi esterniFw = fattore di incidenza della radiazione (≈ 0,9 ÷ 0,95)g0 = fattore di trasparenza del vetroA = 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 ÷ 0,80In 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

Latitudine N NE E SE S SO O NO Orizzont40° 40 344 444 339 187 339 444 344 631 45° 39 330 443 363 237 363 443 330 601

Radianza attraverso infissi con vetro singolo in Kcal/h m2

CLF for Window Glass with Indoor Shading Devices

(North Latitude and All Room Construction)

Solar time,

hour

5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22

Orientation:

North

North-east

East

South-east

South

South-west

West

North-west

Horizontal

0.07

0.02

0.02

0.02

0.03

0.03

0.03

0.03

0.03

0.73

0.56

0.47

0.30

0.09

0.07

0.06

0.07

0.12

0.66

0.76

0.72

0.57

0.16

0.11

0.09

0.11

0.27

0.65

0.74

0.80

0.74

0.23

0.14

0.11

0.14

0.44

0.73

0.58

0.76

0.81

0.38

0.16

0.13

0.17

0.59

0.80

0.37

0.62

0.79

0.58

0.19

0.15

0.19

0.72

0.86

0.29

0.41

0.68

0.75

0.22

0.16

0.20

0.81

0.89

0.27

0.27

0.49

0.83

0.38

0.17

0.21

0.85

0.89

0.26

0.24

0.33

0.80

0.59

0.31

0.22

0.85

0.86

0.24

0.22

0.28

0.68

0.75

0.53

0.30

0.81

0.82

0.22

0.20

0.25

0.50

0.81

0.72

0.52

0.71

0.75

0.20

0.17

0.22

0.35

0.81

0.82

0.73

0.58

0.78

0.16

0.14

0.18

0.27

0.69

0.81

0.82

0.42

0.91

0.12

0.11

0.13

0.19

0.45

0.61

0.69

0.25

0.24

0.06

0.06

0.08

0.11

0.16

0.16

0.16

0.14

0.18

0.05

0.05

0.07

0.09

0.12

0.12

0.12

0.12

0.15

0.04

0.05

0.06

0.08

0.10

0.10

0.10

0.10

0.13

0.04

0.04

0.05

0.07

0.09

0.08

0.08

0.08

METODO DEL CLF (cooling load factor)

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 °CS = 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.

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).

PRINCIPALI PARAMETRI DELLE PARETI OPACHE

IRRAGGIAMENTOI = radianza (KW/m2)as = coefficiente di assorbimento per la radiaz. solareθs = temperatura al sole h1 = coefficiente di adduzione esternoas / h1 = rapporto caratteristico dell’irraggiamento solarea = 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.

Materiale Coeff. as

radiazione solare

Coefficiente aemissività

a 20 ÷ 40 °C

Rapporto as/h1

Intonaci imbiancati al latte di

calce 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

PARAMETRI DELLE PARETI ESPOSTE AL SOLE

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.

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 esternaθs = 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.

METODO APPROSSIMATO

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 FlaccovioCarlo Pizzetti – Condizionamento dell’aria e refrigerazione – HoepliASHRAE Handbook – Foundamentals.

Libri/Manuali scaricabili da internetGiuliano 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

GG1

GR

θA, yAθe, ye

θi, yi

θB, yB

IPOTESI - TESI

IpotesiCalore sensibile da asportare Q1 Kcal/hCalore latente da asportare Q2 Kcal/hCondizioni termoigrometriche interne ed esterne, ossia:- Temperatura θA °C- Umidità specifica yA g H2O/Kg aria

TesiPortata di aria condizionata G m3/hTemperatura aria in uscita dall’UTA θ °CUmidità specifica aria in uscita dall’UTA y 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:

21,16,029,0

1

2

⋅⋅=

−−

QQyy

A

A

θθ

che sul diagramma ASHRAE è l’equazione di una retta passante per A e di coeff. angolare ∝ Q2/Q1

RAPPRESENTAZIONE 1

A

B

C

S

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 = Q1 + Q2 + Q3