BILANCI DI MASSA E DI ENERGIA DELL’AMBIENTE INTERNO
GENERALITÀ• Climatizzazione degli ambienti• ll bilancio di massa del vapore acqueo• Il bilancio di energia
CASISTICA RELATIVA A DIVERSI IMPIANTI DI CLIMATIZZAZIONE • Impianto assente• Riscaldamento invernale• Raffrescamento estivo• Termoventilazione invernale• Condizionamento invernale (impianto a tutt’aria)• Condizionamento estivo (impianto a tutt’aria)• Condizionamento invernale (sistema ibrido)• Condizionamento estivo (sistema ibrido)
BILANCI DI MASSA E DI ENERGIA DELL’AMBIENTE INTERNO
CLIMATIZZAZIONE DEGLI AMBIENTI
L’esigenza del comfort ambientale richiede il controllo delle condizioni termoigrometriche (t ,) e della portata d’aria di ventilazione ( ).
Gli impianti ad acqua permettono il controllo della temperatura attraverso l’immissione (o l’estrazione) di una potenza termica (H), il controllo dei ricambi d’aria
am
H
H,vm
ti, iam
U.T.A.
am
ti, i
t*
x*
Gli impianti ad ariasoddisfano tutti i requisiti ambientali attraverso l’immissione di aria esterna sottoposta a opportune trasformazioni (UTA).
attraverso l’apertura delle finestre (ventilazione naturale), l’eventuale umidificazione mediante l’immissione di vapore in ambiente ( ).H,vm
BILANCI DI MASSA E DI ENERGIA DELL’AMBIENTE INTERNO
BILANCIO DI MASSA DI ARIA
s
kg 0aexa
ina d
dmmm
skg ex
aina mm
InfiltrazioneIngresso incontrollato di aria esterna attraverso l’involucro edilizio dovuto all’esistenza dipassaggi (fessure, battute,…). Questo fenomeno si verifica per effetto di:- differenza di pressione dell’aria tra ambiente interno ed ambiente esterno, causata dalle
forze di galleggiamento indotte da differenze di temperatura tra esterno ed interno- ventoSi parla di exfiltrazione allorquando l’aria fluisce dall’interno verso l’esterno.
VentilazioneIngresso di aria esterna (verosimilmente più pulita di quella interna) al fine di garantire ilcontrollo della qualità dell’aria interna (IAQ). La ventilazione è definita- naturale quando avviene attraverso aperture (finestre, griglie) per effetto di forze naturali
(galleggiamento, vento);- meccanica quando avviene per effetto di macchine (ventilatori) e con consumo di
energia.
BILANCI DI MASSA E DI ENERGIA DELL’AMBIENTE INTERNO
BILANCIO DI MASSA DI VAPORE
H,vmI,vm
aia xm aea xm
x i
= portata in massa di vapore acqueo o di acqua nebulizzataprodotta dalle sorgenti interne [kg/s]
I,vm
= portata in massa di vapore acqueo o di acqua nebulizzataprodotta dall’impianto termico [kg/s]
H,vm
am = portata in massa di aria secca introdotta in ambiente perinfiltrazioni o ventilazione naturale [kg/s]
= titolo dell’aria esterna [kgv/kga]
= titolo dell’aria interna [kgv/kga]
aex
aix
ei
xe
xi
v,iin in va a i v,I v,H a,i
kg0s
ex idm xm x m x m m md
va e i v,I v,H
kg0 s
m x x m m
v
a su i v,I v,Hkg0
sm x x m m
•il carico di ventilazione contiene:
• una quota sensibile (quando la temperatura dell’aria immessa è diversa da quella dell’aria ambiente)
• una quota latente (quando il titolo dell’aria immessa è diverso da quello dell’aria ambiente).
Occorre distinguere tra carichi termici sensibili e latenti.
In particolare:
• gli apporti interni contengono una quota sensibile ed una latente
CARICHI SENSIBILI E LATENTI
BILANCI DI MASSA E DI ENERGIA DELL’AMBIENTE INTERNO
I v,II,v hm I,s I,l I,s
aia hm
aea hm ti, x i
HS I,s
T
e
i
v,II,v hm v,HH,v hm
PRODUZIONE TERMICA DEL CORPO UMANO
BILANCI DI MASSA E DI ENERGIA DELL’AMBIENTE INTERNO
Emissione Temperatura ambiente (°C)Attività termica 15 20 22 24 26
(W)sens.(W)
lat.(W)
sens.(W)
lat.(W)
sens.(W)
lat.(W)
sens.(W)
lat.(W)
sens.(W)
lat.(W)
Seduto 115 100 15 90 25 80 35 75 40 65 50Lavoro in ufficio 140 110 30 100 40 90 50 80 60 70 70In cammino 160 120 40 110 50 100 60 85 75 75 85Lavoro leggero 235 150 85 130 105 115 120 100 135 90 155Lavoro medio 265 160 105 140 125 125 140 105 160 90 175Lavoro pesante 440 220 220 190 250 165 275 135 305 105 335
2534Q m L
v
g/h 57 360010102534
40 m 33v
per determinare la portata di vapore acqueo prodotto alle diverse temperature e in diverse condizioni di metabolismo si può scrivere:
dove 2534 kJ/kg è il valore assunto per l’entalpia del vapore a temperatura ambiente
20 °C, in condizioni di lavoro di ufficio
hg
hs
kgg
J/kgW
[ ]
mv
BILANCIO TERMICO SENSIBILE
BILANCI DI MASSA E DI ENERGIA DELL’AMBIENTE INTERNO
Si distingue tra:
• metodi che risolvono l’equazione di bilancio termico convettivodell’aria in ambiente e le equazioni di bilancio termicoconduttivo, convettivo e radiante di tutte le superfici a contattocon l’aria interna (air heat balance);
• metodi che assumono il carico termico globale come sommadei carichi termici prodotti separatamente dalle diversesollecitazioni subite dall’ambiente: temperatura esterna,radiazione solare, sorgenti interne, ventilazione (metodisemplificati).
BILANCIO DI ENERGIA
BILANCI DI MASSA E DI ENERGIA DELL’AMBIENTE INTERNO
h
h
CARICO TERMICO SENSIBILE(ESCLUSA LA VENTILAZIONE) HI,sST
CARICO TERMICO LATENTE(ESCLUSA LA VENTILAZIONE) hmhm v,HH,vv,II,v
CARICO DI VENTILAZIONE hmhm iaea
h
= entalpia specifica del vapore acqueo o di acqua nebulizzata prodottadalle sorgenti interne [kJ/kg]
= entalpia specifica del vapore acqueo o di acqua nebulizzata prodottadall’impianto termico [kJ/kg]
= entalpia specifica ‘aria esterna [kJ/kg]
= entalpia dell’aria interna [kJ/kg]
hv,I
v,H
e
i
aia hm
aea hm ti, x i
HS I,s
T
e
i
v,II,v hm v,HH,v hm
BILANCIO DI ENERGIA SENSIBILE
BILANCI DI MASSA E DI ENERGIA DELL’AMBIENTE INTERNO
Op
WIs
H
S
PT
a a e i T S I,s H 0 kW m c t t
a a su i T S I,s H 0 kW m c t t
Nel caso di ventilazione con aria esterna:
Nel caso di ventilazione con aria trattata:
s a a e i T S I,s kW m c t t
Carico termico sensibile:
T = flusso termico per trasmissione attraverso le superfici di confine [W]
S = flusso termico per trasmissione diretta della radiazione solare attraverso i componenti trasparenti [W]
I,s = flusso termico sensibile dovuto alle sorgenti interne [W]H = flusso termico sensibile prodotto dall’impianto termico [W]
Op = flusso termico trasmesso attraverso i componenti opachi [W]W = flusso termico trasmesso attraverso i componenti trasparenti
[W]PT= flusso termico trasmesso attraverso i ponti termici [W]
COMPONENTI DELLE DISPERSIONI TERMICHE
BILANCI DI MASSA E DI ENERGIA DELL’AMBIENTE INTERNO
PTWOpT
Op
WIs
H
S
PT
Bilancio di massa
Bilancio di energia
BILANCI DI MASSA E DI ENERGIA DELL’AMBIENTE INTERNO
CONDIZIONI INVERNALI
• te < ti, he < hi
• T, Op, W, PT <0
• H > 0,
CONDIZIONI ESTIVE
• te > ti, he > hi
• T, Op, W, PT >0
• H < 0,
0H,vm
0H,vm
0
0
v,HH,vv,II,v
Hs,ISPTWOpisua
H,vI,visua
hmhmhhm
mmxxm
0
0
v,HH,vv,II,v
Hs,ISPTWOpiea
H,vI,viea
hmhmhhm
mmxxm
BILANCI DI MASSA E DI ENERGIA DELL’AMBIENTE INTERNOAMBIENTE NON CLIMATIZZATO
= 0 H = 0
te
ti
T
si trascurano i termini impiantistici
SI,s
mv,H
va i e v,I
kg s
m x x m
a a i e T S I,s kW m c t t
BILANCI DI MASSA E DI ENERGIA DELL’AMBIENTE INTERNORISCALDAMENTO INVERNALE
ca = calore specifico della massa di aria secca introdotta in ambiente [J/kgK]
apporti solaricarico termico invernale dispersioni termiche per
ventilazione Vdispersioni termiche per
trasmissione
apporti internisensibili
T < 0 H > 0 (ambiente riscaldato)
te
ti
H
T
si trascura il carico termico latente
iett
0tt Hs,ISTieaa cm
Ss,IeiaaTH cm tt
SI,s
H T V S I,s kW
si trascura il carico termico latente
BILANCI DI MASSA E DI ENERGIA DELL’AMBIENTE INTERNO
RAFFRESCAMENTO ESTIVO
S > 0 , I,s > 0 (presenza di carichi termici interni e solari)
T > 0 H < 0 (ambiente raffrescato)
T
T I,s
H
S
carico termico estivo apporti per
ventilazioneapporti per trasmissione termica
apporti internisensibili
apporti solari
ie tt
0tt HSs,ITieaa ΦΦΦΦcm
Ss,IieaaTH cm tt
T< 0 H = 0
am è introdotta ad una temperatura tsu> ti per bilanciare le dispersioni termiche dell’ambiente
BILANCI DI MASSA E DI ENERGIA DELL’AMBIENTE INTERNO
TERMOVENTILAZIONE INVERNALE
ti
te
tsuU.T.A.
U.T.A. = Unità di Trattamento Aria
si trascura il carico termico latente
ie tt
0tt Ss,ITisuaa cm
Ss,ITisuaa cm tt
BILANCI DI MASSA E DI ENERGIA DELL’AMBIENTE INTERNO CONDIZIONAMENTO INVERNALE
(impianto a tutt’aria)
si considera il carico termico latente
T< 0 H = 0
am è introdotta ad una temperatura tsu > ti e ad una umidità specifica xsu < xi per bilanciare le dispersioni termiche e la produzione di vapore acqueo in ambiente
texehe
U.T.A.tsuxsu hsu
tixihi
iett
00
I,visua
V,II,vs,ISTisua
m)xx(mhm)hh(m
I,v
V,II,vs,IST
isu
isu
mhm
xxhh
xh
v,Ii su
a
mx x x
m
v,I v,I T S I,si su
a
m hh h h
m
T> 0 H = 0
si considera il carico termico latente
am è introdotta ad una temperatura tsu< ti e ad una umidità specifica xsu < xi per bilanciare le dispersioni termiche e la produzione di vapore acqueo dell’ambiente
BILANCI DI MASSA E DI ENERGIA DELL’AMBIENTE INTERNO
CONDIZIONAMENTO ESTIVO (impianto a tutt’aria)
texehe
U.T.A.tsuxsu hsu
tixihi
00
I,vi*a
v,II,vs,ISTisua
m)xx(mhm)hh(m
I,v
v,II,vs,IST
i*
isu
mhm
xxhh
xh
ie tt
0
t i
t su
I
x Ix su
100%
su
su
si considera il carico termico latente
T < 0 H > 0
La potenza termica del corpo scaldante bilancia le dispersioni termiche a meno del carico termico latente e degli apporti gratuiti
produzione di vapore acqueo dell’umidificatore per bilanciare la carenza di vapore acqueo in ambiente
BILANCI DI MASSA E DI ENERGIA DELL’AMBIENTE INTERNO
CONDIZIONAMENTO INVERNALE (sistema ibrido:corpo scaldante ad acqua ed umidificatore locale)
te, x e
ti , x i
H
H,vm
I,vm
ie tt
00
H,vI,viea
v,HH,vv,II,vHs,ISTiea
mm)xx(mhmh m)hh(m
I,veiaH,v
v,HH,vv,II,vs,ITeiaHH
m)xx(mmhmhm)hh(m
S > 0 I > 0
si considera il carico termico latente
T > 0 H < 0
il corpo raffrescante bilancia il carico termico totale (anche nel caso di h*e = hi)
l’”aria primaria” bilancia la produzione di vapore acqueo in ambiente
BILANCI DI MASSA E DI ENERGIA DELL’AMBIENTE INTERNO
CONDIZIONAMENTO ESTIVO (sistema ibrido:corpo raffrescante [ventilconvettore] e “aria primaria”)
texe he
U.T.A.tsuxsu hsu
tixi hi
ventilconvettore
ie tt
00
H,vI,visua
v,HH,vv,II,vHs,ISTisua
mm)xx(mhmhm)hh(m
I,vsuia
v,II,vs,ISTi*aHH
m)xx(mhm)hh(m
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