Carico termico estivo: progettare impianti di raffrescamento

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Nel periodo estivo la quantità di calore da smaltire dipende da una serie di fattori alcuni dei quali, come l’incidenza della radiazione solare, variano nell’arco della giornata.

Mentre per il calcolo invernale si fa riferimento a condizioni stazionarie, assumendo che la temperatura dell’aria esterna rimanga costante nel corso della giornata e pari al valore di progetto, nella valutazione dei carichi termici estivi tale ipotesi viene a mancare e, pertanto, il calcolo va effettuato in regime variabile.Infatti in estate si parla di carico termico rotante,estremamente variabili nell’arco della giornata e strettamente influenzato dalle caratteristiche inerziali delle strutture, responsabili di fenomeni di attenuazione e sfasamento temperale del carico termico effettivo rispetto all’apporto di calore istantaneo.

Come riconoscere un impianto di climatizzazione estiva ben dimensionato

Un impianto di climatizzazione estiva ben dimensionato deve essere in grado di sottrarre all’ambiente due tipologie di calore: calore sensibile e calore latente.

Calore sensibile

Il calore sensibile è la somma degli apporti di calore che hanno come unico effetto l’aumento della temperatura e, solitamente, prevale su quello latente.

Essa deriva dall’esterno per effetto della radiazione solare, della differenza di temperatura tra l’ambiente esterno e quello interno (trasmissione per conduzione attraverso le strutture) ed anche per effetto dei cosiddetti carichi interni, quali ad esempio le persone ed eventuali sorgenti di calore (illuminazione, macchine, motori, ecc.) nonché dall’infiltrazione di aria esterna e ventilazione;

Calore latente

Il calore latente è la somma degli apporti di calore che concorrono ad aumentare il contenuto di vapore presente nell’aria, quindi dell’umidità, senza per questo aumentare la temperatura.

Esso proviene dall’apporto di vapore delle persone (attraverso la respirazione e la traspirazione) e da altre fonti che producono vapore (cottura dei cibi, asciugamento della biancheria, ecc.) nonché dall’infiltrazione di aria esterna (avente in genere un’umidità specifica superiore a quella dell’aria ambiente).

La stima del carico termico

Vista la molteplicità dei fattori da considerare, una stima precisa del carico termico ambiente prevede un’attenta valutazione dei differenti contributi alle varie ore del giorno.

La scelta della potenzialità dell’impianto sarà quindi determinata dal valore del carico massimo concomitante ad una data ora.Occorre tuttavia precisare che, nella gran parte dei casi, la richiesta di freddo è sempre inferiore alla potenza frigorifera disponibile.

Come è possibile visualizzare dal grafico seguente, la durata dei tempi di funzionamento e dei tempi di arresto di una macchina frigorifera è strettamente dipendente dal rapporto tra la potenza frigorifera richiesta dall’ambiente e quella installata. Infatti, considerando un impianto di climatizzazione da 15 kW, se il fabbisogno sarà di 15 kW, la regolazione farà funzionare il gruppo 60 min/h; se il fabbisogno di freddo dovesse scendere a 7,5 o 3,75 kW, il gruppo funzionerebbe rispettivamente solo 30 o 15 min/h.

Nel caso di gruppi frigoriferi monocompressore, privi di gradi di parzializzazione, un disavanzo elevato tra offerta e domanda può essere responsabile di instabilità operative che, oltre a dar luogo ad oscillazioni della temperatura di mandata dell’acqua negli impianti, costringono il motocompressore a continui attacchi e stacchi con il rischio di fermi tecnici legati a bruciatura degli avvolgimenti elettrici, grippaggi del motore, ecc.

Una corretta valutazione dei carichi ambiente è di fondamentale importanza ai fini della definizione della potenzialità frigorifera necessaria.

Conviene ricordare che un gruppo frigorifero sovradimensionato funziona lontano dalle condizioni nominali e, di conseguenza, lavorando a carico parziale per la maggior parte del suo tempo, sarà caratterizzato da basse efficienze energetiche (EER) ed intermittenze operative responsabili di possibili pendolazioni nei controlli di temperatura.

A tal proposito, infatti, uno degli errori più comuni che si commettono durante il calcolo dei carichi estivi di un edificio è trascurare i cosiddetti fattori di accumulo che tengono conto dell’effetto di volano termico delle strutture, le quali accumulano calore e lo restituiscono all’ambiente in tempi successivi.

Infatti, progettare gli impianti di condizionamento dell’aria sulla base dei carichi istantanei (senza considerare il fattore di accumulo) comporta un certo sovradimensionamento degli impianti stessi.

La ragione di ciò deve ricercarsi nel fatto che una notevole percentuale del carico termico istantaneo è di natura radiante e, conseguentemente, viene parzialmente accumulata nelle strutture dell’ambiente prima di essere ceduta per convezione all’aria ambiente divenendo solo allora un carico effettivo per l’impianto di condizionamento.

La radiazione, infatti, colpendo una struttura, viene assorbita dalla sua superficie, innalzandone la temperatura al di sopra di quella interna della struttura stessa e di quella dell’aria ambiente.

La differenza di temperatura così creatasi provoca un flusso di calore verso l’interno del materiale della struttura per conduzione e, verso l’aria ambiente, per convezione. La porzione di calore trasmessa per convezione all’aria ambiente diventa un carico istantaneo per l’impianto di condizionamento.

Il fenomeno è evidenziato nella figura seguente in cui la curva superiore rappresenta la radiazione solare istantanea per un ambiente esposto ad Ovest, mentre la curva inferiore rappresenta il carico termico effettivo su un impianto atto a mantenere una data temperatura ambiente costante.Si osserva che il carico massimo effettivo è pari al 60% circa del carico istantaneo attraverso il vetro e che il massimo stesso si verifica con un certo ritardo a causa del fenomeno di accumulo prima accennato. Le aree tratteggiate rappresentano il calore accumulato e il calore accumulato rimosso dall’ambiente.

Poiché tutto il calore che entra nell’ambiente deve esserne successivamente rimosso, le due aree tratteggiate sono equivalenti.

Deve notarsi che la maggiore o minore pesantezza delle costruzioni ha un’influenza diretta sull’entità del fenomeno dell’accumulo che dipende ovviamente dalla capacità termica delle strutture che limitano gli ambienti.

Nella figura seguente la curva superiore rappresenta la radiazione istantanea mentre le tre curve inferiori rappresentano, rispettivamente, il carico termico effettivo nel caso di costruzione leggera, media e pesante.Le curve permettono di constatare che, agli edifici di costruzione leggera, corrispondono carichi termici effettivi più rapidamente variabili con massimi più marcati.

Anche il carico termico dovuto all’illuminazione interna, carico in elevata percentuale radiante, è soggetto agli stessi fenomeni di accumulo che si sono osservati per la radiazione solare (figura seguente).Un altro fattore che influenza il fenomeno dell’accumulo è il periodo di funzionamento dell’impianto di condizionamento dell’aria; le curve delle figure precedenti infatti si riferiscono ad un periodo di funzionamento dell’impianto di condizionamento di 24 ore.

Se l’impianto di condizionamento è in funzione per un periodo giornaliero ridotto (ad es. 16 ore), una parte del calore accumulato resta nelle strutture dell’edificio dopo l’arresto dell’impianto e apparirà come carico addizionale alla sua rimessa in funzione, come mostrato nella figura seguente.Si osservi che questo metodo di calcolo porta a ridurre i carichi termici rispetto al metodo che si basa sui valori istantanei di tali grandezze senza tener conto dei fenomeni di accumulo e dei ritardi di cui sopra.

Calcolo del carico termico con Blumatica Carichi Estivi

Blumatica Carichi Estivi consente di effettuare il calcolo dei carichi termici estivi per il corretto dimensionamento degli impianti di climatizzazione (metodo Carrier – Pizzetti).

Il software consente il calcolo carichi estivi (sensibili e latenti) per tutte le ore del giorno sia per il mese di picco che per tutti i mesi dell’anno:

Irraggiamento solare attraverso i componenti finestrati;
Trasmissione termica attraverso i componenti opachi e finestrati;
Carichi sensibili e latenti per ventilazione, interni relativi a persone, apparecchiature elettriche, ecc.

Il calcolo è effettuato sia per ciascun ambiente sia per l’interno edificio, considerando i fattori di contemporaneità dei carichi.

Inoltre, è possibile eseguire il calcolo con o senza il fattore di accumulo, considerando la capacità della struttura dell’edificio di immagazzinare calore e quindi di ridurre il flusso di calore entrante per effetto della radiazione solare attraverso i serramenti.

Per ulteriori dettagli clicca qui.

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