I sistemi radianti -...

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I sistemi radianti

Ing. Michele Vio

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87%

Un esempio: Frankfurt Germania (clima freddo) Riqualificazione con tecniche Passive House

Interventi sull'involucro

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Vista così, si può pensare di limitare gli interventi

alla sola struttura, lasciando inalterati gli impianti.

E’ corretto anche in Italia?

Se si, è corretto sempre?

Interventi sull'involucro

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EFFETTI DELL’ISOLAMENTO TERMICO DEGLI EDIFICI

Interventi sull'involucro

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Grande risparmio in inverno

quando la temperatura

dell’aria esterna è bassa

EFFETTI DELL’ISOLAMENTO TERMICO DEGLI EDIFICI

Interventi sull'involucro

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Basso risparmio

energetico in estate

EFFETTI DELL’ISOLAMENTO TERMICO DEGLI EDIFICI

Interventi sull'involucro

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Il passaggio da riscaldamento a

condizionamento avviene ad una

temperatura dell’aria più bassa

EFFETTI DELL’ISOLAMENTO TERMICO DEGLI EDIFICI

Interventi sull'involucro

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Importanza del clima

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Uno dei maggiori errori che si fa nello studio del sistema edificio –impianto è quello di non contestualizzare il clima.

Spesso si copiano soluzioni vincenti in altri paesi e si cerca diriportarle nel clima Italiano, molto particolare.

Il clima italiano è un clima mediterraneo, molto diverso sia dal climadell’Europa del Nord, che è un clima freddo, che dal climacontinentale, tipico degli stati centrali degli USA.

Alcune considerazioni possono farsi usando il Bin Method, ovveroconsiderando la frequenza oraria con cui si verificano certe condizioni.

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Anche per una valutazione sommaria, bisognerebbe avere i dati climatici perBin divisi tra giorno e notte. Questo è importante soprattutto nella valutazionedel carico latente, come si vedrà meglio più avanti. Infatti, se si considera unpalazzo per uffici, che lavora solamente di giorno, è sbagliato “sporcare” i daticonsiderando anche le ore notturne.AiCARR, fornisce dei software di calcolo che permettono di calcolare questidati a partire dall’anno medio tipo, per ogni provincia italiana. Per qualunquealtra località mondiale, AiCARR fornisce un software in grado di calcolare glistessi dati a partire da alcuni parametri medi mensili, ricavabili dal sitoweatherbase.com.La figura mostra la frequenza oraria di Milano.

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Tutte le città italiane sono caratterizzate da profili tra loro simili. Letemperature che si verificano con maggiore frequenza sono quelle compresetra 5°C e 25°C, con “code” verso il basso per le città del nord e verso l’altonelle città del sud.La figura riporta somma delle temperature diurne e temperature notturne.

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Completamente diverso è il clima delle città del nord Europa, caratterizzate daun clima freddo. La figura mostra la frequenza oraria annuale di Berlino: sipuò notare quanto maggior peso abbiano le basse temperature.

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Completamente diverso è anche il clima delle città degli USA, altro riferimentostorico per i nostri progetti. La figura riporta il clima di Minneapolis (climacontinentale freddo) e Phoenix (clima continentale caldo). I profili sonocompletamente diversi rispetto alle nostre città..

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Anche New York, che pure è una città di mare alla stessa latitudine di Napoli,presenta delle importanti differenze climatiche con le nostre città..

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La figura riassume quanto detto in precedenza.Temperature inferiori a 5°C richiedono molta energia per il riscaldamento,così come le temperature superiori a 26°C per il raffreddamento. Tra 6°C e15°C c’è bisogno di riscaldamento solo negli edifici poco isolati del terziario onel residenziale, ma con una spesa energetica più contenuta. Negli edificimolto isolati del terziario c’è già bisogno di raffreddamento.Oltre i16°C e 25°C c’è sempre bisogno di raffreddare gli ambienti.

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Tra 6°C e 25°C l’effetto del recupero di calore è nullo o molto limitato.Queste temperature si verificano per il 71% del tempo a Milano, l’82% sia adAncona che a Bari. Tutte le altre località hanno frequenze nettamente minori:60% a New York, 58% a Phoenix, 55% a Berlino e 50% a Minneapolis.La differenza rispetto alle città italiane è distribuita verso le alte o le bassetemperature.E’ logico che le strategie di utilizzo dei recuperatori devono esserenecessariamente diverse

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TIPOLOGIA DEGLI EDIFICI

TERZIARIO

RESIDENZIALE

Interventi sull'involucro

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TERZIARIO

RESIDENZIALE

In inverno la differenza è dovuta al

minor carico endogeno

Interventi sull'involucro

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TERZIARIO

RESIDENZIALE

In estate la differenza è dovuta

ai minori carichi endogeni e al diverso

utilizzo dell’impianto

Interventi sull'involucro

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Interventi sull'involucro

In Italia non conviene mai eccedere con

l’isolamento termico, perché si rischia di

perdere nella climatizzazione estiva quanto si

guadagna nel riscaldamento invernale.

In particolare non bisogna mai farlo negli edifici

adibiti al terziario perché i carichi endogeni sono

elevati

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Alto isolamento

Scarso isolamento

Comunque, anche nel residenziale, il

maggior isolamento richiede di iniziare

prima l’uso del condizionamento

Interventi sull'involucro

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I sistemi radianti mirano amassimizzare il benessere ambientale, riducendo nel

contempo il consumo energetico

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Sono sistemiCOMPLESSI

Vanno compresi molto bene

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SISTEMI RADIANTI

Ambiente da climatizzare

Ambiente da climatizzare

Impianti radianticonnessi a una rete idraulica

con una loro regolazione

supportati da canali d’aria

collegati a una CTA con regolazione

GF

L’energia è prodotta da gruppi frigoriferi

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1^ COMPLESSITA’

Ambiente da climatizzare

Ambiente da climatizzare

Interazione in ambiente tra sistema radiante e aria

GF

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AMBIENTE da CLIMATIZZARE

Un ambiente da climatizzare è caratterizzato da una potenza sensibile P S

e da una potenza latente P L

ovvero la potenza di deumidificazione

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AMBIENTE da CLIMATIZZARE

Nell’ambiente da climatizzare agisce sia il sistema radiante che l’aria

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COMPITO DELL’ARIA

La portata d’aria deve essere tale da soddisfare totalmente la potenza latente P L

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COMPITO DELL’ARIA

Se l’aria è immessa a una temperatura inferiore a quella dell’ambiente

l’aria fornisce anche parte della potenza sensibile P SA

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5 kW endogeni

Caso: Ristorante

Potenza latente 10kW

5 kW per ricambi d’aria

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Senza trattamento aria esterna

L’aria deve fornire 10 kW. La portata è 5.000 m3/h

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Con trattamento aria esterna

L’aria deve fornire solo 5 kW. La portata è 2.500 m3/h

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DIMENSIONAMENTO SISTEMA RADIANTE

PSR = PS - PSA

La potenza richiesta al sistema radiante dipende anche dalla temperatura dell’aria

E tutto ciò influisce sul BENESSERE

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2^ complessitàSCAMBI TERMICI

Un sistema radiante scambia calore in 2 modi

per IRRAGGIAMENTOper CONVEZIONE

sia con le persone che con l’ambiente

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SCAMBI TERMICI

Vi sono alcune differenze fondamentalitra come il sistema radiante interagisce

con l’ambiente e con le persone: comprenderle bene è fondamentale

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1^ differenza

L’ambiente scambia calore solo per irraggiamento e convezione

Le persone scambiano calore in modo più complesso

(anche per sudorazione e respirazione )

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2^ differenza

I parametri in gioco sono diversiperché le persone si trovano a

temperatura diversa dalle pareti e dal sistema radiante

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3^ differenza

Le persone vedono l’ambiente in modo diverso dal sistema radiante

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SCAMBIO TERMICO CON L’AMBIENTE

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IRRAGGIAMENTO

Lo scambio per irraggiamento raffredda solamente lepareti e lascia inalterata la temperatura ambiente

TPELLE

TPARETI

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CONVEZIONE

La convezione viene attivata dalla temperatura di pelle del sistema inferiore a

quella dell’ aria

TPELLE

TARIA

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PARAMETRI IN GIOCO

Già da questa semplice riflessione si comprende che i parametri in gioco sono 3:

1) Temperatura pelle sistema radiante TPELLE

2) Temperatura pareti inattive TPar

3) Temperatura dell’aria TA

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SCAMBIO TERMICO CON LE PERSONE

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IRRAGGIAMENTO

Le persone cedono calore a tutto l’ambiente

TPELLE

TPARETI

TSup Persone

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CONVEZIONE

Le persone cedono calore per convezione all’aria che è più fredda

TARIA

TSup Persone

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C’è un parametro in più:

1) Temperatura pelle sistema radiante TPELLE

2) Temperatura pareti inattive TPar

3) Temperatura dell’aria TA

4) Temperatura superficiale persone Tcl

DIFFERENZE

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DIFFERENZE

Le persone vedono tutto l’ambiente, mentre il soffi tto radiante non vede se stesso

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SCAMBIO TERMICO CON LE PERSONE

BENESSERE TERMOIGROMETRICO

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PARAMETRI

2 parametri sono strettamente riferiti all'uomo: il metabolismo energetico e le proprietà termo

fisica dell'abbigliamento4 parametri sono di tipo ambientale: temperatura ,

velocità , umidità dell'aria e temperatura media radiante delle pareti dell'ambiente

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BILANCIO ENERGETICO

In ambienti moderati , nei quali gli scambi di energia termica vengono dal corpo umano verso l'ambiente, perché la temperatura dell'ambiente stesso è inferiore a quella delle zone esterne del corpo umano, il bilancio di energia termica sul

corpo può essere scritto come:

KRCCEWMS resres −−−−−−=

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BILANCIO ENERGETICO

S accumulo di energia termica nell'unità di tempo ovariazione di energia interna del corpo umanonell'unità di tempo

M metabolismo energetico,W Potenza meccanica che il corpo umano cede

all'ambienteEres Potenza termica scambiata nella respirazione come

calore latenteCres Potenza termica scambiata nella respirazione come

calore sensibileC Potenza termica scambiata per convezioneR Potenza termica scambiata per irraggiamentoE Potenza termica scambiata per evaporazione della pelleK Potenza termica scambiata per conduzione

KERCCEWMS resres −−−−−−−=

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BILANCIO ENERGETICO

W e K possono considerarsi nulli

KERCCEWMS resres −−−−−−−=

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BILANCIO ENERGETICO

Funzione prevalentemente del metabolismo

KERCCEWMS resres −−−−−−−=

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METABOLISMO ENERGETICO

energia potenziale chimica che all'interno del corpo umano si trasforma in energia termica. Il metabolismo energetico viene misurata in met:

1 met = 58,2 W/m 2

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METABOLISMO ENERGETICO

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BILANCIO ENERGETICO

Funzione metabolismo

KERCCEWMS resres −−−−−−−=

Funzione metabolismo, abbigliamento, temperatura

OPERATIVA

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COEFFICIENTE ABBIGLIAMENTOTabella 3: resistenza termica dell'abbigliamento e coeffi cienti d’area fcl per uomini e donne inestate, mezza stagione, e d'inverno

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TEMPERATURA OPERATIVA

La temperatura OPERATIVA o temperaturaOPERATIVA tO è sostanzialmente latemperatura avvertita dall'occupantedell'ambiente. Si può scrivere:

cR

acMRRO hh

ththt

++=

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TEMPERATURA MEDIA RADIANTE

dove Fn sono i fattori di vista

∑=n

1nnMR Ftt

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FATTORI DI VISTA

ambiente 10*5*3 m

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TEMPERATURA OPERATIVA

La temperatura OPERATIVA o temperaturaOPERATIVA tO è sostanzialmente latemperatura avvertita dall'occupantedell'ambiente. Si può scrivere:

cR

acMRRO hh

ththt

++=

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TEMPERATURA OPERATIVA

per soggetti a riposo la conduttanza termicaconvettiva hc e la conduttanza termica perirraggiamento hR sono molto simili

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TEMPERATURA OPERATIVA

La formula si può semplificare in

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ttt aMRO

+=

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COMFORT TERMICO

NORMA UNI EN 7730

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COMFORT TERMICO

lega tra loro 8 variabili: 2 relative al soggetto(abbigliamento e attività), 4 ambientali (temperatura,velocità e umidità dell'aria, temperatura media radiante)e 2 fisiologiche (temperatura della pelle e Potenzatermica dispersa per sudorazione)

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INDICE PMV

L’indice PMV (Predicted Mean Vote, o in italianoVoto Medio Previsto) è attualmente normatodalla UNI EN 7730

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INDICE PMV

è definito come segue: PMV è un indice che predice il valore medio tramite i voti di un ampio gruppo di persone sulla scala di sensazione termica a 7 valori (tabella 9), basato sul bilancio di calore del

corpo umano. Il bilancio termico di pareggio si ottiene quando la produzione di calore interna nel corpo è uguale alla perdita di calore verso

l'ambiente

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INDICE PMV

L’indice PMV dipende solamente da:

METABOLISMO

ABBIGLIAMENTO

TEMPERATURA OPERATIVA

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INDICE PPD

Il PMV rappresenta il voto di un individuo medio, ovverola media dei voti espressi da un gran numero di personeposte nelle stesse condizioni.Sperimentalmente si è visto che i voti dei singoliindividui presentano con una certa dispersione intornoal valore medio. Fanger ha quindi definito un altroindice, il PPD (Predict Percentage of Dissatisfied ), cherappresenta la percentuale prevista di insoddisfatti,dove per insoddisfatti si intendono coloro che votano +-2 o +-3. L'equazione utilizzata è:

( )24 PMV2179,0PMV03353,0exp95100PPD −−−=

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INDICE PPD

( )24 PMV2179,0PMV03353,0exp95100PPD −−−=

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DISCOMFORT TERMICO LOCALIZZATO

Le causa che portano a un discomfort termicolocalizzato sono 4:

1 elevata differenza verticale della temperatura dell'aria

2 pavimento troppo caldo o troppo freddo

3 elevata asimmetria media radiante

4 correnti d'aria

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CLASSI DI COMFORT

Per ogni ambiente esiste una temperatura OPERATIVA ottimale che corrisponde a PMV = 0, a seconda

dell'attività e dell'abbigliamento degli occupanti… La temperatura OPERATIVA ottimale è la stessa per l e tre classi di ambiente, ma varia il campo accettabi le di

scostamento. La temperatura OPERATIVA dovrebbe essere sempre

all'interno della campo accettabile in ogni posizion i all'interno della zona occupata dell’ambiente. Quest o

significa il campo accettabile dovrebbe coprire variazioni sia spaziali che temporali, tra cui fluttu azioni

causate dal sistema di controllo

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INFLUENZA ABBIGLIAMENTO

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INFLUENZA ABBIGLIAMENTO

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INFLUENZA ABBIGLIAMENTO

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INFLUENZA UR

L'umidità relativa dell'ambiente influisce molto poco sulvalore della sensazione termica, come dimostrò Fangernei suoi studi negli anni 70.Ciò è vero negli ambienti moderati. Per le normaliapplicazioni civili, in condizioni di benessere contemperatura dell'aria con prese tra 19 °°°°C e 28°°°°C, ilpeso dell'umidità relativa può considerarsi irrilevante .

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INFLUENZA UR

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PARETE CALDA

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PARETE FREDDA

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SOFFITTO CALDO

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SOFFITTO FREDDO

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CLASSI DI COMFORT

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Vetri normali

persone sedute ( uomo in maglietta a maniche corte e donna con abbigliamento medio ), velocità dell’aria 0,15 m/s, metabolismo 70 W/m 2

TEMPERATURA ARIA 26°°°°C

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Vetri assorbenti

persone sedute ( uomo in maglietta a maniche corte e donna con abbigliamento medio ), velocità dell’aria 0,15 m/s, metabolismo 70 W/m 2

TEMPERATURA ARIA 26°°°°C

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Influenza abbigliamentoDonna abbigliamento leggero

Uomo abbigliamento leggeroDonna abbigliamento medio

Uomo abbigliamento medio Uomo in giacca e cravatta

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Influenza temperature superficiali

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Correzione PMV mediante velocità dell’aria

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SCAMBIO TERMICO CON LE PARETI

PRESTAZIONI DEI SISTEMI RADIANTI

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IRRAGGIAMENTO

Lo scambio per irraggiamento raffredda solamente lepareti e lascia inalterata la temperatura ambiente

TPELLE

TPARETI

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CONVEZIONE

La convezione viene attivata dalla temperatura di pelle del sistema superiore a

quella dell’ aria

TPELLE

TARIA

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PARAMETRI IN GIOCO

Già da questa semplice riflessione si comprende che i parametri in gioco sono 3:

1) Temperatura pelle sistema radiante TPELLE

2) Temperatura pareti inattive TPar

3) Temperatura dell’aria TA

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CONSIDERAZIONE

La Temperatura di Pelle del sistema èmolto importante nella climatizzazioneestiva, perché deve rimanere almeno 3°°°°Cal di sopra della temperatura di rugiada

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IRRAGGIAMENTOLo scambio tra 2 superfici è dato da:

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PERCHE’ E’ IMPORTANTE

Un simile approccio è importante perché i pannelli non rendono in modo uguale in

tutto il soffitto

Rendono di più quelli più vicini alle superfici calde

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Influenza della temperatura radiante

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Influenza della temperatura radiante

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Influenza della temperatura del sistema sulle pareti

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Influenza della temperatura del sistema sulle pareti

103

Più superfici attive

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Più superfici attive

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Ripartizione della potenza scambiata

nInaRa dApdAp∫ ∫=

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Ripartizione della potenza scambiata

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Ripartizione della potenza scambiata

108

potenza scambiata da parete

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TEMPERATURA DI PELLE

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INFLUENZA TEMPERATURA DI PELLE

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Temperature interne pareti e vetri

Dipendono dall’irraggiamento (quindi dall’orientamento), dalla temperatura

dell’aria e dall’isolamento

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Pareti k = 0,4

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Vetri normali k = 1,5 schermi FS = 0,5

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Vetri assorbenti k = 1,5 FS = 0,5

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Prestazioni reali vs norme/formule semplificate Pavimento Inverno

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Prestazioni reali vs norme/formule semplificate Pavimento Estate

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Prestazioni reali vs norme/formule semplificate Soffitto Inverno

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Prestazioni reali vs norme/formule semplificate Soffitto estate

Bisogna prima spiegare la norma 14240

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NORME PRESTAZIONALI

La NORMA 14240 prevede prove in un ambiente in cui la Temperatura Media Radiante delle pareti

inattive è uguale alla Temperatura dell’aria

Superficie attiva

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La NORMA 14240 non può dare le prestazioni in funzione della Temperatura Media Radiante

Perché la norma è carente

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Perché la norma è carente

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Perché la norma è carente

Non considera la temperatura di pelle

Sembra che i soffitti metallici rendano di più

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Perché la norma è carente

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Perché la norma è carente

Ma non è vero, perché la norma rende cieco il progettista rispetto al pericolo di formazione

della condensa

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Perché la norma è carente

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Perché la norma è carente

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Perché la norma è carente

Punto da test norma 14240

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LIMITI DI UTILIZZO DEI DATI DELLA NORMA

Utilizzare i dati della curva prestazionale fornita dalla Norma UNI EN 14240 porta a errori

nel funzionamento reale perché le prestazioni del sistema sono sopravvalutate o sottovalutate a

seconda dei casi(perché la norma considera la T media radiante

delle pareti inattive uguale alla temperatura dell’aria ambiente)

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Perché la norma è carente

Norma 14240 sottostima Tmr > 26 °°°°C

Norma 14240 sovrastima Tmr < 26 °°°°C

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ESEMPIO 1 Richiesta 75 W/m 2 Taria = 26°°°°C

Dato di norma

19,3°°°°C

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ESEMPIO 1 Richiesta 75 W/m 2 Taria = 26°°°°CTmr = 28,5°°°°C

Dato di norma

20,4°°°°C

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ESEMPIO 2

Open space in seminterrato

Tutte pareti tranne il tetto hanno una T = 20 °°°°C

MEZZA STAGIONE

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ESEMPIO 2

MEZZA STAGIONET ambiente = 24°°°°C

Potenza richiesta al soffitto = 1.000 WPotenza specifica = 55 W/m 2

Tpelle secondo UNI EN 14240 = 19,7 °°°°C

Andamento realeT media radiante sup inattive = 20 °°°°C

Tpelle = 17,2 °°°°C

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Confronto in estate radiante a pavimento vs radiante a soffitto

vs aria

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Ombre termiche dovute all’arredo

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Pavimento

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Pavimento

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Pavimento

145

Pavimento

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Pavimento

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Pavimento

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Pavimento

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Influenza su PMV

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Camera da letto

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Ufficio

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Abitazione

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SOFFITTO METALLICO

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SOFFITTO CARTONGESSO

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SOFFITTO CARTONGESSO

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SOFFITTO CARTONGESSO

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SOFFITTO CARTONGESSO

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Influenza superficie

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Influenza superficie

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Tempo messa a regimealbergo inverno

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Tempo messa a regimealbergo inverno

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Tempo messa a regimealbergo estate

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Tempo messa a regimealbergo estate

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Influenza inerzia sulla regolazione