Trasmissione del calore - PoliMi-2024 PDF

Corso di Fisica Tecnica e Impianti (AA 2024-2025) Trasmissione del calore Aula Magna – Rettorato Prof. Giuliano Dall’O’, Mercoledì 27 maggio Dip. ABC – Politecnico di 2015 Mila...

Corso di Fisica Tecnica e Impianti (AA 2024-2025) Trasmissione del calore Aula Magna – Rettorato Prof. Giuliano Dall’O’, Mercoledì 27 maggio Dip. ABC – Politecnico di 2015 Milano  CONTENUTI DELLA SEZIONE Trasmissione del calore: introduzione e concetti di base Conduzione del calore in regime stazionario Trasmissione del calore per convezione Trasmissione del calore per irraggiamento Calcolo della trasmittanza termica per pareti opache multistrato Materiali da costruzione e materiali isolanti in edilizia Ponti termici, teoria e concetti di base Calcolo della trasmittanza termica per finestre Prof. Giuliano Dall’O’, ABC Dept. 1  Studio della trasmissione del calore per ridurre lo scambio A volte è importante rallentare il flusso di calore Thermos senza Thermos con Fodera riflettente Fodera riflettente Tempo di raffreddamento: poche ore Conduzione Conduzione Vacuum Convezione Vuoto Convezione Radiazione Radiazione Tempo di raffreddamento: pochi minuti Fodera riflettente Prof. Giuliano Dall’O’, ABC Dept. 2  Studio della trasmissione del calore per aumentare lo scambio A volte è importante accelerare il flusso di calore Radiatore dell'impianto di riscaldamento Radiatore per auto Testata di un motore endotermico Scambiatore di calore Prof. Giuliano Dall’O’, ABC Dept. 3  La trasmissione del calore Il calore Q è una forma di energia in transito. Si può dire che un sistema scambia energia sotto forma di calore con un altro sistema; La quantità di calore scambiata Q può essere quantificata; Il passaggio di calore da un sistema ad un altro può avvenire se sono soddisfatte le seguenti condizioni: - i due sistemi si devono trovare a temperature diverse; - non devono essere separati da una parete adiabatica; Il calore si propaga nella direzione delle temperature decrescenti, da una regione ad alta temperatura ad una regione a bassa temperatura. Prof. Giuliano Dall’O’, ABC Dept. 4  Trasmissione del calore: applicazione per le pareti opache Per ridurre il flusso di calore dobbiamo progettare la parete aumentando la resistenza termica degli strati Percorso ad ostacoli per atleti Intonaco esterno Strato isolante Flusso di calore Mattoni pieni Strato isolante Te Ti Lastra cartongesso Intonaco interno R7 R1 Rn R2 R1 R6 R5 R4 R3 R2 Prof. Giuliano Dall’O’, ABC Dept. 5  Cenni storici sulla trasmissione del calore La Teoria del Calorico Durante il XVIII secolo, si affermò la teoria del calorico, un concetto secondo cui il calore era considerato un fluido invisibile e imponderabile che si trasferiva tra i corpi. Antoine Lavoisier fu uno dei maggiori sostenitori di questa teoria, che, seppur errata, contribuì alla comprensione dei fenomeni legati al calore. La Rivoluzione della Termodinamica Fu nel XIX secolo che la scienza della trasmissione del calore fece enormi passi avanti. Nel 1822, il matematico francese Joseph Fourier pubblicò la sua opera fondamentale «The Analytical Theory of Heat», dove descriveva la legge della conduzione del calore, ora nota come Legge di Fourier. Fourier introdusse l’uso dell’analisi matematica per studiare la Jean Baptiste Joseph Fourier conduzione e la diffusione del calore. (1768 – 1830) Nello stesso periodo, scienziati come James Prescott Joule e Sadi Carnot contribuirono alla fondazione della termodinamica moderna. Sviluppo della Trasmissione del Calore come Disciplina Nel XX secolo, la comprensione del calore e della sua trasmissione si è approfondita grazie agli sviluppi della fisica statistica e della meccanica quantistica. Il calore è stato finalmente riconosciuto come una forma di energia legata al movimento delle particelle a livello atomico e molecolare. Gli studi sulle varie modalità di trasmissione del calore – conduzione, convezione e irraggiamento – sono stati formalizzati e sviluppati grazie a figure come Ludwig Boltzmann, che ha contribuito alla termodinamica statistica, e Max Planck, che ha studiato il comportamento della radiazione termica, portando allo sviluppo della teoria quantistica. Ludwig Boltzmann (1844 – 1906) Prof. Giuliano Dall’O’, ABC Dept. 6  Potenza termica e Flusso termico Potenza termica Flusso termico La potenza termica è la quantità di calore trasferita o Il flusso termico è il trasferimento di energia termica generata per unità di tempo. Indica quanto calore attraverso una superficie, per unità di area e per unità viene trasferito da un corpo all'altro, o prodotto, in un di tempo. Si riferisce alla densità del trasferimento di determinato intervallo temporale. calore, cioè la quantità di calore che attraversa una La sua unità di misura nel Sistema Internazionale (SI) superficie specifica in un dato tempo. è il watt (W), dove: 1 watt = 1 joule/secondo (J/s). L'unità di misura del flusso termico nel Sistema Matematicamente, la potenza termica può essere Internazionale è il watt per metro quadrato (W/m²), espressa come: che rappresenta la quantità di calore che attraversa un'area di 1 m² in 1 secondo. 𝑄 𝑄̇ = Matematicamente, il flusso termico si esprime come: 𝑡 dove: 𝑄̇ Φ= 𝑄̇ è la potenza termica (W) 𝐴 dove: 𝑄 è la quantità di calore trasferito (J) t è il tempo in cui il calore prodotto viene trasferito (s) Φ è il flusso termico (W/m2) 𝑄̇ è la potenza termica (W) Un esempio di potenza termica è il calore prodotto da 𝐴 è l’area della superficie attraverso cui il calore viene una caldaia o il calore dissipato da una resistenza trasferito (m2). elettrica. Prof. Giuliano Dall’O’, ABC Dept. 7  I meccanismi della trasmissione del calore La trasmissione del calore si occupa dello studio dell’insieme di leggi che governano il passaggio di calore da un sistema ad un altro o da un punto ad un altro di uno stesso sistema, dei dispositivi coinvolti negli scambi di calore e delle leggi che danno la distribuzione di temperatura all’interno di un sistema in funzione dello spazio e del tempo. Il flusso di calore può essere definito dalla relazione: Φ = 𝑝𝑎𝑟𝑎𝑚𝑒𝑡𝑟𝑜 + D𝑇 dove: 𝑝𝑎𝑟𝑎𝑚𝑒𝑡𝑟𝑜 è il coefficiente che tiene conto della maggiore o minore facilità, con la quale, a parità di D𝑇 , ha luogo il trasferimento di calore; D𝑇 è la differenza di temperatura. Prof. Giuliano Dall’O’, ABC Dept. 8  I meccanismi della trasmissione del calore I meccanismi di trasmissione del calore sono tre: CONDUZIONE, CONVEZIONE, IRRAGGIAMENTO Conduzione: trasferimento di calore attraverso un materiale solido dovuto alla vibrazione delle particelle. Avviene principalmente in materiali solidi. Esempio: un cucchiaio riscaldato su una pentola calda. Convezione: trasferimento di calore tramite il movimento di un fluido (liquido o gas). Il fluido riscaldato si espande, diventa meno denso e sale, mentre il fluido freddo scende. Esempio: l'acqua che bolle. Irraggiamento: trasferimento di calore sotto forma di onde elettromagnetiche (radiazione infrarossa), che può avvenire anche nel vuoto. Esempio: il calore del sole che raggiunge la Terra. Questi meccanismi possono agire insieme o separatamente in diversi contesti. Prof. Giuliano Dall’O’, ABC Dept. 9  Come può essere analizzata la trasmissione del calore Trasmissione del calore in regime stazionario Trasmissione del calore in regime variabile Il flusso di calore e le temperature non cambiano nel tempo, Il flusso di calore e le temperature cambiano nel tempo, cioè il sistema ha raggiunto un equilibrio termico. poiché il sistema non è ancora in equilibrio termico. La distribuzione della temperatura all'interno della parete è La temperatura all'interno della parete varia con il tempo costante nel tempo. e dipende dalle condizioni iniziali e dai cambiamenti esterni.. La trasmissione del calore si descrive con la legge di La conduzione del calore è descritta dalla legge della Fourier nella forma integrale semplificata: diffusione del calore (equazione del calore): 𝜆 % 𝐴 % (𝑇! − 𝑇" ) 𝜕𝑇 𝜕"𝑇 𝑄̇ = =𝛼% " 𝑠 𝜕𝑡 𝜕𝑥 dove 𝑄 (W) è la potenza termica trasmessa attraverso la # dove 𝛼 = $% é la diffusività termica con 𝜌 densità e 𝑐 il parete, 𝐴 (m) è l’area della parete, 𝑇! e 𝑇" sono le temperature ai due lati della parete e 𝑠 (m) lo spessore della calore specifico del materiale. parete. È più complesso perché occorre risolvere un'equazione differenziale che tiene conto delle variazioni temporali e Si tratta di un problema più semplice perché le condizioni spaziali della temperatura. Le condizioni iniziali e le sono costanti e il calcolo del flusso termico si basa solo variazioni nel tempo delle temperature ambientali sulla differenza di temperatura tra i due lati della parete e influenzano il comportamento. sulle proprietà del materiale. Utile per studiare fenomeni in cui la temperatura varia nel Viene utilizzato per analizzare situazioni dove le temperature tempo, come il riscaldamento o il raffreddamento di edifici nei due ambienti sono costanti nel tempo (ad esempio, pareti durante il giorno e la notte, o per analizzare situazioni di edifici in climi stabilizzati). transitorie Prof. Giuliano Dall’O’, ABC Dept. 10  Trasmissione del calore in regime stazionario Considerando costanti le temperature dell’aria all’interno e all’esterno dell’edificio, la trasmissione del calore per conduzione attraverso una parete di un edificio può essere considerata: - Stazionaria - Mono dimensionale Se non vi è alcuna generazione interna di calore: Potenza Termica entrante – Potenza Termica Uscente = Potenza termica ovvero: 𝑄̇ 4 − 𝑄̇ 5 = 𝑄̇ Poiché in condizioni stazionarie la potenza termica accumulata deve essere nulla. Il flusso termico attraverso la parete deve essere costante. 𝑄̇ 6789 = 𝑐𝑜𝑠𝑡𝑎𝑛𝑡𝑒 In quanto il flusso termico entrante deve uguagliare il flusso termico uscente. Interno Esterno Ti = 20°C costante Te = 0°C costante Prof. Giuliano Dall’O’, ABC Dept. 11  Conduzione La relazione fondamentale per il calcolo del flusso di calore in caso di conduzione pura, fu proposta da Joseph Fourier nel 1822 (Postulato di Fourier per la conduzione stazionaria e monodimensionale) Potenza termica Area della superficie che fluisce nella normale a x attraverso la 𝑇% quale fluisce il calore (m2) direzione x (W) 𝑑𝑇 𝑄̇ !"#$ 𝑑𝑇 Gradiente di 𝑄̇ !"#$ = −𝜆 & 𝐴 & temperatura 𝑑𝑥 nella direzione x 𝑑𝑥 𝑇& Conducibilità termica 𝑥 del materiale (W/m K) 9: Il segno - tiene conto del fatto che il flusso di calore va nel senso in cui diminuisce. 9; Prof. Giuliano Dall’O’, ABC Dept. 12  Conduzione In condizioni stazionarie, la distribuzione di temperatura in una parete piana è una linea retta Potenza termica Costante di Area della superficie proporzionalità o normale alla 𝑇% Trasmessa per conducibilità termica conduzione (W) trasmissione del del materiale (W/m K) calore (m2) 𝑄̇ !"#$ 𝜆 Differenza di 𝑄̇ !"#$ = & 𝐴 & ∆𝑇 temperatura tra 𝑇& 𝑠 le due facce della parete (°C) 𝑠 Spessore (m) ' =𝐶 Conduttanza termica della parete (W/m2K) ( 1 𝑠 𝑄̇ !"#$ = & 𝐴 & ∆𝑇 = 𝑅! Resistenza termica della parete (m2K/W) 𝑅! 𝜆 d’ora in avanti chiamiamo RESISTENZA TERMICA 𝑅 la resistenza termica specifica, ossia riferita all’unità di area Prof. Giuliano Dall’O’, ABC Dept. 13  La conducibilità termica di alcuni materiali cristalli non metallici 1000 metalli puri leghe metalliche Diamante 100 Argento Quarzo solidi non metallici Lega di Ferro alluminio 10 liquidi ossidi l roccia [W/mK] cibo isolanti acqua 1 gomma oli gas fibre legno schiume 0,1 aria 0,01 Prof. Giuliano Dall’O’, ABC Dept. 14  La conducibilità termica di alcuni materiali Materiale da costruzione Conducibilità termica𝝀 (W/mK) Mattone Vetro 1,4 Granito 2,79 Gomma 1,80 Fibra di vetro Mattone 1 – 1,8 Calcestruzzo 1,4 Mattone forato Legno (Pino) 0,11 Legno (Abete) 0,14 Sabbia 0,27 Neve 0,049 Polistirene Ghiaccio 1,88 Mattone forato 0,72 Calcestruzzo Intonaco 0,25 – 0,72 Fibra di vetro 0,046 Polistirene 0,027 Sughero 0,039 Sughero Vetro Prof. Giuliano Dall’O’, ABC Dept. 15  Valori della conducibilità termica di alcuni materiali Conducibilità e densità di alcuni materiali da costruzione (UNI 10351) Prof. Giuliano Dall’O’, ABC Dept. 16  Conduzione: parete piana omogenea monostrato 𝜆% 𝑇% 1 𝑄̇ ! = & 𝐴 & 𝑇% − 𝑇& 𝑅 𝑇& 𝑠> 𝑅= 𝜆> 𝑠% 𝑠 Esempio (& ),+ 𝑅= = = 0,5 (m2K/W) '& % 𝐴 = 20 m2 𝑇% = 20 °C 𝑇& = 0 °C % 𝑄̇ ! = + 20 + 20 − 0 = 800 (W) ),+ 𝑠% = 0,5 m 𝜆% = 1 W/mK 𝑄̇ ! 800 Flusso di calore Φ= = = 40 (W/m2) 𝐴 20 Prof. Giuliano Dall’O’, ABC Dept. 17  Conduzione: parete piana non omogenea multistrato 𝜆% 𝜆& 𝑇% 1 𝑄̇ ! = & 𝐴 & 𝑇% − 𝑇& 𝑅' 𝑇& 𝑠> 𝑠? 𝑠8 𝑅: = 𝑅> + 𝑅? +0000 𝑅8 = + + 0000 𝜆> 𝜆? 𝜆8 𝑠% 𝑠& 𝑠 Esempio (& (' ),- ),% 𝑅, = + = + = 0,4 + 2,5 = 2,9 (m2K/W) '& '' % ),)- 𝐴 = 20 m2 𝑇% = 20 °C 𝑇& = 0 °C % 𝑄̇ ! = + 20 + 20 − 0 = 138 (W) &,. 𝑠% = 0,4 m 𝜆% = 1 W/mK 𝑄̇ ! 138 𝑠& = 0,1 m 𝜆& = 0,04 W/mK Flusso di calore Φ= = = 6,9 (W/m2) 𝐴 20 Per diminuire il flusso di calore è necessario aumentare la resistenza totale della parete Prof. Giuliano Dall’O’, ABC Dept. 18  Lo spessore ottimale dello strato isolante Il grafico mostra la relazione tra spessore dell'isolante, costo e trasmittanza in funzione dello spessore dell'isolante utilizzato per una parete. Riduzione trasmittanza: la trasmittanza termica è inversamente proporzionale allo spessore dell'isolante. Un isolamento più spesso riduce Trasmittanza U della parete (W/m 2K) la capacità della parete di far passare calore, migliorando le prestazioni termiche. Tuttavia, la riduzione della trasmittanza tende a diventare meno Costo dell’isolante (€/m 2) significativa con spessori maggiori (come si vede dall'appiattimento della curva rossa). Questo significa che, oltre un certo punto, l'aggiunta di ulteriore spessore non porta a miglioramenti termici sostanziali. Costo vs. benefici: la curva del costo cresce linearmente con lo spessore, il che implica che continuare ad aumentare lo spessore dell'isolante porta a un aumento lineare del costo. Tuttavia, i miglioramenti in termini di trasmittanza diventano sempre meno rilevanti con l'aumento dello spessore, quindi c'è un punto oltre il quale l'aumento del costo non si traduce in un miglioramento significativo delle prestazioni termiche. Questo Spessore isolante (cm) punto è cruciale per ottimizzare sia i costi che l'efficienza energetica. Trasmittanza (curva blu): Trade-off: in sintesi, il grafico mostra chiaramente che vi è un La trasmittanza (espressa in W/m²K sull'asse verticale di sinistra) decresce in modo non lineare con l'aumento dello spessore dell'isolante. Ciò riflette il comportamento della compromesso tra il miglioramento dell'isolamento termico e i costi. trasmittanza termica di una parete, che diminuisce con l'aumentare dello spessore L'obiettivo sarebbe trovare il punto ottimale in cui lo spessore è sufficiente dell'isolante. Tuttavia, si nota che i primi centimetri di isolante contribuiscono per ridurre la trasmittanza a livelli accettabili senza far lievitare notevolmente alla sua riduzione mentre oltre un certo spessore, la riduzione della trasmittanza diventa meno significativa, con una curva che tende ad appiattirsi. eccessivamente i costi. Costo (curva rossa): Questo grafico fornisce una chiara rappresentazione di come le scelte relative Questa curva cresce linearmente, indicando che il costo dell'isolante aumenta con l'aumentare dello spessore. Questo è un comportamento atteso poiché un maggior allo spessore dell'isolante influiscano sia sulla trasmittanza della parete che spessore richiede una quantità maggiore di materiale, e quindi un aumento dei costi. sul costo del materiale. Il progettista deve tenere conto di questi fattori per scegliere lo spessore ideale dell'isolante, che minimizzi la trasmittanza senza Dati considerati: una parete non isolata con trasmittanza originale di 1,8 W/m2K, materiale far aumentare troppo i costi. isolante considerato lana di vetro con conducibilità part a 0,035 W/mK, costo dell’isolante 1,148 €/cm m2. Prof. Giuliano Dall’O’, ABC Dept. 19  Trasmissione del calore per convezione La trasmissione del calore per convezione è il processo di trasferimento di calore che avviene, da un solido a un fluido, attraverso il movimento di un fluido (liquido o gas), dovuto a differenze di temperatura. Il calore viene trasportato dalle particelle del fluido che si spostano da una zona calda a una zona fredda, favorendo l'equilibrio termico. Implica gli effetti combinati di conduzione e trasporto di massa; Il calore trasmesso aumenta con la velocità del fluido. La convezione può essere di due tipi: naturale o forzata La convezione naturale è il trasferimento di calore in un fluido causato esclusivamente dalle differenze di temperatura. Il fluido caldo, meno denso, sale mentre quello freddo, più denso, scende, creando correnti che distribuiscono il calore. Questo processo avviene senza l'intervento di forze esterne, come nel riscaldamento dell'aria o nei fenomeni atmosferici. La convezione forzata è il trasferimento di calore in un fluido indotto da un agente esterno, come un ventilatore o una pompa. A differenza della convezione naturale, il movimento del fluido non è dovuto solo alle differenze di temperatura, ma è forzato da dispositivi meccanici che aumentano la velocità del fluido e quindi il tasso di trasferimento del calore. Questo processo è utilizzato in molte applicazioni tecniche, come nei sistemi di raffreddamento dei motori o nei condizionatori d'aria. Prof. Giuliano Dall’O’, ABC Dept. 20  Trasmissione del calore per convezione Esempio di convezione naturale: Esempio di convezione forzata: Il radiatore di un impianto di riscaldamento Un ventilatore Prof. Giuliano Dall’O’, ABC Dept. 21  Trasmissione del calore per convezione: tipologie di flusso Il flusso laminare è un tipo di flusso fluido in cui le particelle si muovono in strati paralleli, con poche o nessuna turbolenza. È caratterizzato da movimenti regolari e ordinati, tipico di velocità basse e fluidi molto viscosi. Il flusso turbolento, al contrario, è caotico e disordinato, con vortici e fluttuazioni. Si verifica a velocità elevate e quando le forze inerziali superano le forze viscose, rendendo il movimento del fluido imprevedibile e con mescolamento intenso. Flusso laminare e flusso turbolento 𝑇 Strato limite La teoria dello strato limite T parete (flusso laminare) La teoria dello strato limite descrive la zona vicino alla superficie dove il fluido subisce variazioni significative di velocità e temperatura. Nello strato limite, il calore viene trasferito principalmente per Flusso turbolento conduzione, poiché la velocità del fluido è ridotta. Al di fuori di questa zona, il movimento del fluido è più rapido, e il calore viene trasferito per convezione. T aria Più lo strato limite è sottile, maggiore è l'efficienza del trasferimento di calore. 𝑥 Prof. Giuliano Dall’O’, ABC Dept. 22  Convezione: la legge di Newton Confrontiamo i due casi: una parete che scambia calore per convezione con l’aria ed una parete che scambia calore per convezione con l’acqua. La temperatura superficiale della parete è la stessa così come è la stessa la temperatura dei due fluidi, eppure il calore scambiato verso l’acqua è maggiore. Possiamo dire che lo scambio di calore per convezione con l’acqua è perciò più efficiente. 𝑇0 𝑇0 Aria Acqua A 𝑄̇ !"#/ 𝑇1 B 𝑄̇ !"#/ 𝑇1 lo scambio di calore per convezione è governato dalla legge di raffreddamento di Newton. Questa legge stabilisce che la quantità di calore trasferita per convezione 𝑄̇ %()* (W) tra una superficie e un fluido è proporzionale alla differenza di temperatura tra la superficie e il fluido stesso. 𝑄̇ !"#/ = ℎ + 𝐴 + 𝑇0 − 𝑇1 dove 𝐴 é l’area della superficie di scambio (m2) ℎ è il coefficiente di scambio termico per convezione (misura l'efficienza del trasferimento di calore tra superficie e fluido) (W/m2K) 𝑇0 − 𝑇1 È la differenza tra la temperatura superficiale della parete e quella del fluido (°C o K) Prof. Giuliano Dall’O’, ABC Dept. 23  Il coefficiente di scambio termico per convezione ℎ Lo studio della trasmissione di calore per convezione si concentra quindi nel ricercare i valori che può assumere il coefficiente di scambio termico per convezione 𝒉 nei diversi contesti applicativi. Questa parte della Fisica Tecnica è particolarmente complessa, tuttavia in ambito edilizio si utilizzano coefficienti precalcolato che possono essere ricavati da tabelle inserite nelle norme tecniche di riferimento. Il coefficiente di trasmissione per convezione ℎ dipende da: Tipologia h q Velocità del fluido: Un flusso più veloce aumenta ℎ, (range) soprattutto in condizioni di flusso turbolento. Aria ferma 3,5 -35 q Proprietà del fluido: Dipende dalla conduttività termica, Aria in leggero movimento 25 - 70 viscosità, densità e capacità termica del fluido. Aria in movimento veloce 60 - 300 q Geometria della superficie: La forma, orientamento e rugosità della superficie influenzano ℎ. Acqua in una pentola 580 - 2300 q Tipo di convezione: In convezione naturale, dipende dalla Acqua in una pentola agitata 2300 - 4700 densità e gravità; in convezione forzata, dalla velocità imposta. Acqua bollente in tubi 4700 - 7000 q Numeri adimensionali: È legato a grandezze come i Acqua bollente su una superficie 3500 - 5800 numeri di Nusselt, Reynolds e Prandtl, che descrivono il metallica comportamento del flusso e delle proprietà termiche. Vapore condensante 10000 - 12000 In sintesi, ℎ varia in base al flusso, alle caratteristiche del fluido, e alla geometria della superficie. Valori tipici del coefficiente di trasmissione per convezione ℎ Prof. Giuliano Dall’O’, ABC Dept. 24  Convezione e trasmissione in una parete edilizia In una parete edilizia è necessario eseguire una analisi completa della trasmissione del calore e quindi tenere conto che il calore si trasmette: per CONVEZIONE tra l’aria interna del locale e la superficie interna della parete; per CONDUZIONE attraverso la parete costituita da uno o più strati; per CONVEZIONE tra la faccia esterna della parete e l’aria esterna. 𝑅!"#/ 𝑅!"#$ 𝑅!"#/ In una parete costituita da un solo strato le resistenze 𝑇2# termiche non sono una, ma tre 𝑇02 (2 per la convezione e 1 per la conduzione). 𝑇2# = Temperatura interna CONV COND CONV 𝑇02 = Temperatura parete interna 𝑇03 𝑇03 = Temperatura parete esterna 𝑇3(4 𝑇3(4 = Temperatura esterna La presenza di una resistenza termica genera una 𝑠 variazione di temperatura Prof. Giuliano Dall’O’, ABC Dept. 25  Convezione e trasmissione in una parete edilizia 𝑅!"#/ 𝑅!"#$ 𝑅!"#/ 𝑇2# 𝑅' = 𝑅()*+,- + 𝑅()*. + 𝑅()*+,/ 𝑇02 CONV COND CONV 1 𝑠 1 𝑅' = + + ℎ- 𝜆 ℎ/ 𝑇03 𝑇3(4 1 𝑄̇ ' = 0 𝐴 + 𝑇-* − 𝑇/01 𝑅' 𝑠 Le resistenze 𝑅!"#$,& e 𝑅!"#$,' si calcolano, noti i coefficienti conduttivi (liminari) ℎ& e ℎ' dal loro reciproco. In ambito edilizio nel calcolo termico delle pareti il fenomeno convettivo si riduce alla definizione di ℎ& e ℎ' Prof. Giuliano Dall’O’, ABC Dept. 26  Coefficienti di scambio termico convettivo ℎ2 e ℎ3 Parete (flusso di calore orizzontale) ℎ2 = 7,68 W/m2K ℎ3 = 25 W/m2K (considerando la velocità del vento inferiore a 4 m/s) Solaio del soffitto (flusso di calore verso l'alto) ℎ2 = 10 W/m2K ℎ3 = 25 W/m2K (considerando la velocità del vento inferiore a 4 m/s) Solaio di pavimentazione (flusso di calore verso il basso) ℎ2 = 5,88 W/m2K ℎ3 = 25 W/m2K (considerando la velocità del vento inferiore a 4 m/s) Attenzione: se le strutture edilizie confinano con spazi chiusi considerare ℎ3 = ℎ2 Prof. Giuliano Dall’O’, ABC Dept. 27  Trasmittanza termica 𝑈 di una parete di un edificio multistrato (W/m2K) Resistenza Resistenza Resistenza di strati Resistenza Resistenza superficiale di strati non omogenei intercapedine superficiale interna omogenei esterna Trasmittanza 52 U 1 𝑠2 𝑠3 𝑠* 1 1 1 (W/m2K) 𝑈= + + +⋯ + + + ℎ- 𝜆2 𝜆3 𝜆* 𝐶 𝐶4 ℎ/ Spessore (m) 1 𝑠 1 1 Resistenza 𝑅= 𝑅= 𝜆 𝑅= 𝑅= termica ℎ 𝐶 𝐶𝑎 (m2K/W) Coefficiente Conduttività Conduttanza Conduttanza convettivo (W/mK) (W/m2K) dello strato (W/m2K) d'aria (W/m2K) Prof. Giuliano Dall’O’, ABC Dept. 28  Conduttanza termica di intercapedini d'aria Ca (W/m2K) Tipo di intercapedine Spessore 1 cm Spessore 2 – 10 cm Strato d'aria orizzontale (flusso di calore verso l'alto) 7,56 6,98 Strato d'aria verticale (flusso di calore orizzontale) 7,56 6,40 Strato d'aria orizzontale (flusso di calore 7,56 5,23 discendente) Prese d'aria insufflanti Intercapedine d’aria Isolamento termica (ad es. lana di vetro, EPS, ecc...), Prof. Giuliano Dall’O’, ABC Dept. 29  Conduttanza termica 𝐶 dei materiali da costruzione Conductance C Scheme Prof. Giuliano Dall’O’, ABC Dept. 30  Modulo per il calcolo della trasmittanza per le pareti opache TIPOLOGIA STRUTTURA Nome della struttura # Descrizione degli strati s 𝜆 C R (dall'interno all'esterno) (m) (W/mK) (W/m 2K) (m 2K/W) 1 Spessore dello strato (m) 2 Conduttività del materiale (W/mK) Strati 3 Conduttanza di materiali non omogenei 4 e di intercapedini d’aria (W/m2K) 5 Resistenza termica strato (m2K/W) 6 7 8 Resistenza termica liminare interna (1/hi) Resistenze termiche liminali interne ed esterne Resistenza termica liminare esterna (1/he) Resistenza termica complessiva R (m 2K/W) Resistenza termica totale (m2K/W) Trasmittanza termica U (W/m2K) Trasmittanza U (W/m2K) Schema della struttura 1 2 3 4 5 Spazio per disegnare lo schema 6 della struttura Prof. Giuliano Dall’O’, ABC Dept. 31  Trasmittanza di un serramento La procedura per il calcolo della trasmissione dell'unità di componenti dell'edificio trasparente è illustrata nell'UNI 10077-1 che considera vari tipi di vetri (semplici, stratificati, con pellicole di superficie, con cavità, ecc.) e fotogrammi. Il valore U di una finestra U_W fatta di telaio e vetro, è dato da: U del vetro U del telaio (W/m2K) (W/m2K) trasmissione lineare a causa di effetto termico combinato Area del vetro (W/mK) (m2) Area del telaio (m2) 𝐴6 𝐴6 𝐴1 𝐴6. 𝑈6 + 𝐴1. 𝑈1 + 𝑙6. 𝜓6 𝑈5 = 𝐴6 + 𝐴1 Distanziali lunghezza del ponte termica lineare 𝑙6 dei distanziati (m) Prof. Giuliano Dall’O’, ABC Dept. 32  Valori tipici per 𝑈1 , 𝑔7 e 𝑈6 𝑈1 tipici di telai per serramenti Materiale telaio 𝑈+ [W/m2K] Telaio in legno 1,6 Telaio in metallo 5,9 Telaio in PVC 1,7 Telaio in alluminio 5,5 Telaio in alluminio e legno 3,5 Telaio in alluminio con ponte termico 3,1 Ponte termico Valori tipici della trasmissione solare 𝑔7 e 𝑈6 per vetri Tipo di vetro 𝑔, 𝑈- [W/m2K] Vetratura singola 0,82 5,9 Vetri selettivi singoli 0,66 3,2 Doppia vetratura 0,70 3,3 Doppia vetratura selettiva 0,63 2 Vetratura tripla 0,60 1,8 Vetri selettivi tripli 0,54 1,4 Prof. Giuliano Dall’O’, ABC Dept. 33  Trasmittanza lineare 𝜓6 Valori di trasmissione lineare per distanziatori in metallo Distanziatori Materiale telaio Vetro doppio o triplo, con Doppia vetratura con bassa In metallo aria o gas emissività, triplo vetro con bassa 𝜓- [W/mK] emissività con aria o il gas gap 𝜓- [W/mK] Telaio in legno o telaio in PVC 0,06 0,08 Telaio in alluminio con ponte termico 0,08 0,11 Telaio metallico senza ponte termico 0,02 0,05 Valori di trasmittanza lineare per distanziatori in PVC Distanziatori Materiale telaio Vetro doppio o triplo, con Doppia vetratura con bassa In PVC aria o gas emissività, triplo vetro con bassa 𝜓- [W/mK] emissività con aria o il gas gap𝜓- [W/mK] Telaio in legno o telaio in PVC 0,05 0,06 Telaio in alluminio con ponte termico 0,06 0,08 Telaio metallico senza ponte termico 0,01 0,04 Prof. Giuliano Dall’O’, ABC Dept. 34  Ponti termici dell’involucro edilizio Ponte termico I ponti termici sono giunzioni in cui l'isolamento non è continuo e causa a causa della forma perdita di calore. Il problema principale per i montatori, ponti termici hanno un impatto sulla percentuale di perdita se la casa è ben isolata. Un ponte termico si verifica quando c'è uno spazio tra materiali e superfici strutturali. I principali ponti termali in un edificio si trovano agli incroci di fronti e pavimenti, fronti e pareti trasversali; fronti e tetti, fronti e piani bassi. Si verificano anche ogni volta che c'è un buco (porte, finestre, logge...). Si tratta di ponti termici strutturali. Questi ponti termici variano in importanza a seconda del tipo di parete o tetto (isolato o meno). Ponte termico a causa della struttura In un edificio che non è adeguatamente isolato, i ponti termici rappresentano basse perdite comparative (di solito inferiori al 20%) poiché le perdite totali attraverso le pareti e il tetto sono molto elevate (circa >1W/m2K). Pilastro Tuttavia, quando le pareti e il tetto sono molto ben isolati, la percentuale di perdite dovute a ponti termici diventa elevata (più del 30%) ma le perdite generali sono molto basse (meno di 0,3 W/m2K). Prof. Giuliano Dall’O’, ABC Dept. 35  Ponti termici dell’involucro edilizio Giunzione tra due pareti d'angolo soluzione sbagliata soluzione corretta soluzione corretta Parete isolante con pilastro wrong solution Giunzione tra parete interna e parete esterna Prof. Giuliano Dall’O’, ABC Dept. 36  Ponti termici dell’involucro edilizio Mensola sporgente soluzione sbagliata soluzione corretta soluzione corretta Parete di giunzione e finestra soluzione sbagliata soluzione corretta soluzione corretta Prof. Giuliano Dall’O’, ABC Dept. 37  Nomenclatura per la classificazione dei ponti termici R Tetti C Angoli IF Solette intermedie sulla facciata IW Pareti interne sulla facciata GF Solette a terra P Pilastri W Giunzioni parete-finestra Prof. Giuliano Dall’O’, ABC Dept. 38  Esempio di abaco per il calcolo dei ponti termici Wall Light Wall Insulation Slab/Pillar Prof. Giuliano Dall’O’, ABC Dept. 39  Esempi di ponti termici Connessione tra muro perimetrale e tetto Connessione tra muro e finestra Prof. Giuliano Dall’O’, ABC Dept. Pag. 40  Soluzioni per ponti termici Ponte termico Balcone Soletta Mensola finestra Ponte termico Strato isolante Soluzione per ponti termici balcone Soluzione per ponti termici finestra Prof. Giuliano Dall’O’, ABC Dept. Pag. 41  External Thermal insulation Composite System (ETICS) ETICS è l'abbreviazione di External Thermal Insulation Composite System. ETICS può essere utilizzato per migliorare l'efficienza energetica di edifici nuovi ed esistenti. È disponibile una gamma completa per soddisfare le varie esigenze della struttura e dell'architettura dell'edificio. La qualità e la durata di ETICS dipendono dall'attenta scelta dei componenti del sistema. Questa composizione è fatta da soggetti abilitati di sistema. Si preoccupano che i componenti si adattino perfettamente insieme. Ogni sistema inserito e venduto al mercato è 1. Adesivo accuratamente testato per quanto riguarda le sue 2. Materiale di isolamento termico caratteristiche essenziali. 3. Ancore Tutti i fornitori (fornitori di sistemi e/o rivenditori) sono 4. Cappotto di base obbligati a fornire ETICS completo. ETICS richiedono 5. Rinforzo, di solito maglia in fibra di vetro un'approvazione tecnica europea (ETA). 6. Strato di finitura: rivestimento con un cappotto chiave (opzionale) e/o un cappotto decorativo (opzionale) 7. Accessori, ad esempio perline d'angolo fabbricate, profili di connessione e spigoli, profili di giunto di espansione, profili di base, ecc. Prof. Giuliano Dall’O’, ABC Dept. 42  Facciata ventilata La facciata ventilata è un sistema di rivestimento delle pareti dell'edificio che lascia una camera ventilata tra il rivestimento e l'isolamento. 5 Con questo sistema è possibile ottenere un isolamento 2 continuo per l'esterno dell'edificio, proteggendo il foglio 4 interno e i bordi delle lastre. Nella camera ventilata, a 8 causa del riscaldamento dello strato d'aria dello spazio intermedio rispetto all'aria ambiente, viene prodotto il 6 cosiddetto "Effetto Stack" che genera una 1 ventilazione continua nella camera. 7 Si ottiene un'uscita dell'aria in modo appropriato mantenendo l'isolamento asciutto e ottenendo una 3 migliore prestazione dell'isolamento e un grande 1. Pannello di facciata esterna risparmio nel consumo energetico. La facciata ventilata, 2. Sottostruttura inoltre per avere un impatto sul risparmio di consumo 3. Ventilazione posteriore energetico dell'edificio, elimina le radiazioni dirette o il 4. Isolamento esterno della parete dietro il rivestimento maltempo su pareti o lastre proteggendole dalle 5. Base di ancoraggio patologie che colpiscono gli edifici costruiti con sistemi 6. Protezione dalle intemperie tradizionali. 7. diffusione 8. Circolazione termica Prof. Giuliano Dall’O’, ABC Dept. 43  La posizione dell'isolamento Sezioni verticali Prof. Giuliano Dall’O’, ABC Dept. Pag. 44  Posizione dello strato di isolamento termico Isolamento termico dall'esterno (B) (ETICS) La posizione dello strato isolante non influisce sulla trasmittanza Isolamento termico dall'interno(A) termica della parete (valore U) ma determina diversi valori della massa termica effettiva. Nessun isolamento termico La posizione dello strato isolante all'interno della parete (A) conferisce alla casa una bassa massa termica ma in compenso permette agli ambienti di riscaldarsi più rapidamente. Questa soluzione è ideale per gli edifici utilizzati in modo discontinuo. La posizione dello strato isolante all'esterno della parete (B), invece, conferisce all'edificio una maggiore massa termica ed è quindi una soluzione ottimale per gli edifici ad uso continuativo. Prof. Giuliano Dall’O’, ABC Dept. Pag. 45  La risposta dinamica degli edifici in un ambiente termico non stazionario e con variazioni casuali, il tracciamento dei flussi termici richiede metodi di calcolo sofisticati e lunghi, che sono praticabili solo se inclusi nei programmi di calcolo al computer. Tuttavia, esiste un sottoinsieme di regimi di flusso termico non stazionario, il flusso termico periodico, la cui analisi è relativamente semplice. Fortunatamente, la maggior parte delle variabili meteorologiche (come temperatura e radiazione solare) mostra una variazione regolare, con un ciclo ripetitivo di 24 ore. La discussione si riferisce all'analisi del flusso termico periodico. Il flusso termico periodico viene illustrato nel grafico su un periodo di 24 ore. La linea continua rappresenta il flusso termico attraverso una parete in muratura, mentre la linea tratteggiata rappresenta il flusso termico attraverso una parete con "massa zero" ma con lo stesso valore di U (trasmittanza termica). La curva tratteggiata rappresenta il risultato che si otterrebbe calcolando il flusso termico mediante un metodo stazionario per ogni ora, collegando i punti. Ritardo di tempo Il Fattore di decremento 𝜇 si calcola con l’equazione: Flusso di calore Flusso di calore istantaneo con reale 𝑠𝑄" capacità termica zero 𝜇= 𝑠𝑄 Flusso di calore (W/m2) Linea continua (flusso termico reale): rappresenta il flusso di calore Flusso di calore medio attraverso una parete reale, che ha capacità termica e quindi immagazzina e rilascia calore in modo ritardato rispetto alle variazioni esterne. Linea tratteggiata (flusso termico istantaneo): rappresenta il flusso di calore attraverso una parete con capacità termica zero, ovvero che non immagazzina calore, mostrando un comportamento immediato (o istantaneo) alle variazioni esterne. Ritardo di tempo: indica lo spostamento temporale tra il picco del flusso termico istantaneo e quello reale. Questo ritardo è dovuto alla capacità termica della parete reale. Ore Flusso di calore medio: rappresenta la media del flusso termico durante l'intero periodo di 24 ore. Prof. Giuliano Dall’O’, ABC Dept. Pag. 46  Attenuazione e sfasamento L'attenuazione e lo sfasamento sono due parametri chiave per descrivere l'inerzia termica di una parete, cioè la sua capacità di ritardare e smorzare le variazioni di temperatura esterne rispetto all'interno. 12:00 24:00 Attenuazione: è il rapporto tra l'ampiezza dell'onda termica all'esterno e quella all'interno di un edificio. In Sfasamento pratica, descrive la capacità della parete di ridurre l'escursione termica: più alta è l'attenuazione, minore sarà la differenza tra le temperature interne ed Tmax esterna esterne. Una buona attenuazione impedisce il passaggio rapido del calore, migliorando il comfort Attenuazione interno. Tmax interna Sfasamento: indica il ritardo temporale con cui l'onda termica esterna raggiunge l'interno. È espresso in ore ed è un parametro che riflette la Onda termica residua capacità della parete di ritardare l'effetto delle variazioni di temperatura. Uno sfasamento elevato significa che il calore prodotto dal sole durante il giorno raggiungerà l'interno solo molte ore dopo, ad Onda termica esempio la notte, quando è meno problematico. Parete Una buona attenuazione quindi riduce l'intensità delle variazioni termiche e un buon sfasamento ritarda l'effetto del caldo o del freddo, contribuendo al comfort termico di un edificio. Prof. Giuliano Dall’O’, ABC Dept. Pag. 47  Trasmittanza termica periodica La norma UNI EN ISO 13786:2018 “Prestazione termica dei componenti per edilizia - Caratteristiche termiche dinamiche - Metodi di calcolo” fornisce le modalità di calcolo per valutare diversi parametri caratterizzanti il comportamento estivo di una stratigrafia opaca. Trasmittanza termica periodica (Yie) Secondo la norma è definita come rapporto tra il flusso termico periodico che attraversa l’unità di superficie su un lato del componente e la sollecitazione termica periodica sull’altro lato nell’ipotesi che la temperatura ambiente sul primo lato sia costante. Rappresenta la capacità di una struttura opaca di sfasare e attenuare il flusso termico che la attraverso nell’arco delle 24 ore. È un parametro che ben sintetizza il comportamento resistivo e inerziale della stratigrafia ed è stato scelto dal legislatore per il controllo estivo delle stratigrafie colpite da un’irradianza solare maggiore di 290 W/m2. Il D.M. requisiti minimi (decreto 16 Giugno 2015) prevede che, tenendo fissi i limiti di trasmittanza termica (U) nelle varie zone climatiche e i valori di irradianza al suolo, si valutino parametri e prestazioni diverse L’unità di misura della trasmittanza periodica è la stessa per le pareti e le coperture che si trovano nelle aree con irradianza maggiore di 290 W/m² nel mese di massima insolazione, con l’esclusione della zona climatica F e degli edifici classificati nelle categorie E.6 della trasmittanza stazionaria, ovvero W/m2K. il ed E.8: comportamento di una struttura è tanto migliore per pareti verticali, ad eccezione di quelle orientate a Nord, Nord/Ovest, Nord/Est, il progettista può scegliere se adottare: quanto minore è la sua trasmittanza termica - strutture dotate di massa superficiale > 230 kg/m²; - strutture caratterizzate da un valore di trasmittanza termica periodica < 0.10 W/m²K. periodica. per pareti opache orizzontali ed inclinate il modulo della trasmittanza termica periodica deve essere < 0.18 W/m²K. Prof. Giuliano Dall’O’, ABC Dept. Pag. 48  Calcolo delle prestazioni energetiche di pareti con posizione differente isolante I fattori dinamici del le prestazioni termiche delle pareti si calcolano con dei software appositi che si basano sul modello presentato dalla UNI EN ISO 13786:2018. Sotto alcuni esempi di output. Esterno Interno Esterno Interno Prof. Giuliano Dall’O’, ABC Dept. Pag. 49  Trasmissione del calore per irraggiamento L'irraggiamento è un processo di trasmissione del calore che avviene tramite onde elettromagnetiche, senza necessità di un mezzo materiale. Questo tipo di trasferimento di energia può avvenire anche nel vuoto, come nel caso del calore proveniente dal sole che raggiunge la Terra. Ogni corpo a temperatura superiore allo zero assoluto emette energia sotto forma di radiazioni, soprattutto infrarosse. La quantità di calore irradiato dipende dalla temperatura del corpo e dalla sua emissività, ovvero la capacità di assorbire o emettere radiazione. Corpi più caldi emettono più energia rispetto a quelli più freddi, seguendo la legge di Stefan-Boltzmann. non richiede la presenza di un mezzo interposto (quindi avviene anche nel vuoto); avviene alla velocità della luce; tutti i corpi a temperatura superiore allo zero termico emettono radiazione termica. Prof. Giuliano Dall’O’, ABC Dept. 50  Distribuzione spettrale della radiazione solare L'immagine rappresenta la distribuzione spettrale della radiazione solare. Nella parte superiore, c'è uno spettro che mostra le diverse lunghezze d'onda della luce, che vanno dal violetto al rosso. Questo intervallo rappresenta la luce visibile, con il passaggio tra colori che include il violetto, l'azzurro, il verde, il giallo e il rosso. Sotto lo spettro visivo, è mostrato un grafico a forma di campana, che rappresenta la quantità di energia emessa dal sole in funzione della lunghezza d'onda. Il picco massimo si trova nella regione della luce visibile, intorno ai 500 nm, che corrisponde al colore giallo-verde. violetto azzurro verde giallo rosso La maggior parte dell'energia solare si concentra in questa parte dello spettro. luce solare visibile Sotto il grafico a campana, ci sono le varie regioni dello Energia emessa dal sole spettro elettromagnetico che si estendono oltre il visibile: raggi X, ultravioletto (a lunghezze d'onda più corte), infrarosso, e radioonde (a lunghezze d'onda più lunghe). Ogni sezione indica se l'atmosfera terrestre è opaca (cioè non trasparente) o meno Raggi X ultravioletto infrarosso radioonde per quelle lunghezze d'onda. L'atmosfera è opaca per i raggi X e parte degli infrarossi e delle radioonde. opaco opaco opaco Prof. Giuliano Dall’O’, ABC Dept. 51  Distribuzione spettrale della radiazione solare Distribuzione energetica della radiazione solare La distribuzione spettrale della radiazione solare descrive come 5-7 % 43-45 % 50-55 % l'energia irradiata dal sole si distribuisce tra le diverse Densità spettrale di potenza (W/m2 µm) lunghezze d'onda. Radiazione solare al di fuori dell’atmosfera Circa il 99% di questa energia si concentra tra l'ultravioletto, il visibile e l'infrarosso. La parte Spettro Corpo Nero a 5278 K più intensa della radiazione solare si trova nella regione della luce visibile (circa 400-700 nm), con un picco intorno a 500 nm, Radiazione solare al livello del mare corrispondente al colore giallo- verde. Il resto dell'energia si distribuisce tra gli ultravioletti (più Radiazione assorbita corti) e gli infrarossi (più lunghi), che insieme rappresentano una porzione significativa della radiazione totale emessa. Lunghezza d’onda (nm) Prof. Giuliano Dall’O’, ABC Dept. 52  Il concetto di visibile: comparazione tra uomo e alcuni animali Gamma del Percezione Qualità di visione Colori Percezione IR Qualità della vista Animale visibile Tipo di visione UV (700 nm) (messa a fuoco) (nm) nm) illuminazione Blu, verde, Visione completa, gamma visibile umana Buona, dettagli fino a Uomo 380–700 Tricromatica No No Limitata rosso standard 30–60 m Scimmie Blu, verde, Buona, dettagli simili (Vecchio 380–700 Tricromatica No No Simile agli esseri umani Buona rosso all'uomo Mondo) Scimmie Blu, verde Moderata, meno Dicrotica/Tricro Variabilità nella percezione dei colori, alcune (Nuovo 430–630 (rosso in No No Moderata dettagli rispetto matica specie dicrotiche Mondo) alcune specie) all'uomo Limitata a blu e giallo, non percepiscono rosso Limitata, dettagli fino Cani 429–555 Dicrotica Blu, giallo No No Eccellente o verde a6m Dicrotica Potrebbero percepire UV grazie al cristallino Limitata, dettagli fino Gatti 450–600 Blu, verde Possibile No Eccellente (possibile UV) trasparente a6m Infrarosso 8,000–12,000 Eccellente (calore Nessuna, usa Vipere Nessuna Nessuno No Percepiscono calore con organi termorecettori (calore) nm percepito) rilevazione del calore Tricromatica/U Blu, verde, Possibile Buona, adattata per Tartarughe 400–700 Sì Sensibilità UV e gamma visibile completa Buona V rosso (lievemente) visione subacquea Serpenti a Infrarosso 8,000–12,000 Percepiscono calore con fossette Eccellente (calore Nessuna, usa Nessuna Nessuno No sonagli (calore) nm termorecettive percepito) rilevazione del calore Blu, verde, Vista simile a quella umana, ottimizzata per Buona (adattata per Buona, adattata Coccodrilli 400–700 Tricromatica No No rosso l'acqua l'acqua) all'acqua Blu, verde, Vista estremamente acuta, può vedere piccoli Eccellente, può 300–700 Moderata (adattata al Aquila Tetracromatica rosso, Sì No dettagli da grandi distanze. Visione UV usata mettere a fuoco (incluso UV) giorno) ultravioletto per individuare tracce. dettagli a 1–2 km Limitata, Possibile Vista debole, compensata dall’eco- dipendenza Limitati, Blu e Eccellente, basata Limitata, vista adatta Pipistrelli 400–700 in alcune No localizzazione. Alcune specie possono dall'ecolocalizz verde sull’eco-localizzazione solo a brevi distanze specie percepire UV per navigazione o alimentazione. azione Prof. Giuliano Dall’O’, ABC Dept. 53  Irraggiamento La radiazione termica è la parte della spettro elettromagnetico che va da circa 0,1 a 100 µm. La radiazione termica include quindi l’intera radiazione visibile ed infrarossa (IR) e parte della radiazione ultravioletta (UV). Violetto: 0,40 - 0,44 µm Il colore di una superficie dipende dalla sua attitudine a Blu: 0,44 - 0,49 µm riflettere determinate lunghezze d’onda. Verde: 0,49 - 0,54 µm Giallo: 0,54 - 0,60 µm Ad esempio una superficie appare rossa se riflette radiazioni nel campo di lunghezze d’onda comprese tra Arancio: 0,60 - 0,63 µm Rosso: 0,63 - 0,76 µm 0,63 e 0,76 µm BIANCA: Superficie che riflette tutta la luce incidente NERA: Superficie che assorbe tutta la luce incidente Un corpo che emette radiazione nel campo visibile è detto SORGENTE DI LUCE. La radiazione solare è compresa quasi tutta nella banda di lunghezza compresa tra 0,1 e 3 µm, quindi è quasi per metà luce (visibile) e per la parte rimanente radiazione ultravioletta e infrarossa. Prof. Giuliano Dall’O’, ABC Dept. 54  Irraggiamento La potenza massima termica trasmessa per irraggiamento da una Corpo nero superficie a temperatura assoluta 𝑇( (K) è data dalla Un corpo nero è un oggetto ideale che LEGGE DI STEFAN BOLTZMANN: assorbe completamente tutta la radiazione elettromagnetica che 𝑄̇ 3,89: = 𝜎 + 𝐴 + 𝑇( - riceve, senza rifletterne o trasmetterne dove alcuna. Inoltre, emette radiazione con 𝐴 = area della superficie [m2] un'intensità e una distribuzione 𝜎 = costante di Stefan Boltzmann pari a 5,67 x 10 -8 [W/m2K4] (nel SI) spettrale che dipendono solo dalla sua temperatura, seguendo la legge di 𝑇. = temperatura della superficie [K] Planck. Il corpo nero è spesso utilizzato come modello teorico per La superficie ideale che trasmette tale potenza è detta CORPO studiare l'emissione termica di oggetti NERO. L'irraggiamento emesso da un corpo nero è detto radiazione reali. di un corpo nero. La potenza emessa per irraggiamento da una qualsiasi superficie reale è data dalla relazione: 𝑄̇ 3 = 𝜀 + 𝜎 + 𝐴 + 𝑇( - Dove ε è l’emissività della superficie il cui valore, compreso tra 0 e 1, è la misura di quanto il comportamento di una superficie si approssima a quella del corpo nero, per il quale ε =1 Prof. Giuliano Dall’O’, ABC Dept. 55  Irraggiamento 1,0 Contrariamente all’emissività, il coefficiente di 7 assorbimento di un materiale 𝛼 risulta praticamente indipendente dalla temperatura della 9 0,8 superficie, ma dipendente dalla temperatura della Coefficiente di assorbimento (𝛼) sorgente. 6 0,6 5 1. Piastrella bianca 2. Asbesto 3 3. Sughero 2 0,4 4. Legno 5. Porcellana 6. Calcestruzzo 4 𝛼 = 0,9 𝛼 = 0,6 7. Tegole 8. Alluminio 0,2 9. Grafite 8 1 0 300 400 600 1000 4000 6000 Temperatura della sorgente (K) Il coefficiente di assorbimento di un tetto in cemento di un edificio è circa 0,6 per la radiazione solare (5778 K) e 0,9 per radiazioni provenienti da alberi e edifici circostanti. Prof. Giuliano Dall’O’, ABC Dept. 56  Irraggiamento Confronto tra il coefficiente di assorbimento solare 𝛼= e l’emissività’𝜀 a temperatura ambiente 𝛼( 𝜀 Alluminio lucido 0,09 0,03 Alluminio anodizzato 0,14 0,84 Alluminio in foglio 0,15 0,05 Rame lucido 0,18 0,03 Rame anodizzato 0,65 0,75 Acciaio inox lucido 0,37 0,60 Acciaio inox opaco 0,50 0,21 Calcestruzzo 0,60 0,88 Marmo bianco 0,46 0,95 Laterizio rosso 0,63 0,93 Asfalto 0,90 0,90 Vernice nera 0,97 0,97 Vernice bianca 0,14 0,93 Neve 0,28 0,97 Pelle umana 0,62 0,97 Prof. Giuliano Dall’O’, ABC Dept. 57  Diagnosi termografica Prof. Giuliano Dall’O’, ABC Dept. 58  Trasmissione del calore attraverso una parete irraggiata In una parete opaca, il coefficiente di trasmissione della radiazione solare t =0. La trasmissione di calore attraverso una superficie irraggiata è diversa rispetto a quella di una parete non irraggiata. Bisogna tenere conto che la temperatura della superficie esterna della parete è superiore a causa dell’effetto dell’irraggiamento. Per tenere conto di questo, si è introdotto il concetto di TEMPERATURA FITTIZIA esterna, definita come: Il valore che dovrebbe assumere la temperatura esterna dell’aria per assicurare, senza radiazione solare, un flusso di calore pari a quello che si ha con una certa temperatura di parete ed una definita radiazione incidente. Posta la temperatura fittizia: 𝐼+𝛼 𝑡3; = 𝑡3 + ℎ3 con 𝐼 𝑡' = temperatura esterna (°C) 𝑈 𝐼 = flusso solare incidente (W/m2) 𝛼 𝛼 = coefficiente di assorbimento della parete 𝑡3 𝑡2 ℎ' = coefficiente convettivo esterno (W/m2 °C) 𝑡3; 𝑄̇ In regime permanente, si ha: 𝑄̇ = 𝑈 + 𝐴 + 𝑡2 − 𝑡3; ℎ3 Prof. Giuliano Dall’O’, ABC Dept. 59  Effetto serra L'effetto serra è un fenomeno naturale in cui l'atmosfera terrestre Calore riflesso Calore disperso nello trattiene parte del calore emesso dalla superficie, mantenendo il dall'atmosfera spazio pianeta a una temperatura adatta alla vita. Questo processo avviene grazie ai gas serra, come anidride carbonica (CO₂), metano (CH₄) e vapore acqueo, che assorbono e riemettono radiazione infrarossa. SPAZIO Calore intrappolato Problema: Riscaldamento globale ATMOSFERA dall'anidride carbonica L'aumento delle emissioni di gas serra dovuto alle attività umane (es. combustione di combustibili fossili, deforestazione) intensifica l'effetto Calore assorbito serra, causando il riscaldamento globale. Ciò comporta cambiamenti SUPERFICIE TERRESTRE dalla terra Calore rilasciato dalla terra climatici, scioglimento dei ghiacciai, innalzamento del livello del mare e eventi meteorologici estremi. Effetto serra atmosferico Opportunità: Applicazioni utili Serra solare: sfrutta il principio dell'effetto serra per creare microclimi controllati, favorendo la coltivazione di piante in ambienti non adatti. Collettore solare: utilizza materiali trasparenti per intrappolare calore e convertirlo in energia termica, riducendo la dipendenza da fonti energetiche fossili. L'effetto serra