Certificazione energetica

Coefficiente di scambio termico: come si calcola?

Il coefficiente di scambio termico misura la capacità di un conduttore termico ad essere percorso dal calore. Ecco come si calcola e la normativa di riferimento

Lo scambio termico, definito anche trasmissione del calore, rappresenta la trasmissione spontanea dell’energia termica da un sistema termodinamico ad un altro, generata dalla differenza di temperatura tra i due.

Il trasporto di energia termica (calore) si realizza con una delle seguenti modalità, o con una combinazione delle medesime:

  • conduzione: avviene all’interno di un corpo solido o fluido in stato di quiete, quando si ha una differenza di temperatura. Il calore passa dalle zone a temperatura maggiore a quelle a temperatura minore. Dal punto di vista microscopico la conduzione si realizza attraverso il trasferimento di energia cinetica, mediante urti intermolecolari, da una particella all’altra del solido. Per i mezzi solidi è la sola modalità di trasferimento. Per i mezzi fluidi (stato liquido e gassoso) si realizza quando il fluido è privo di correnti, altrimenti si accompagna alla convezione e all’irraggiamento;
  • convezione: avviene per mescolamento di due masse fluide a temperatura diversa. La convezione si realizza all’interno dei fluidi (liquidi e gas). Il movimento delle particelle del fluido è determinato dalla differenza di densità che è prodotta dalla differenza di temperatura;
  • irraggiamento: ogni corpo solido, liquido o gassoso, emette energia sotto forma di onde elettromagnetiche, in ogni direzione dello spazio. Le onde incidono sugli altri corpi e vengono in parte riflesse, in parte trasmesse e nella rimanente parte assorbite e trasformate in calore. Due corpi distanti, a differente temperatura si scambiano mutuamente energia radiante: il corpo “caldo” emette più energia di quanta ne assorbe, funzionando da radiatore, viceversa avviene per il corpo “freddo” che funziona da assorbitore.

In fisica esistono varie leggi che regolamentano gli scambi termici ed esistono vari parametri utilizzati per delinearne il comportamento, come il coefficiente di scambio termico.

Scopriamo insieme cos’è, come si calcola e come può esserti di grande aiuto un software di certificazione energetica per verificarne i limiti normativi.

Cos’è il coefficiente di scambio termico?

Il coefficiente di scambio termico H è la costante di proporzionalità che lega il flusso di calore (Q) e la forza motrice termodinamica di tale flusso (ovvero la differenza di temperatura ΔT). È indicato genericamente con la lettera “h” e la sua unità di misura è W/m2 K.

La formula generica che definisce h è:

h= q  ⁄ ΔT = Q  ⁄ A · ΔT · Δt

in cui:

  • q è il flusso di calore scambiato, ovvero l’energia termica scambiata definita come il calore scambiato nell’unità di tempo e di superficie ([J/m2 s]);
  • Q è il calore scambiato, ([J]);
  • A è la superficie di scambio termico ([m2]);
  • ΔT è la differenza di temperatura, [K]);
  • Δt è l’intervallo di tempo [s]).

Il coefficiente di scambio termico può essere anche visto come il reciproco della resistenza termica, ovvero quella grandezza che definisce la capacità di un materiale di opporre resistenza al flusso di calore.

Esistono numerosi metodi per calcolare il coefficiente di scambio termico in base alla modalità di trasferimento di calore, del tipo di fluido, dei regimi di flusso e in diverse condizioni termoidrauliche. Visto la complessità dei calcoli per alcune casistiche si ricorre a valutazioni di carattere sperimentale che pongono non poche sfide, soprattutto quando si devono misurare piccoli flussi di calore.

Schema dispersioni di calore in una casa

Cos’è il coefficiente di scambio termico globale?

Il coefficiente di scambio termico ha un’importanza pratica significativa in diversi campi. Ad esempio, nel contesto legislativo italiano, in base a quanto previsto dal D.M. 26/06/2015, bisogna effettuare una verifica del parametro coefficiente medio globale di scambio termico negli interventi di ristrutturazione importanti di primo e secondo livello e nelle nuove costruzioni.

La procedura per determinare il coefficiente globale di scambio termico è definita all’interno del parco normativo italiano e tiene conto di tutti gli apporti di scambio termico per trasmissione/ventilazione che avvengono per ogni zona dell’edificio e per ogni mese.

Come si calcola il coefficiente di scambio termico globale?

Lo scambio termico totale del fabbricato QH,ht si compone di due aliquote:

  • lo scambio termico globale per trasmissione QH,tr;
  • lo scambio termico globale per ventilazione QH,ve.

Per calcolare dunque il coefficiente di scambio termico globale all’interno di un fabbricato è necessario conoscere due aliquote:

  • Htr,adj il coefficiente di scambio termico globale per trasmissione della zona considerata;
  • Hve,adj il coefficiente di scambio termico globale per ventilazione della zona considerata.

A queste in realtà si aggiunge anche una terza aliquota, ovvero l’extra-flusso della radiazione infrarossa Fr,k Φr,mn,k.

Analizziamoli nel dettaglio.

Coefficiente di scambio termico globale per trasmissione

Si indica con Htr,adj il coefficiente globale di scambio termico per trasmissione della zona considerata, corretto per tenere conto della differenza di temperatura interno-esterno, e si misura in W/K.

Esso tiene conto delle dispersioni:

  • verso l’esterno;
  • verso il terreno;
  • verso gli ambienti non riscaldati;
  • verso ambienti climatizzati a diversa temperatura.

Si ricava come:

Htr,adj = HD + Hg + HU + HA

dove:

  • HD è il coefficiente di scambio termico diretto per trasmissione verso l’ambiente esterno;
  • Hg è il coefficiente di scambio termico stazionario per trasmissione verso il terreno;
  • HU è il coefficiente di scambio termico per trasmissione attraverso gli ambienti non climatizzati;
  • HA è il coefficiente di scambio termico per trasmissione verso altre zone (interne o meno all’edificio) climatizzate a differente temperatura.

Normativa di riferimento

Per calcolare i coefficienti  di scambio termico per trasmissione si utilizzano:

  • le UNI EN ISO 13789 “Prestazione termica degli edifici – Coefficiente di perdita di calore per trasmissione – Metodo di calcolo”;
  • la UNI EN ISO 13370 “Prestazione termica degli edifici – Trasferimento di calore attraverso il terreno – Metodi di calcolo”;
  • la UNI EN ISO 10077 “Prestazione termica di finestre, porte e chiusure oscuranti – Calcolo della trasmittanza termica”;
  • la UNI EN ISO 14683 “Ponti termici in edilizia – Coefficiente di trasmissione termica lineica – Metodi semplificati e valori di riferimento”;
  • la UNI EN ISO 13786 “Prestazione termica dei componenti per edilizia – Caratteristiche termiche dinamiche – Metodi di calcolo”.

Risulta utile sottolineare che, per poter determinare i diversi coefficienti sono necessarie informazioni sui componenti dell’involucro, in assenza di dati di progetto concreti, è possibile acquisire i valori dei parametri termici dei componenti edilizi di edifici esistenti in funzione della tipologia edilizia e del periodo di costruzione secondo abachi di riferimento racchiusi nella UNI/TR 11552.

Coefficiente di scambio termico globale per ventilazione

Si indica con Hve,adj il coefficiente globale di scambio termico per ventilazione della zona considerata, corretto per tenere conto della differenza di temperatura interno-esterno, e si misura in W/K.

Si ricava come:

Hve,adj = ρa · ca · (∑k bve,k · qve,k,mn)

dove:

  • ρa · ca è la capacità termica volumica dell’aria, pari a 1200 J/(m³K);
  • qve,k,mn è la portata mediata sul tempo del flusso d’aria k-esimo;
  • bve,k è il fattore di correzione della temperatura per il flusso d’aria k-esimo (bve,k ≠ 1 se la temperatura di mandata non è uguale alla temperatura dell’ambiente esterno, come nel caso di pre-riscaldamento, pre-raffrescamento o di recupero termico dell’aria di ventilazione).

Per calcolare la portata mediata sul tempo del flusso di aria k-esimo si procede con la seguente formula:

qve,k,mn = ƒve,t,k · qve,k

dove:

  • qve,k è la portata sul tempo del flusso d’aria k –esimo;
  • ƒve,t,k è la frazione di tempo in cui si verifica il flusso d’aria k-esimo (per una situazione permanente fve,t,k = 1).

Extra flusso termico per radiazione infrarossa verso la volta celeste

Secondo la UNI/TS 11300-1 l’extra flusso termico dovuto alla radiazione infrarossa verso la volta celeste viene considerato come un incremento dello scambio termico per trasmissione, e va quindi a sommarsi al parametro QH,ht. L’incremento della dispersione dovuto alla radiazione infrarossa verso la volta celeste è valutato come:

(∑kFr,k · Φ r,mn,k)

dove:

  • Fr,k è il fattore di forma tra il componente edilizio k -esimo e la volta celeste;
  • Φ r,mn,k è l’extra flusso termico dovuto alla radiazione infrarossa verso la volta celeste dal componente edilizio k -esimo, mediato sul tempo.

In particolare il calcolo di Fr,k  e Φ r,mn,k  è effettuato secondo quanto riportato nella UNI EN ISO 13790:2008 e secondo le indicazioni contenute nella UNI/TS 11300-1:

Con particolare riferimento al parametro Fr,k  questo può essere valutato come:

Fr,k = Fsh,ob,diƒ · ( 1 + cosS) ⁄ 2

Con:

  • Fsh,ob,diƒ che è il fattore di riduzione per ombreggiatura relativo alla sola radiazione diffusa, pari a 1 in assenza di ombreggiature da elementi esterni;
  • S che è l’angolo di inclinazione del componente sull’orizzonte (S=0° per coperture orizzontali, S=90° per pareti verticali).

Come si verifica il coefficiente di scambio termico globale?

Il coefficiente medio globale di scambio termico svolge un ruolo fondamentale nell’edilizia, in particolare nella valutazione delle prestazioni energetiche degli edifici e nella progettazione di sistemi di riscaldamento e raffreddamento efficienti.

Nell’ambito di interventi di nuova costruzione o delle ristrutturazioni importanti di primo e secondo livello, il D.M. 26/06/2015 richiede di valutare l’incidenza del coefficiente medio globale di scambio termico per trasmissione. Questo parametro tiene conto di tutti i meccanismi di trasferimento di calore attraverso l’involucro edilizio, come conduzione, convezione e radiazione, e fornisce una misura complessiva dell’efficienza termica dell’edificio.

Durante lo sviluppo di una progettazione energetica su un edificio esistente o di nuova costruzione, calcolato il coefficiente medio globale di scambio termico dell’edificio sarà necessario confrontare il valore ottenuto con il pertinente valore limite massimo ammissibile di cui alla Tabella 10, Appendice A del Decreto 26 giugno 2015 ‘requisiti minimi’.

Con un software di certificazione energetica, in continuo aggiornamento normativo, il tuo lavoro sarà semplificato perché basterà modellare l’edificio reale ed esso calcolerà per tutto l’involucro il coefficiente medio globale di scambio termico, lanciando di seguito le verifiche rispetto al limite normativo e consentendoti di ottimizzare le prestazioni energetiche in conformità con le normative vigenti.

Coefficiente di scambio termico | TerMus-BIM

 

 

 

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Pubblicato da Redazione Tecnica

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