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Flusso termico

Flusso termico: formule, unità di misura e calcolo

Tempo di lettura stimato: 5 minuti

Come e perché calcolare il flusso termico, la quantità di calore che si sposta da una regione a temperatura più elevata a una più bassa

Nel panorama dell’ingegneria termica e delle costruzioni, approfondire il concetto di flusso termico è utile al fine di migliorare la gestione dell’efficienza energetica degli edifici.

In questo articolo approfondiamo la definizione di flusso termico, i metodi per il suo calcolo con un software per il calcolo dei ponti termici, le unità di misura e le applicazioni pratiche, con particolare attenzione alle pareti con più strati posti in serie.

Flusso termico definizione

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.

Questa premessa è necessaria per introdurre il concetto di flusso termico che è strettamente connesso al fenomeno della conduzione.

Il flusso termico è definito come l’energia termica scambiata nell’intervallo di tempo. Questo meccanismo di scambio termico avviene in un mezzo solido, liquido o aeriforme, dalle regioni a temperatura maggiore verso quelle a temperatura minore. Nei gas e nei liquidi è dovuta alle collisioni tra le molecole durante il loro moto. Nei solidi, invece, alla vibrazione delle molecole all’interno del reticolo ed al trasporto di energia da parte degli elettroni liberi. La quantità di calore scambiata dipende dalla geometria e dalle caratteristiche del corpo così come dalla differenza di temperatura.

In parole semplici, il flusso termico rappresenta la quantità di calore che si sposta da una regione a temperatura più elevata a una a temperatura più bassa, secondo il fenomeno della conduzione.

Questi concetti sono cruciali per comprendere come il calore si diffonde e si disperde all’interno di un sistema. Inoltre, il flusso termico sta anche alla base del concetto di trasmittanza termica (U), definita proprio come il flusso di calore che attraversa in regime stazionario 1 m² di struttura per effetto della differenza di temperatura pari a 1 °C. L’unità di misura della trasmittanza termica è il W/m²K (Watt su metro quadrato per Kelvin) ed è l’inverso della resistenza termica.

Questo implica che il flusso termico è anche un elemento chiave da non trascurare per effettuare tutte le verifiche termiche sulle chiusure opache e trasparenti, verticali ed orizzontali, richieste dalla normativa vigente in materia.

Calcolo flusso termico

La formula per calcolare il flusso termico è la seguente:

Q/t = λ S [(T1-T2)/d]

dove:

  • Q è la quantità di calore scambiato;
  • t il tempo;
  • λ il coefficiente di conducibilità termica del materiale attraversato dal flusso termico;
  • S la superficie dell’elemento attraversato dal calore;
  • T1 la temperatura della faccia con temperatura maggiore del materiale attraversato dal calore;
  • T2 la temperatura della faccia con temperatura minore del materiale attraversato dal calore;
  • d lo spessore dell’elemento attraversato dal calore.

Inoltre, se dividiamo il flusso termico per la superficie, otteniamo il flusso termico areico (noto anche come  flusso termico specifico).

Q/t S = λ [(T1-T2)/d]

Questa formula è nota anche come legge di Fourier, che fu il primo scienziato a studiare la trasmissione di calore per conduzione.

Attualmente, valutare il flusso termico può essere molto più semplice con l’aiuto di un software per il calcolo dei ponti termici che include un solutore di calcolo TheBriNA (Thermal Bridges Numerical Analysis).

A partire dal semplice disegno ad oggetti, il solutore calcola in automatico:

  • la trasmittanza termica lineare di ponti termici;
  • il flusso termico;
  • il coefficiente di accoppiamento termico;
  • i ponti termici anche verso terreni o zone ad altra temperatura;
  • le curve di livello con scala cromatica delle isoterme e dell’isoterma critica.

In questo modo valuti facilmente anche il flusso termico di pareti e solai di qualsiasi materiale, forma e stratigrafia complessa e qualsiasi tipologia di ponte termico.

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Anche il fenomeno del ponte termico ha una stretta relazione con il flusso termico.

Infatti, il ponte termico comporta un aumento dei flussi termici e una variazione delle temperature superficiali interne, con conseguente incremento della dispersione di calore in corrispondenza di specifiche zone dell’edificio, caratterizzate da discontinuità di materiali o variazioni di forma (in pratica dove si verifica una variazione della resistenza termica).

Unità di misura flusso termico

Nel sistema internazionale, il flusso termico è misurato in Watt (pari anche a J/s).

Calcolo del flusso termico che attraversa una parete composta da più strati disposti in serie: esempio pratico

È molto frequente il caso di trasmissione di calore per conduzione in una parete piana composta da più strati di materiale diverso, ciascuno omogeneo ed isotropo, caratterizzati da spessori e conduttività diversi. Questa casistica abbraccia un po’ tutti gli involucri edilizi costituiti da uno strato esterno di intonaco, uno strato centrale di laterizio ed uno strato d’intonaco interno.

Il flusso termico attraversa perpendicolarmente, uno dopo l’altro, i diversi strati e può essere orientato dall’esterno all’interno o viceversa a seconda delle temperature. In estate quando la temperatura esterna supera quella interna, il flusso è diretto dall’esterno verso l’interno, mentre in inverno accade il contrario. In generale, come abbiamo già specificato, la direzione del flusso si muove sempre dalla faccia della parete con temperatura maggiore verso quella minore.

Avendo ipotizzato un regime di tipo stazionario, l’andamento delle temperature della parete costante nel tempo ed in assenza di generazione interna, la potenza termica che attraversa ogni superficie isoterma, parallela alle superfici limite della parete, è costante.
Indicando con λ’, λ’’, λ’’’ le conduttività termiche dei materiali di ciascuno strato della stratigrafia in esame e con d’, d’’ ed d’’’ gli spessori, applicando a ciascuno degli strati la formula di Fourier si può scrivere:

  • Qx = λ’ S [(T1-T2)/d’];
  • Qx = λ’’ S [(T1-T2)/d’’];
  • Qx = λ’’’ S [(T1-T2)/d’’’].

La Qx, per le ipotesi poste, è costante in ogni punto della parete e quindi in ciascuno dei tre strati. Ricavando ora da ognuna delle precedenti relazioni le differenze di temperatura e svolgendo i vari passaggi, si può asserire che la potenza termica Qx che attraversa una parete costituita da più strati disposti in serie può essere calcolata come segue:

Qx = S [(T1-T2)/(1/c’+1/c’’+1/c’’’)]

dove:

  • c’ = λ’/d’;
  • c’’= λ’’/d’’;
  • c’’’= λ’’’/d’’’.

In questo caso abbiamo ricavato la formula riferendoci ad una parete a tre strati. Ovviamente la stessa formula può essere utilizzata per stratigrafie più articolate, composte da un numero a scelta di strati. In questo caso si aggiungerà 1/c’’’’, 1/c’’’’ e così via, in base al numero di strati presenti nella parete.

Formula del flusso termico che attraversa una parete composta da più strati in parallelo

Nel caso in cui la parete sia composta da più strati in parallelo di materiali diversi, il flusso termico che attraversa la parete viene stimata come la somma delle potenze che attraversano i singoli strati:

Qx = Qx1 + Qx2 +Qx3

dove ciascuna è calcolata sempre con la legge di Fourier.

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