L'effetto di tiraggio termico, o effetto camino

Che cos'è il tiraggio termico ?

Il tiraggio termico, noto anche come effetto camino, è un fenomeno fisico che si verifica negli edifici quando l'aria calda all'interno, essendo meno densa dell'aria fredda esterna, tende a salire.

Questo movimento naturale dell'aria genera una corrente ascensionale negli spazi chiusi, creando un flusso d'aria che può essere utilizzato per la ventilazione naturale degli edifici. Il tiraggio termico si basa sui principi del galleggiamento, dove la differenza di temperatura tra l'aria interna e l'aria esterna genera una differenza di pressione. Questa differenza di pressione spinge l'aria calda a fuoriuscire dai punti alti dell'edificio, mentre l'aria fredda penetra dalle aperture situate più in basso.

L'efficacia del tiraggio termico dipende da diversi fattori, come l'altezza dell'edificio, la differenza di temperatura tra interno ed esterno, nonché la configurazione delle aperture di entrata e di uscita dell'aria. Questo fenomeno è particolarmente rilevante negli edifici di grande altezza, dove può comportare sfide significative in termini di comfort termico, di consumo energetico e persino di sicurezza. Comprendere e padroneggiare il tiraggio termico è quindi essenziale per ottimizzare la prestazione energetica degli edifici, ridurre le perdite di energia e garantire un ambiente interno confortevole e sano.

Effetto di tiraggio termico negli edifici di grande altezza

L'effetto camino

L'effetto di tiraggio termico è una sfida importante per i grattacieli, ma può essere anche un fattore non trascurabile per gli edifici a partire da due piani. La struttura agisce come un camino gigante, canalizzando efficacemente l'aria calda verso l'alto finché non finisce per lasciare completamente la struttura. Generalmente, questi fenomeni sono favoriti dai vani scala aperti che distribuiscono tutti i livelli di un edificio.

L'effetto camino si verifica quando la temperatura esterna è sensibilmente inferiore alla temperatura interna. L'aria fredda è più densa dell'aria calda : quando penetra nella struttura dal basso, sostituisce l'aria calda più in alto. Questo crea un flusso d'aria che aspira più aria fredda e intensifica le correnti d'aria. Più la struttura è alta, più questo flusso d'aria è forte. Per questo le porte girevoli sono state sviluppate poco dopo i primi grattacieli : la forza di aspirazione a livello del suolo era così forte in inverno che le persone faticavano ad aprire le porte ! Si ritrova ancora oggi questo fenomeno per gli ascensori, che a volte mettono in relazione le parti basse dell'edificio con le zone di copertura per la ventilazione del vano. Tuttavia, in presenza di vento, il tiraggio diventa tale che le porte dell'ascensore possono bloccarsi o che fischi importanti compaiono nelle bussole dei livelli bassi.

Il problema evidente è che l'aria interna trattata viene persa, sprecando quindi energia. Ma un altro fattore è che questo problema può aggravarsi con il tempo. Se il flusso d'aria è particolarmente forte, esercita una pressione sulle entrate d'aria parassite : le guarnizioni si crepano, comportando nuove vulnerabilità. Con una pressione sostenuta, questi spazi possono allargarsi ed estendersi, intensificando il flusso d'aria e accelerando la perdita di energia.

L'effetto camino funziona perché l'aria calda deve andare da qualche parte quando raggiunge il livello più alto dell'edificio. In molti casi, fuoriesce nel sottotetto attraverso soffitti crepati, difetti di tenuta a livello delle reti, corpi illuminanti incassati, o semplicemente attraverso una permeabilità all'aria troppo elevata del solaio del sottotetto. Una volta che l'aria calda è giunta all'ultimo livello, fuoriesce verso l'esterno attraverso la minima vulnerabilità che riesce a trovare.

Il piano di pressione neutra

Il piano di pressione neutra è un piano orizzontale immaginario in cui la pressione interna è uguale alla pressione atmosferica esterna. A questa quota, la differenza di pressione tra interno ed esterno è nulla : l'aria non entra né esce dall'edificio. Il punto di pressione neutra dipende dai sistemi HVAC dell'edificio, che mettono in pressione o in depressione a seconda della loro zona di distribuzione. Per il buon funzionamento del tiraggio termico, la posizione del piano di pressione neutra deve essere studiata in anticipo al fine di determinare la posizione delle entrate e uscite d'aria fin dalla progettazione. Le entrate d'aria devono essere posizionate sotto il piano di pressione neutra e le uscite sopra, come mostra lo schema qui sotto.

Infatti, sotto il piano di pressione neutra, la pressione interna è inferiore alla pressione esterna : l'aria entra nell'edificio. Sopra il piano di pressione neutra, è il contrario : la pressione interna è superiore alla pressione esterna e l'aria esce dall'edificio.

Stima del tiraggio termico in un edificio

Definizioni e formule

La ventilazione per galleggiamento sfrutta i principi di differenza di densità dell'aria per garantire un rinnovo efficace dell'aria in uno spazio chiuso. Questo metodo può essere realizzato in diversi modi, in particolare attraverso l'uso combinato di torri di raffreddamento e camini.

Le torri di raffreddamento, funzionando sul principio dell'evaporazione dell'acqua per raffreddare l'aria, forniscono aria fresca nella parte bassa dello spazio. Quando quest'aria fresca viene riscaldata dagli occupanti o da altre fonti interne, la sua densità diminuisce e diventa più leggera, favorendo la sua salita. Per mezzo di un camino, quest'aria calda e viziata viene evacuata verso l'esterno, creando una corrente d'aria che permette all'aria fresca di continuare a entrare dalle aperture inferiori per sostituirla.

La differenza di densità dell'aria dipende da fattori come la temperatura e l'umidità. In inverno, quando la differenza di temperatura tra interno ed esterno è massima, la ventilazione per effetto camino è particolarmente efficace. Tuttavia, in estate, questo metodo può non funzionare efficacemente, poiché richiede che l'interno sia più caldo dell'esterno — cosa generalmente indesiderabile durante i mesi caldi.

La ventilazione per galleggiamento, sfruttando le differenze di densità dell'aria dovute alla temperatura e all'umidità, può quindi essere un metodo efficace per garantire una ventilazione naturale e confortevole degli spazi interni, ma richiede un adattamento alle condizioni climatiche per essere pienamente efficace.

Un'espressione della portata d'aria ventilata per effetto camino può essere data da :

Si nota che la portata è positiva quando T_i > T_e : l'aria calda e viziata esce dall'edificio. In estate, quando T_i < T_e, la portata diventa negativa : l'aria calda entra nell'edificio, il che non è l'effetto ricercato. Il tiraggio termico non è quindi adatto in caso di forte calore esterno per edifici di tipo abitativo o uffici. Si può anche notare il caso in cui T_i e T_e sono dello stesso ordine di grandezza (mezza stagione) : la portata è allora quasi nulla e non c'è più ventilazione. Per questo, per edifici classici, il tiraggio termico non è adatto a tutte le stagioni.

Ordini di grandezza

Se si prende il caso di un edificio abitativo in inverno con un camino di 15 m di altezza, la temperatura interna (T_i) è in media di 20 °C e la temperatura esterna (T_e) di 0 °C. Il coefficiente di efflusso si assume circa pari a 0,65 e la superficie (S) del camino è di 0,1 m². Facendo l'applicazione numerica, l'ordine di grandezza della portata d'aria ventilata per tiraggio termico è : Q = 0,34 m³/s, ossia circa 1200 m³/h. Un camino di questo tipo permette di ventilare correttamente (portata di 5 Vol/h) uno spazio di 100 m². Questi valori sono validi solo nella situazione evocata in precedenza.

Il coefficiente di efflusso

Il coefficiente di efflusso è un parametro utilizzato per descrivere la prestazione di un camino o di un condotto nel contesto del tiraggio termico. Rappresenta la frazione della portata massica teorica d'aria effettivamente aspirata attraverso il condotto a causa dell'effetto di tiraggio termico.

Il coefficiente di efflusso dipende da diversi fattori : la geometria del camino, la rugosità delle sue pareti, la temperatura dell'aria all'interno del condotto, la differenza di temperatura tra interno ed esterno, nonché altre variabili ambientali.

Per calcolarlo, si possono utilizzare modelli empirici basati su esperimenti e osservazioni, oppure simulazioni numeriche che tengono conto delle diverse variabili influenti. Questi modelli o simulazioni permettono di determinare il coefficiente di efflusso per una configurazione specifica di camino in date condizioni.

In generale, il coefficiente di efflusso è espresso come un valore compreso tra 0 e 1, dove 1 rappresenta un tiraggio ottimale (tutta l'aria teoricamente disponibile è effettivamente aspirata). Un valore inferiore a 1 indica perdite o inefficienze nel processo di tiraggio.

L'apporto della simulazione CFD

La simulazione CFD (Computational Fluid Dynamics) offre un vantaggio indubbio nella determinazione dei coefficienti di efflusso del tiraggio termico. Permette una stima precisa e più accessibile rispetto ai metodi sperimentali tradizionali. Grazie alla CFD, è possibile analizzare virtualmente il comportamento dei flussi d'aria in un sistema di tiraggio termico, offrendo una comprensione approfondita dei fenomeni di convezione e di turbolenza.

Inoltre, questo approccio offre una grande flessibilità nella modifica e nell'ottimizzazione del progetto, poiché interviene in una fase precoce della progettazione — evitando così i costi e i vincoli delle modifiche in fase di realizzazione. La simulazione CFD tiene direttamente conto degli effetti di perdita di carico : grazie alla formula teorica senza perdite (C_d = 1), si può risalire al coefficiente di efflusso del sistema studiato.

In sintesi, la simulazione CFD rappresenta uno strumento essenziale per una progettazione efficace e ottimizzata dei sistemi di tiraggio termico.

Il tiraggio termico nell'industria

Le sfide

In ambiente industriale, il fenomeno del tiraggio termico riveste un'importanza cruciale. Spesso generato da apparecchiature come forni o macchinari, il calore da evacuare è caratterizzato da temperature molto elevate. Queste condizioni termiche richiedono una gestione efficace, poiché possono comportare un accumulo di calore all'interno degli impianti industriali.

Inoltre, è frequente che la temperatura dell'aria da evacuare sia nettamente superiore a quella dell'aria esterna, anche in estate : il tiraggio termico funziona allora anche durante episodi di forte calore. Questo sfasamento termico aggrava le sfide legate al controllo della temperatura e alla ventilazione, richiedendo soluzioni specifiche per mantenere condizioni di lavoro ottimali e garantire la sicurezza delle operazioni industriali.

Simulazione CFD

Si presenta nelle due immagini qui sotto una simulazione numerica realizzata per la ventilazione di un'industria, per la quale è stato necessario realizzare un dimensionamento di aeratori statici.

Il dimensionamento delle aperture di ventilazione naturale è fortemente influenzato dal concetto di pressione neutra. Quest'ultimo designa un livello cruciale in cui la pressione interna di uno spazio equivale alla pressione atmosferica esterna, formando un piano orizzontale fittizio. A questo livello, gli orifizi di entrata d'aria sono poco efficaci ; al di sopra, la pressione interna supera quella esterna, rendendo essenziale il posizionamento delle bocchette di uscita d'aria in questo punto. Al contrario, le aperture di entrata d'aria sono sempre poste al di sotto del piano neutro, poiché generano una zona di depressione. In fase di progettazione, è fondamentale determinare con precisione l'altezza del piano neutro e ripartire giudiziosamente la differenza di pressione disponibile tra le bocchette di entrata e di uscita, tenendo conto delle perdite di portata. A seconda delle stagioni, la posizione del piano neutro non è la stessa, come attesta lo schema qui sotto.

Quando la temperatura esterna è molto inferiore alla temperatura interna (inverno), il piano di pressione neutra è situato più in alto in quota. Al contrario, in estate, quando gli scarti di temperatura sono meno importanti — ma sempre con una temperatura interna più elevata — il piano di pressione neutra è situato più in basso. Per questo, affinché il tiraggio termico funzioni in ogni stagione, le entrate d'aria devono essere situate al di sotto della posizione minima del piano di pressione neutra, e le uscite d'aria al di sopra della sua posizione massima.

Bilancio

EOLIOS è quindi in grado di apportare soluzioni nel campo del dimensionamento dei camini, nonché delle aperture e delle simulazioni numeriche sul tiraggio termico. La sua competenza e il suo know-how permettono di offrire servizi e strumenti di modellazione precisi e affidabili, per rispondere alle esigenze delle industrie attente all'efficienza energetica e alla sicurezza dei loro impianti.