Effetto di corrente d’aria termica
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Definizione
Il tiraggio termico, noto anche comeeffetto camino, è un fenomeno fisico che si verifica negli edifici quando l’aria calda all’interno, essendo meno densa dell’aria fredda all’esterno, 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 sul principio del galleggiamento: la differenza di temperatura tra l’aria interna e quella esterna crea una differenza di pressione.
Questa differenza di pressione fa sì che l’aria calda fuoriesca dai punti alti dell’edificio, mentre l’aria fredda entra dalle aperture più basse.
L’efficacia del tiraggio termico dipende da una serie di fattori, come l’altezza dell’edificio, la differenza di temperatura tra interno ed esterno e la configurazione delle aperture di ingresso e uscita dell’aria.
Questo fenomeno è particolarmente rilevante nei grattacieli, dove può rappresentare una sfida significativa in termini di comfort termico, consumo energetico e persino sicurezza. Comprendere e controllare il tiraggio termico è quindi essenziale per ottimizzare le prestazioni energetiche degli edifici, ridurre le perdite di energia e garantire un ambiente interno confortevole e sano.
Effetto termico di correnti d'aria nei grattacieli
Effetto camino
L’effetto di trascinamento termico è una sfida importante per i grattacieli, ma può essere un fattore significativo anche per gli edifici di due o più piani.
La struttura agisce come una gigantesca ciminiera, incanalando di fatto l’aria calda verso l’alto fino a farla uscire del tutto dalla struttura.
Questi fenomeni sono generalmente favoriti dalle scale aperte che distribuiscono tutti i livelli di un edificio.
L’effetto camino si verifica quando la temperatura esterna è significativamente più bassa di quella interna.
L’aria fredda è più densa di quella calda, quindi quando l’aria fredda entra nella struttura dal basso, sostituisce l’aria calda in alto.
Questo crea un flusso d’aria che attira altra aria fredda e intensifica le correnti d’aria. Più alta è la struttura, più forte è il flusso d’aria. Ecco perché 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 avevano difficoltà ad aprire le porte!
Questo fenomeno è presente ancora oggi negli ascensori, che a volte collegano le parti inferiori dell’edificio con le aree del tetto per ventilare la tramoggia.
Tuttavia, in presenza di vento (vedi effetto ventosa combinato con il vento), la corrente d’aria diventa così forte da bloccare le porte dell’ascensore o da provocare un fischio significativo nelle camere d’aria dei livelli inferiori.
Il problema più ovvio è che l’aria interna trattata viene dispersa, con conseguente spreco di energia.
Ma un altro fattore è che questo problema può peggiorare nel tempo.
Se il flusso d’aria è particolarmente intenso, esercita una pressione sulle sottili prese d’aria parassite, causando la rottura delle giunzioni e creando nuove vulnerabilità. Con una pressione prolungata, queste fessure possono allargarsi ed espandersi, 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, l’aria calda fuoriesce dal sottotetto a causa di soffitti fessurati, tubature che perdono, lampade a incasso o semplicemente per la troppa permeabilità all’aria del pavimento del sottotetto.
Una volta che l’aria calda raggiunge il livello più alto, sfugge all’esterno attraverso ogni piccola vulnerabilità che riesce a trovare.
Piano di pressione neutro
Il piano di pressione neutro è un piano orizzontale immaginario in cui la pressione interna è uguale alla pressione atmosferica esterna. A questa altitudine, la differenza di pressione tra interno ed esterno è pari a zero e l’aria non entra né esce dall’edificio.
Il punto di pressione neutra dipende dai sistemi HVAC dell’edificio, che applicano una pressione o una pressione negativa a seconda della loro zona di distribuzione nell’edificio.
Affinché il tiraggio termico funzioni correttamente in un edificio, la posizione del piano di pressione neutra deve essere studiata in anticipo per determinare la posizione delle entrate e delle uscite dell’aria durante la fase di progettazione.
Le entrate dell’aria devono essere posizionate al di sotto del piano di pressione neutra e le uscite dell ‘aria al di sopra di esso, come mostrato nel diagramma seguente.
Al di sopra del piano di pressione neutra, è vero il contrario: la pressione interna è superiore a quella esterna e l’aria esce dall’ edificio.
Stima del tiraggio termico di un edificio
Definizioni e formule
La ventilazione a galleggiamento sfrutta i principi della differenza di densità dell’aria per garantire un efficiente ricambio d’aria in uno spazio chiuso.
Questo metodo può essere implementato in diversi modi, tra cui l’uso combinato di torri di raffreddamento e camini.
Le torri di raffreddamento, che funzionano secondo il principio dell’evaporazione dell’acqua per raffreddare l’aria, fornisconoaria fresca nella parte inferiore dello spazio.
Quando quest’aria fresca viene riscaldata dagli occupanti o da altre fonti interne, la sua densità diminuisce e diventa più leggera, facilitando la risalita.
Utilizzando un camino, l’aria calda e viziata viene espulsa verso l’esterno, creando una corrente d’aria che permette all’aria fresca di continuare a entrare attraverso le 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 maggiore, la ventilazione a camino è particolarmente efficace.
Tuttavia, in estate questo metodo potrebbe non funzionare in modo efficace perché richiede che l’interno sia più caldo dell’esterno, il che è generalmente indesiderabile durante i mesi caldi.
La ventilazione a 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 per essere pienamente efficace deve essere adattata alle condizioni climatiche.
Un’espressione per il flusso d’aria ventilato dall’effetto camino può essere data da :
Con :
- D: il flusso d’aria ventilato dal tiraggio termico
- C_d: il coefficiente di scarico
- S: area della sezione trasversale del camino (m²)
- g:accelerazione dovuta alla gravità
- h: l’altezza del camino (in m)
- T_i: temperatura interna (in K)
- T_e: temperatura esterna (in K)
> Si può notare che la portata è positiva quando T_i T_e : l’aria calda e viziata lascia l’edificio.
< In estate, quando T_i T_e , la portata diventa negativa e l’aria calda entra nell’edificio, il che non è l’effetto desiderato.
Il tiraggio termico non è quindi adatto a edifici di tipo residenziale o uffici in cui la temperatura esterna è molto alta.
Esiste anche il caso in cui T_i e T_e sono dello stesso ordine di grandezza (mezza stagione): in questo caso il flusso d’aria è quasi nullo e non c’è ventilazione.
Ecco perché, per gli edifici convenzionali, il tiraggio termico non è adatto a tutte le stagioni dell’anno.
Ma presenteremo le situazioni in cui la ventilazione a tiraggio termico funziona sempre.
Ordini di grandezza
Se prendiamo il caso di un edificio residenziale in inverno con un camino alto 15 m, la temperatura interna (T_i) è in media di 20°C e la temperatura esterna (T_e) è di 0°C.
Il coefficiente di scarico è considerato approssimativamente pari a 0,65 e la superficie (S) del camino è di 0,1 m².
Per applicazione numerica, l’ordine di grandezza del flusso d’aria ventilato dal tiraggio termico è: Q = 0,34 m³/s, ovvero circa 1200 m³/h. [Ces valeurs ne sont valables que dans la situation évoquée précédemment]Un camino di questo tipo fornirà una ventilazione adeguata (portata di 5 Vol/h) per una superficie di 100 m².
Coefficiente di scarico
Il coefficiente di scarico è un parametro utilizzato per descrivere le prestazioni di un camino o di un condotto nel contesto del tiraggio termico.
Rappresenta la frazione del flusso teorico di massa d’aria che viene effettivamente aspirata attraverso il condotto a causa dell’effetto del tiraggio termico.
Il coefficiente di scarico dipende da una serie di fattori, tra cui la geometria del camino, la rugosità delle sue pareti, la temperatura dell’aria all’interno della canna fumaria, la differenza di temperatura tra l’interno e l’esterno del camino e altre variabili ambientali.
Per calcolare il coefficiente di scarico, si possono utilizzare modelli empirici basati su esperimenti e osservazioni, oppure simulazioni numeriche che tengono conto delle varie variabili influenti.
Questi modelli o simulazioni possono essere utilizzati per determinare il coefficiente di scarico per una specifica configurazione del camino in determinate condizioni.
In generale, il coefficiente di sgravio è espresso da un valore compreso tra 0 e 1, dove 1 rappresenta il tiraggio ottimale, ovvero tutta l’aria teoricamente disponibile viene effettivamente aspirata attraverso il camino.
Un valore inferiore a 1 indica perdite o inefficienze nel processo di tiraggio.
Simulazione CFD
La simulazione CFD (Computational Fluid Dynamics) offre un innegabile vantaggio nella determinazione dei coefficienti di scarico termico.
Fornisce una stima più accurata e accessibile rispetto ai metodi sperimentali tradizionali.
Grazie alla CFD, è possibileanalizzare virtualmente il comportamento dei flussi d’aria in un sistema di tiraggio termico, fornendo una comprensione approfondita dei fenomeni di convezione e turbolenza.
Inoltre, questo approccio consente una grande flessibilità nella modifica e nell’ottimizzazione del progetto, poiché viene utilizzato in una fase iniziale della progettazione, evitando così i costi e i vincoli associati alle modifiche durante la fase di costruzione.
La simulazione CFD tiene conto direttamente degli effetti delle perdite di pressione.
Utilizzando la formula teorica senza perdite (C_d=1), è possibile determinare il coefficiente di scarico del sistema in esame.
In breve, la simulazione CFD è uno strumento essenziale per una progettazione efficiente e ottimizzata dei sistemi di tiraggio termico.
Estrazione termica nell'industria
I problemi
Negli ambienti industriali, il fenomeno del tiraggio termico è di fondamentale importanza.
Spesso generato da apparecchiature come forni o macchine, il calore da evacuare è caratterizzato da temperature molto elevate.
Queste condizioni termiche richiedono una gestione efficace, poiché possono portare a un accumulo di calore all’interno degli impianti industriali.
Inoltre, la temperatura dell’aria da espellere è spesso molto più alta di quella dell’aria esterna, anche in estate, per cui la corrente termica funziona anche durante i periodi più caldi.
Va notato che questo disallineamento termico aggrava le sfide associate 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
Le due immagini sottostanti mostrano una simulazione numerica effettuata per la ventilazione di un impianto industriale, per ilquale è stato necessario dimensionare degli aeratori statici.
Il dimensionamento delle aperture di ventilazione naturale è fortemente influenzato dal concetto di pressione neutra.
Si tratta di un livello cruciale in cui la pressione interna di uno spazio è uguale alla pressione atmosferica esterna, formando un piano orizzontale fittizio.
A questo livello, le prese d’aria non sono molto efficaci, mentre al di sopra di questo livello la pressione interna supera quella esterna, rendendo essenziale posizionare le prese d’aria in questo punto.
D’altra parte, le aperture di ingresso dell’aria sono sempre posizionate al di sotto del piano neutro, in quanto generano una zona di pressione negativa in questo punto.
Quando si progetta un sistema di ventilazione naturale, è fondamentale determinare con precisione l’altezza del piano neutro e distribuire con criterio la differenza di pressione disponibile tra le bocchette di ingresso e di uscita dell’aria, tenendo conto delle perdite di flusso. La posizione del piano neutro varia a seconda della stagione, come mostrato nel diagramma seguente.
Quando la temperatura esterna è molto più bassa di quella interna (inverno), il piano di pressione neutro si trova più in alto.
Al contrario, in estate, quando le differenze di temperatura sono minori ma la temperatura interna è ancora più alta, il piano di pressione neutro si trova più in basso.
Per questo motivo, affinché il tiraggio termico funzioni in tutte le stagioni, le entrate dell’aria devono essere situate al di sotto della posizione minima del piano di pressione neutra e le uscite dell’aria al di sopra della posizione massima del piano di pressione neutra.
Bilancio
Eolios è quindi in grado di fornire soluzioni nel campo del dimensionamento di camini, aperture e simulazioni numeriche del tiraggio termico.
La sua esperienza e il suo know-how le permettono di offrire strumenti e servizi di modellazione accurati e affidabili per soddisfare le esigenze delle industrie che si preoccupano dell’efficienza energetica e della sicurezza dei loro impianti.
