Calcolo termotecnico dell'edificio: specificità e formule per eseguire i calcoli + esempi pratici

Durante l'esercizio dell'edificio, non è desiderabile né il surriscaldamento né il congelamento. Il calcolo termotecnico, non meno importante del calcolo dell'economicità, della resistenza, della resistenza al fuoco e della durabilità, permetterà di trovare il giusto equilibrio.

Sulla base delle norme termotecniche, delle caratteristiche climatiche, della permeabilità al vapore e all'umidità, si effettua la scelta dei materiali per la costruzione delle strutture di involucro. Nell'articolo esamineremo come eseguire questo calcolo.

Scopo del calcolo termotecnico

Dalle caratteristiche termotecniche delle strutture di involucro dell'edificio dipende molto. Ciò include l'umidità degli elementi costruttivi e gli indicatori di temperatura che influenzano la presenza o l'assenza di condensa su pareti divisorie e solai.

Il calcolo mostrerà se le caratteristiche stabili di temperatura e umidità vengono mantenute a temperature positive e negative. L'elenco di queste caratteristiche include anche un indicatore come la quantità di calore disperso dalle strutture di involucro dell'edificio nel periodo freddo.

Non si può iniziare la progettazione senza avere tutti questi dati. Sulla base di essi, si scelgono lo spessore delle pareti e dei solai, la sequenza degli strati.

Secondo il regolamento GOST 30494-96, i valori di temperatura all'interno degli ambienti. In media è pari a 21°. L'umidità relativa deve rimanere entro limiti confortevoli, ovvero in media 37%. La velocità massima di spostamento della massa d'aria è 0,15 m/s.

Il calcolo termotecnico si pone l'obiettivo di determinare:

1. Le strutture sono identiche ai requisiti dichiarati dal punto di vista della protezione termica?
2. Quanto pienamente viene garantito un microclima confortevole all'interno dell'edificio?
3. Viene assicurata la protezione termica ottimale delle strutture?

Il principio fondamentale è il mantenimento dell'equilibrio della differenza di temperatura tra l'atmosfera delle strutture di involucro interne e gli ambienti. Se ciò non viene rispettato, queste superfici assorbiranno calore e la temperatura interna rimarrà molto bassa.

La temperatura interna non deve essere influenzata in modo significativo dalle variazioni del flusso termico. Questa caratteristica è chiamata inerzia termica.

Attraverso l'esecuzione del calcolo termico si determinano i limiti ottimali (minimo e massimo) delle dimensioni di pareti e solai in spessore. Ciò garantisce l'esercizio dell'edificio per un lungo periodo senza congelamenti estremi delle strutture né surriscaldamenti.

Parametri per l'esecuzione dei calcoli

Per eseguire il calcolo termico sono necessari i parametri iniziali.

Essi dipendono da una serie di caratteristiche:

1. Destinazione d'uso dell'edificio e suo tipo.
2. Orientamento delle strutture di chiusura verticali rispetto ai punti cardinali.
3. Parametri geografici della futura casa.
4. Volume dell'edificio, numero di piani, superficie.
5. Tipologie e dimensioni di porte e finestre.
6. Tipo di riscaldamento e suoi parametri tecnici.
7. Numero di residenti permanenti.
8. Materiale delle strutture di chiusura verticali e orizzontali.
9. Solaio dell'ultimo piano.
10. Dotazione di acqua calda sanitaria.
11. Tipo di ventilazione.

Nel calcolo si tengono conto anche altre caratteristiche costruttive dell'edificio. La permeabilità all'aria delle strutture di chiusura non deve favorire un eccessivo raffreddamento all'interno della casa né ridurre le proprietà di protezione termica degli elementi.

La perdita di calore è causata anche dall'umidità eccessiva delle pareti, che inoltre comporta umidità, influenzando negativamente la durabilità dell'edificio.

Nel processo di calcolo si determinano innanzitutto i dati termotecnici dei materiali da costruzione con cui sono realizzati gli elementi di chiusura dell'edificio. Inoltre, occorre determinare la resistenza termica ridotta e la sua conformità al valore normativo.

Formule per l'esecuzione del calcolo

Le dispersioni di calore di una casa possono essere suddivise in due parti principali: le perdite attraverso l'involucro edilizio e le perdite causate dal funzionamento del sistema di ventilazione. Inoltre, il calore viene disperso quando l'acqua calda viene scaricata nel sistema fognario.

Dispersioni attraverso le strutture di involucro

Per i materiali con cui sono realizzate le strutture di chiusura, è necessario trovare il valore dell'indice di conducibilità termica Kt (W/m x grado). Essi sono disponibili nei relativi manuali.

Ora, conoscendo lo spessore degli strati, con la formula: R = S/Kt, si calcola la resistenza termica di ciascuna unità. Se la struttura è multistrato, tutti i valori ottenuti vengono sommati.

Le dimensioni delle perdite termiche sono più facilmente determinabili sommando i flussi di calore attraverso le strutture di chiusura che costituiscono l'edificio stesso.

Seguendo questo metodo, si tiene conto del fatto che i materiali che compongono le strutture hanno una struttura diversa. Inoltre si considera che il flusso di calore che li attraversa ha caratteristiche differenti.

Per ogni singola struttura le perdite di calore sono determinate con la formula:

Q = (A / R) x dT

Qui:

• A — superficie in m².
• R — resistenza termica della struttura.
• dT — differenza di temperatura tra esterno e interno. Va determinata per il periodo di 5 giorni più freddo.

Eseguendo il calcolo in questo modo, si può ottenere un risultato solo per il periodo di cinque giorni più freddo. Le perdite di calore totali per l'intera stagione fredda vengono determinate considerando il parametro dT, prendendo in considerazione non la temperatura più bassa, ma quella media.

Il grado di assorbimento del calore e la cessione di calore dipendono dall'umidità del clima nella regione. Per questo motivo, nei calcoli vengono utilizzate le mappe di umidità.

Successivamente, si calcola la quantità di energia necessaria per compensare le perdite di calore avvenute sia attraverso le strutture di chiusura dell'edificio che attraverso la ventilazione. Essa viene indicata con il simbolo W.

Per questo esiste una formula:

W = ((Q + Qv) × 24 × N) / 1000

In essa, N è la durata del periodo di riscaldamento in giorni.

Svantaggi del calcolo per superficie

Il calcolo basato sull'indicatore di superficie non è molto preciso. Non vengono presi in considerazione parametri come il clima, le temperature minime e massime, l'umidità. A causa dell'ignoranza di molti aspetti importanti, il calcolo presenta notevoli errori.

Spesso, cercando di compensarli, nel progetto viene previsto un «margine».

Se comunque si sceglie questo metodo per il calcolo, è necessario considerare le seguenti sfumature:

1. Con un'altezza delle pareti verticali fino a tre metri e non più di due aperture sulla stessa superficie, è meglio moltiplicare il risultato per 100 W.
2. Se nel progetto sono previsti un balcone, due finestre o una loggia, si moltiplica mediamente per 125 W.
3. Quando gli ambienti sono industriali o magazzini, si applica un moltiplicatore di 150 W.
4. Nel caso in cui i radiatori siano posizionati vicino alle finestre, la loro potenza di progetto viene aumentata del 25%.

La formula basata sulla superficie è la seguente:

Q = S × 100 (150) W.

Qui Q è il livello di comfort termico nell'edificio, S è la superficie riscaldata in m². I numeri 100 o 150 sono il valore specifico dell'energia termica consumata per riscaldare 1 m².

Dispersioni attraverso la ventilazione della casa

Il parametro chiave in questo caso è il tasso di ricambio d'aria. A condizione che le pareti della casa siano permeabili al vapore, questo valore è pari a uno.

La penetrazione dell'aria fredda nella casa avviene attraverso la ventilazione di immissione. La ventilazione di estrazione favorisce la fuoriuscita dell'aria calda. Un recuperatore-scambiatore di calore riduce le perdite per ventilazione. Esso non permette la dispersione del calore insieme all'aria in uscita e riscalda i flussi in entrata.

È previsto un ricambio completo dell'aria all'interno dell'edificio in un'ora. Gli edifici costruiti secondo lo standard DIN hanno pareti con barriera al vapore, quindi qui il tasso di ricambio d'aria è considerato pari a due.

Esiste una formula per determinare le perdite di calore attraverso il sistema di ventilazione:

Qv = (V × Kv : 3600) × R × S × dT

Qui i simboli indicano quanto segue:

1. Qv — perdite di calore.
2. V — volume della stanza in m³.
3. R — densità dell'aria. Il suo valore è assunto pari a 1,2047 kg/m³.
4. Kv — tasso di ricambio d'aria.
5. S — capacità termica specifica. È pari a 1005 J/(kg × °C).

Sulla base di questo calcolo, è possibile determinare la potenza del generatore di calore dell'impianto di riscaldamento. In caso di un valore di potenza troppo elevato, una soluzione potrebbe essere un sistema di ventilazione con recuperatore di calore. Esaminiamo diversi esempi per case realizzate con materiali diversi.

Esempio di calcolo termotecnico n. 1

Calcoliamo una casa residenziale situata nella zona climatica 1 (Russia), sottozona 1B. Tutti i dati sono tratti dalla tabella 1 della SNiP 23-01-99. La temperatura più fredda osservata per un periodo di cinque giorni con una probabilità di 0,92 è tn = -22°C.

Secondo la SNiP, il periodo di riscaldamento (zop) dura 148 giorni. La temperatura media durante il periodo di riscaldamento, con una temperatura media giornaliera dell'aria esterna di 8°C, è tot = -2,3°C. La temperatura esterna nella stagione di riscaldamento è tht = -4,4°C.

Le perdite di calore di una casa sono un aspetto cruciale nella fase di progettazione. Dai risultati del calcolo dipendono la scelta dei materiali da costruzione e dell'isolamento. Non esistono perdite pari a zero, ma bisogna tendere a renderle il più possibile ragionevoli.

È stabilito che nelle stanze della casa deve essere garantita una temperatura di 22°C. La casa ha due piani e muri di spessore 0,5 m. La sua altezza è di 7 m, le dimensioni in pianta sono 10 x 10 m. Il materiale delle strutture di chiusura verticali è la ceramica termica. Per essa, il coefficiente di conducibilità termica è 0,16 W/m x °C.

Come isolante esterno, con spessore di 5 cm, è stata utilizzata lana minerale. Il valore di Kt per essa è 0,04 W/m x °C. Il numero di finestre nella casa è 15, ciascuna di 2,5 m².

Perdite di calore attraverso i muri

Prima di tutto, è necessario determinare la resistenza termica sia del muro in ceramica che dell'isolante. Nel primo caso, R1 = 0,5 : 0,16 = 3,125 m² x °C/W. Nel secondo, R2 = 0,05 : 0,04 = 1,25 m² x °C/W. Complessivamente per la struttura di chiusura verticale: R = R1 + R2 = 3,125 + 1,25 = 4,375 m² x °C/W.

Poiché le perdite di calore sono direttamente proporzionali alla superficie delle strutture di chiusura, calcoliamo la superficie dei muri:

A = 10 x 4 x 7 - 15 x 2,5 = 242,5 m²

Ora si possono determinare le perdite di calore attraverso i muri:

Qc = (242,5 : 4,375) x (22 - (-22)) = 2438,9 W.

Le perdite di calore attraverso le strutture di chiusura orizzontali si calcolano in modo analogo. Alla fine, tutti i risultati vengono sommati.

Se c'è un seminterrato, le perdite di calore attraverso le fondamenta e il pavimento saranno minori, poiché nel calcolo viene considerata la temperatura del terreno, non quella dell'aria esterna.

Se il seminterrato sotto il pavimento del primo piano è riscaldato, il pavimento non deve essere isolato. È comunque meglio rivestire le pareti del seminterrato con isolante, affinché il calore non si disperda nel terreno.

Determinazione delle perdite attraverso la ventilazione

Per semplificare il calcolo, non si considera lo spessore dei muri, ma si determina semplicemente il volume d'aria all'interno:

V = 10 x 10 x 7 = 700 m³.

Con un tasso di ricambio d'aria Kv = 2, le perdite di calore saranno:

Qv = (700 x 2) : 3600) x 1,2047 x 1005 x (22 – (-22)) = 20 776 W.

Se Kv = 1:

Qv = (700 x 1) : 3600) x 1,2047 x 1005 x (22 – (-22)) = 10 358 W.

Una ventilazione efficace degli edifici residenziali è garantita da recuperatori rotativi e a piastre. Il rendimento dei primi è più alto, raggiunge il 90%.

Esempio di calcolo termotecnico n. 2

È necessario calcolare le perdite attraverso un muro di mattoni spesso 51 cm. È isolato con uno strato di 10 cm di lana minerale. All'esterno – 18°C, all'interno — 22°C. Le dimensioni del muro sono 2,7 m di altezza e 4 m di lunghezza. L'unica parete esterna del locale è orientata a sud, non ci sono porte esterne.

Per il mattone, il coefficiente di conducibilità termica Kt = 0,58 W/m°C, per la lana minerale — 0,04 W/m°C. Resistenza termica:

R1 = 0,51 : 0,58 = 0,879 m² x °C/W. R2 = 0,1 : 0,04 = 2,5 m² x °C/W. In totale, per la struttura verticale di chiusura: R = R1 + R2 = 0,879 + 2,5 = 3,379 m² x °C/W.

Area della parete esterna A = 2,7 x 4 = 10,8 m²

Perdita di calore attraverso il muro:

Qs = (10,8 : 3,379) x (22 – (-18)) = 127,9 W.

Per calcolare le perdite attraverso le finestre si applica la stessa formula, ma la loro resistenza termica è solitamente indicata nella scheda tecnica e non è necessario calcolarla.

Nell'isolamento termico della casa, le finestre sono l'«anello debole». Attraverso di esse si perde una parte piuttosto grande del calore. Le perdite saranno ridotte da vetrocamere multistrato, pellicole termoriflettenti, doppie finestre, ma nemmeno questo aiuterà a evitare completamente le perdite di calore.

Se in casa le finestre hanno dimensioni 1,5 x 1,5 m², sono a risparmio energetico, orientate a nord, e la resistenza termica è di 0,87 m²°C/W, allora le perdite saranno:

Qo = (2,25 : 0,87) x (22 – (-18)) = 103,4 W.

Esempio di calcolo termotecnico n. 3

Eseguiamo il calcolo termico di un edificio in tronchi di legno con facciata costruita con tronchi di pino di spessore 0,22 m. Il coefficiente per questo materiale è K=0,15. In questa situazione, le perdite di calore saranno:

R = 0,22 : 0,15 = 1,47 m² x °C/W.

La temperatura più bassa del periodo di cinque giorni è -18°C, per il comfort in casa è impostata una temperatura di 21°C. La differenza sarà di 39°C. Se si parte da un'area di 120 m², si ottiene il risultato:

Qs = 120 x 39 : 1,47 = 3184 W.

Per confronto, determiniamo le perdite di una casa in mattoni. Il coefficiente per il mattone silicato è 0,72.

R = 0,22 : 0,72 = 0,306 m² x °C/W.
Qs = 120 x 39 : 0,306 = 15 294 W.

Nelle stesse condizioni, la casa in legno è più economica. Il mattone silicato per la costruzione di pareti qui non è affatto adatto.

Un edificio in legno ha un'elevata capacità termica. Le sue strutture di chiusura mantengono a lungo una temperatura confortevole. Tuttavia, anche una casa in tronchi deve essere isolata, ed è meglio farlo sia all'interno che all'esterno.

I costruttori e gli architetti raccomandano di effettuare sempre un calcolo termico per l'installazione dell'impianto di riscaldamento per una corretta scelta delle apparecchiature e in fase di progettazione della casa per selezionare un adeguato sistema di isolamento.

Esempio di calcolo termico n. 4

La casa sarà costruita nella regione di Mosca. Per il calcolo è stato preso un muro realizzato con blocchi di calcestruzzo espanso. Come isolante è stato utilizzato polistirene espanso estruso. La finitura della struttura è intonacata su entrambi i lati. La sua composizione è calce-sabbia.

Il polistirene espanso ha una densità di 24 kg/m³.

I valori relativi di umidità dell'aria nella stanza sono del 55% con una temperatura media di 20 °C. Spessore degli strati:

• intonaco — 0,01 m;
• calcestruzzo espanso — 0,2 m;
• polistirene espanso — 0,065 m.

Il compito è trovare la resistenza termica necessaria e quella effettiva. La Rtr necessaria si determina sostituendo i valori nell'espressione:

Rtr = a × GSOP + b

dove GSOP sono i gradi-giorno del periodo di riscaldamento, a e b sono coefficienti tratti dalla tabella n. 3 del Codice di Regole 50.13330.2012. Poiché l'edificio è residenziale, a è uguale a 0,00035, b = 1,4.

Il GSOP si calcola con la formula tratta dallo stesso SP:

GSOP = (tv – tot) × zot.

In questa formula, tv = 20 °C, tot = -2,2 °C, zot = 205 — il periodo di riscaldamento in giorni. Di conseguenza:

GSOP = (20 – (-2,2)) × 205 = 4551 °C × giorni;

Rtr = 0,00035 × 4551 + 1,4 = 2,99 m² × °C/W.

Utilizzando la tabella n. 2 di SP50.13330.2012, si determinano i coefficienti di conducibilità termica per ogni strato della parete:

• λb1 = 0,81 W/(m·°C);
• λb2 = 0,26 W/(m·°C);
• λb3 = 0,041 W/(m·°C);
• λb4 = 0,81 W/(m·°C);

La resistenza termica totale condizionata Ro è uguale alla somma delle resistenze di tutti gli strati. La si calcola con la formula:

Questa formula è tratta da SP 50.13330.2012. Qui 1/αv è la resistenza di assorbimento termico delle superfici interne. 1/αn è la stessa per le superfici esterne, δ/λ è la resistenza termica dello strato.

Sostituendo i valori si ottiene: Ro cond. = 2,54 m²°C/W. Rf si determina moltiplicando Ro per il coefficiente r, pari a 0,9:

Rf = 2,54 × 0,9 = 2,3 m² × °C/W.

Il risultato impone di modificare la struttura dell'elemento di chiusura, poiché la resistenza termica effettiva è inferiore a quella calcolata.

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I calcoli termici sono direttamente collegati alla determinazione del punto di rugiada. Cos'è e come trovare il suo valore lo scoprirà dall'articolo che le consigliamo.

Conclusioni e video utili sull'argomento

Esecuzione del calcolo termotecnico tramite calcolatore online:

Il calcolo termotecnico corretto:

Un calcolo termotecnico accurato permetterà di valutare l'efficacia dell'isolamento degli elementi esterni dell'edificio e di determinare la potenza dell'impianto di riscaldamento necessario.

Di conseguenza, si può risparmiare nell'acquisto di materiali e dispositivi di riscaldamento. È meglio sapere in anticipo se l'impianto riuscirà a gestire il riscaldamento e il condizionamento dell'edificio, piuttosto che acquistare tutto a caso.

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