Come calcolare i carichi termici per migliorare la climatizzazione

Il calcolo dei carichi termici è lo studio condotto da professionisti per determinare il fabbisogno di climatizzazione di un ambiente, indipendentemente dalla sua destinazione d’uso, ovvero se destinato ad uso familiare, commerciale o industriale. In questo articolo spieghiamo i concetti fondamentali e i metodi più utilizzati per calcolare i carichi termici in diversi ambienti.

Che cos’è il calcolo dei carichi termici e perché è importante?

Il calcolo dei carichi termici è la procedura mediante la quale si determina la quantità di energia termica che uno spazio deve guadagnare o perdere per mantenere una temperatura adeguata. Questo calcolo è necessario per dimensionare correttamente gli impianti di climatizzazione, riscaldamento e ventilazione.

Ad esempio, il calcolo che verrebbe effettuato in un’abitazione per determinare le esigenze dei suoi sistemi di riscaldamento, o in un centro logistico dove si lavora con alimenti congelati, per garantire i sistemi di refrigerazione.

Questi studi approfondiscono la questione distinguendo se ciò che si vuole ottenere è il carico termico per determinare quale sistema di refrigerazione o riscaldamento richieda lo spazio o l’area o, d’altra parte, se si tratta di studiare le condizioni nelle stagioni fredde o calde, come si fa abitualmente nelle abitazioni.

Fattori che influenzano il carico termico di uno spazio

Per effettuare un calcolo corretto dei carichi termici, è fondamentale considerare diversi fattori che influenzano la trasmissione del calore all’interno di uno spazio. Questi includono:

1. Caratteristiche dell’edificio

• Isolamento termico: il livello di isolamento di pareti, soffitti e pavimenti influisce sulla quantità di calore che entra o esce dall’edificio.
• Materiali da costruzione: alcuni materiali trattengono più calore di altri, influendo sul carico termico.
• Orientamento e posizione: l’esposizione al sole e il clima del luogo giocano un ruolo importante.

2. Carico interno

• Occupazione: le persone generano calore, il che influenza la progettazione del sistema di climatizzazione.
• Apparecchiature elettriche e di illuminazione: dispositivi come computer, macchinari industriali e luci possono aumentare significativamente il carico termico.

3. Condizioni esterne

• Temperatura e umidità esterne: influiscono sulla quantità di calore che entra nell’edificio.
• Radiazione solare: la quantità di luce solare diretta che riceve uno spazio può aumentare il carico termico, specialmente nelle facciate vetrate.

Metodi di calcolo dei carichi termici per la climatizzazione

Esistono diversi metodi per calcolare il carico termico per l’aria condizionata e il riscaldamento. Tra i più utilizzati, spiccano:

• Metodo dei fattori di carico: si basa su coefficienti predefiniti che riflettono la capacità dei materiali e delle apparecchiature di dissipare il calore.
• Metodo del trasferimento di calore: calcola le perdite e i guadagni termici mediante equazioni di trasferimento di calore su pareti, soffitti e finestre.
• Metodo di simulazione computazionale: utilizza un software di calcolo dei carichi termici per modellare il comportamento termico di un edificio e determinarne le esigenze di climatizzazione.

Per calcolare il carico termico totale di uno spazio, è importante considerare due componenti principali:

• Carichi sensibili, che influenzano direttamente la temperatura dell’aria e provengono da fonti quali la radiazione solare, le apparecchiature elettriche e l’occupazione dello spazio.
• Carichi latenti, legati all’umidità e provenienti da processi quali la traspirazione umana, la cottura dei cibi o l’infiltrazione di aria esterna.

Questi metodi consentono di ottenere stime precise del carico termico e di scegliere il sistema di climatizzazione adeguato per ogni spazio.

Calcolo dei carichi sensibili

Per calcolare il carico termico sensibile, che chiameremo Qs, è necessario utilizzare la seguente formula:

Qs = Qsr + Qstr + Qst + Qsi + Qsai

In questa espressione troviamo i seguenti valori, che spiegheremo uno per uno più avanti:

• Qsr è il valore del carico sensibile causato dalla trasmissione attraverso le chiusure traslucide, espresso in W.
• Qstr è il valore del carico sensibile dovuto alla trasmissione attraverso pareti e tetti esterni, espresso anch’esso in W.
• Qst è il valore del carico sensibile dovuto alla trasmissione attraverso pareti, tetti, pavimenti e porte interne (W);
• Qsi è il valore del carico sensibile trasmesso dalle infiltrazioni di aria esterna (W);
• Qsai è il valore del carico sensibile dovuto a contributi interni (W).

Calcoleremo separatamente i carichi sopra citati per ottenere il valore del carico sensibile totale, come segue.

Trasmissione attraverso pareti e tetti esterni

Questo carico termico per trasmissione viene calcolato nel modo seguente:

Qstr = K * S * (Tec – Ti)

• Dove K è il coefficiente di trasmissione termica della chiusura (W/m2 °C), chiamato anche trasmittanza termica.
• S è la superficie della chiusura, espressa in m2.
• Tec è la temperatura di progetto dall’altra parte della chiusura, espressa in °C.
• Ti è la temperatura interna di progetto del locale, espressa in °C.

Trasmissione della radiazione solare attraverso il vetro

Qui viene rappresentata la radiazione che attraversa superfici traslucide, come il vetro, trasmettendo calore all’interno della stanza. Questo carico termico per trasmissione attraverso chiusure traslucide viene calcolato come segue:

Qsr = S * R * F

• Dove Qsr è il carico termico per radiazione solare attraverso il vetro, espresso in W.
• S è la superficie traslucida o vetrata esposta alla radiazione, espressa in m2.
• R è la radiazione solare che attraversa tale superficie, espressa in W/m2.
• F sono i fattori di correzione della radiazione in funzione del tipo di vetro e di altri fattori, che possono essere consultati nelle tabelle della norma UNI TS 11300-1.

Trasmissione attraverso pareti, soffitti, pavimenti e porte interne

Qst = K · S · (Te-Ti)

• Dove Qst è il carico per trasmissione attraverso le chiusure interne, in W.
• Dove K è il coefficiente globale di trasmissione termica della chiusura espresso in W/m2ºC.
• S è la superficie della parete interna, in m2.
• Te è la temperatura di progetto dall’altra parte della parete (ºC).
• Ti è la temperatura interna di progetto del locale (ºC).

Trasmissione tramite infiltrazioni di aria esterna

Qsi = V · ρ · Ce,aria · ΔT

• Dove Qsi è il carico termico dovuto all’infiltrazione e alla ventilazione dell’aria esterna (W).
• Dove V è la portata dell’aria infiltrata e di ventilazione (m3/s).
• Dove ρ è la densità dell’aria, pari a 1,18 kg/m3.
• Ce,aria è il calore specifico dell’aria, pari a 1012 J/kg°C.
• ΔT è la differenza di temperatura tra l’ambiente esterno e quello interno.

Oneri sensibili per contributi interni

Qsai = Qsil + Qsp + Qsv

• Dove Qsil è il guadagno interno di calore sensibile dovuto all’illuminazione, espresso in W.
• Dove Qsp è il guadagno interno di calore sensibile dovuto agli occupanti, espresso in W.
• Dove Qsv è il guadagno interno di calore sensibile dovuto a vari apparecchi, espresso in W.

Calcolo dei carichi latenti

Ventilazione / infiltrazione d’aria

Qui viene calcolato il carico latente dovuto alla ventilazione o all’infiltrazione di aria esterna, determinato con la seguente formula:

Q = V * 0,63 * Δw

Dove V è la portata dell’aria infiltrata o di ventilazione, espressa in m3/h.

Dove 0,63 è il prodotto della densità standard dell’aria (1,2 kg/m3) per il calore latente di vaporizzazione dell’acqua (0,52 Wh/g).

Dove Δw è la differenza di umidità assoluta tra l’ambiente esterno e quello interno (ºC).

Occupazione dei locali

Questo carico latente dovuto all’occupazione dei locali si ottiene moltiplicando una valutazione del calore latente emesso da una persona tipo per il numero di occupanti previsti per il locale in questione. Questo dato relativo al calore emesso è ricavato da una tabella che tiene conto di una tipologia prestabilita per ciascuno dei locali. Questi dati possono essere ottenuti tramite le normative UNI EN 16798-1:2019/NA:2025, CEN/TR 16798-2 e UNI EN ISO 52016-1 oltre che consultando gli standard ASHRAE.