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Raffrescamento passivo: come ridurre i guadagni termici con la ventilazione

La riduzione dei guadagni termici tramite ventilazione e' una componente essenziale per il raffrescamento passivo degli edifici

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Nel raffrescamento passivo degli edifici, l’utilizzo della ventilazione naturale durante il periodo d’insolazione ha tre fini:

  • –> il controllo del surriscaldamento dell’edificio, quindi la riduzione dei guadagni termici attraverso il raffrescamento dell’aria interna e delle strutture;
  • –> il mantenimento di un buon livello della qualità dell’aria interna;
  • –> la movimentazione dell’aria interna con l’effetto di raffrescamento diretto sul corpo umano (attraverso moti convettivi ed evaporativi). Alcuni studi dimostrano che anche con temperature superiori ai 26 °C è possibile raggiungere un ottimo livello di benessere ambientale percepito, semplicemente incrementando la ventilazione.

Questi tre obiettivi, però, non sempre si riescono a raggiungere, in quanto, proprio per la sua intrinseca natura, la ventilazione naturale degli edifici è fortemente legata alle condizioni climatiche esterne.

 

La ventilazione è un metodo di raffrescamento che sfrutta sia la convezione naturale che quella forzata, e utilizza il moto dell’aria come pozzo termico. La forza che governa la ventilazione naturale è la differenza di pressione dell’aria Δp. Questa differenza di pressione è causata da tre fenomeni fisici:

  • –> dal galleggiamento (in inglese bouyancy effect, ovvero dalla naturale tendenza dei fluidi alla stratificazione e alla risalita verso l’alto);
  • –> dalle differenze di temperatura che provocano una variazione della densità ed un conseguente movimento del fluido verso la zona a minor densità;
  • –> in generale dal vento, che movimenta, all’apertura delle finestre, l’aria interna (convezione forzata).

 

Il vento fornisce la principale forza motrice per la ventilazione naturale degli edifici e per l’infiltrazione d’aria calda o fredda al loro interno. Il parametro abitualmente utilizzato per quantificare gli effetti del vento è la sua velocità. Quando il vento incontra un edificio, si crea una zona ad alta pressione sottovento e una di bassa pressione controvento. Di conseguenza si crea un gradiente di pressione intorno all’edificio lungo la direzione del vento: questo gradiente causa un flusso d’aria attraverso l’edificio dalla zona ad alta pressione verso le zone a bassa pressione. Nel caso più semplice di edificio con aperture poste su due lati opposti, una stima prudenziale del flusso d’aria passante all’interno di un edificio senza pareti divisorie è indicata di seguito.

 

 

Relazione esprimente una stima prudenziale del flusso di aria passante all’interno di un edificio con aperture poste su due lati opposti

 

 

Una formula alternativa può essere quella indicata dal British Standards method è quella espressa nelle figure di seguito.

 

Formula esprimente una stima prudenziale del flusso di aria passante all’interno di un edificio con aperture poste su due lati opposti indicata dal British Standards Method

 

 

 

Esplicitazione del teorema di Bernoulli

 

 

Un modo alternativo per sfruttare l’effetto del vento al fine di incrementare la ventilazione naturale si basa sullo sfruttamento dell’effetto Venturi.

 

 

L’effetto Venturi applicato a un camino

 

 

Dal teorema di Bernoulli si ricava che la pressione di un fluido in movimento è inversamente proporzionale al quadrato della sua velocità. Quando l’aria viene incanalata in un condotto che si restringe, accelera man mano che la sezione diminuisce, e pertanto l’aumento della velocità provoca un decremento della pressione nel condotto. Se la geometria del condotto è quella rappresentata, ossia se il condotto in cui è convogliato il vento è posto in cima a un camino, si ha che la pressione in A è inferiore alla pressione in B e perciò si riesce a forzare la risalita dell’aria nel camino verso l’estremità superiore, sfruttando semplicemente l’effetto del vento. Il fenomeno prende il nome di effetto Venturi, e analiticamente lo si può spiegare, a partire dall’equazione di continuità e dall’equazione di Bernoulli per un fluido ideale, come indicato nelle figure di seguito.

 

 

Equazione di continuità

 

 

 

Equazione di Bernoulli per un fluido ideale

 

Se si prende come riferimento un tubo con una strozzatura orizzontale come quello rappresentato, essendo entrambe le sezioni alla stessa quota, l’equazione di Bernoulli perde il secondo termine al primo membro, e perciò si può scrivere l’equazione che descrive il significato matematico dell’effetto Venturi.

 

 

Modello geometrico per l’analisi matematica dell’effetto Venturi

 

 

 

Equazione di Bernoulli per l’effetto Venturi

 

 

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