giovedì 7 giugno 2018

Isolante manicotto cilindrico (tubazione o filo elettrico)

Ho ritrovato su un vecchio foglio il grafico del raggio critico dell'isolante nel caso di una tubazione o filo elettrico. il quale ci consente di rispondere ad una domanda: è sempre conveniente isolare le tubazioni, per esempio negli impianti di condizionamento dove si utilizzano piccoli diametri? Oppure in taluni l'effetto è opposto?
  
L'analisi parte dalla legge di Fourier sulla trasmissione di calore per la parte conduttiva:
  Nel caso stazionario, senza generazione di calore, e con conducibilità termica costante, si riduce a:
 In coordinate cilindriche:
 Da cui, risolvendola, si ottiene il flusso:
Passiamo ora all'analisi del caso dell'isolante, considerando anche la resistenza convettiva:
 
 Derivandola per calcolare il minimo della funzione:

Questo è il raggio critico. Possiamo porre in un grafico gli andamenti dei due contributi alla resistenza: in blu la convettiva, in oltremare la conduttiva ed in rosso la totale.
Ecco dunque la risposta al quesito iniziale: se il raggio della tubazione è minore di quello critico, una scarsa coibentazione peggiora la situazione rispetto al tubo nudo, in quanto porterebbe ad un calo della resistenza termica. Per avere miglioramenti si deve calcolare lo spessore adeguato di isolante, e per capire come procedere, riporto l'esempio classico:
tubo con raggio esterno = 5 mm
h esterno = 5 W/m2K
conducibilità termica isolante pari a 0.034 W/mK 
Qual'è il raggio dell'isolante per avere miglioramenti rispetto al tubo nudo?
Innanzitutto bisogna valutare il raggio critico:

La nostra tubazione ha raggio minore del raggio critico.


La resistenza nel tubo nudo per metro di lunghezza è:
Se uso l'isolante, la resistenza è:


Impongo questo valore pari a quello del tubo nudo per unità di lunghezza, e risolvo per tentativi ricercando il valore del raggio esterno r.

Ottengo un raggio esterno pari a 10 mm (quindi un diametro di 20 mm). Questo significa che per  ottenere la stessa resistenza del tubo nudo devo coibentare con 5 mm di isolante, oltre al quale ho un miglioramento della situazione.

Esistono casi in cui la ricerca del valore critico potrebbe essere ancora più importante: si penso al caso elettrico, in cui si desidera smaltire il calore che si genera per il passaggio della corrente.

giovedì 23 febbraio 2017

Solare Termico con il Teleriscaldamento

Volevo riportare una interessante integrazione del Solare Termico con il Teleriscaldamento. Da http://www.dlsc.ca/index.htm si legge:
""The Drake Landing Solar Community (DLSC) is a master planned neighbourhood in the Town of Okotoks, Alberta, Canada that has successfully integrated Canadian energy efficient technologies with a renewable, unlimited energy source - the sun. The first of its kind in North America, DLSC is heated by a district system designed to store abundant solar energy underground during the summer months and distribute the energy to each home for space heating needs during winter months.""
Un video del progetto è il seguente:


""The Homes A typical Canadian home's energy requirement can be broken down into 60% for space heating, 20% for domestic hot water heating and 20% for appliances, lights, and other. Estimates for homes in the Drake Landing Solar Community (DLSC) indicate that, in a typical year, over 90% of the energy used for space heating will come from solar energy. Even in an unusually cold winter and spring, 80% of the required heat is expected to come from the sun.
All homes built in the DLSC are finely crafted, single-detached homes with rear garages and breezeways. They are built from six distinct two-story home designs, ranging from 1,492 to 1,664 square feet in size. These designs are similar to other new homes across Canada, though DLSC homes have subtle differences as part of a solar community.  

The District Heating System

  • All 52 houses are serviced by direct-buried, pre-insulated piping.
  • Working fluid is water.
  • It is connected to the STTS through a heat exchanger, all located within the Energy Centre.
  • There are 4 individual home-run loops off a manifold in the Energy Centre.
  • Water temperature is modulated based on outdoor temperature.
  • Flow is modulated based on the number of houses calling.
Plastic, insulated, underground pipe is used to distribute heated water from the community’s Energy Centre back to the homes.  The hot water circulating through these pipes will typically be 40 - 50°C.  The distribution temperature will vary through the year based on the outside air temperature and the flow regulated to match demands by the homeowners. 
This lower temperature reduces losses from the pipes and is more compatible with the solar energy source. Keeping the system operating temperature as low as possible causes the solar collectors to operate in a more efficient manner, thus increasing the total quantity of heat available for delivery to the homes.
Because of a lower water temperature used in the district heating system, each home is equipped with a specially designed air-handler unit for adequate heat distribution.""
 Il monitoraggio in tempo reale è all'indirizzo http://dlsc.ca/data/DLSC48.swf

mercoledì 8 febbraio 2017

EnergyPlus 1-4

Continuo da auto-didatta a sperimentare Energy Plus, al momento in forma semplice.
Oggi ho provato a creare e variare la posizione della finestra.
Si riportano i dati costruttivi:
- involucro : pannello sandwich formato da:

PPGI di 0.8 mm
EPS  di 15 cm
PPGI di 0.8 mm
Infiltrazione : 0.0035 m3/s

 Ricordo che è il caso di un container "abbandonato" a sè stesso.

Andamento temperatura della zona senza finestre:





Tmax = 39.28 °C il 10/07 alle 17:00 ( Text = 32.39 °C)
Tmin = -7.12 °C il 15/01 alle 09:00 ( Text= -11.14 °C)

 Finestra 1 x 1 m posta a nord
Tmax = 41.22 °C il 10/07 alle 17:00 ( Text = 32.39 °C)
Tmin = -7.58 °C il 15/01 alle 09:00 ( Text= -11.14 °C)

Finestra 1 x 1 m posta a sud
Tmax = 43.87 °C il 10/07 alle 17:00 ( Text = 32.39 °C)
Tmin = -7.54 °C il 15/01 alle 09:00 ( Text= -11.14 °C)


Cosidero la finestra a sud. 
Cosa succede a questi estremi variando clima e cambiando tipologia di finestra?

 A questo punto cambierò tipologia costruttiva dell'involucro e considererò condizionamento ed occupazione.

martedì 7 febbraio 2017

EnergyPlus 1-3

Quest'oggi vediamo un po' di risultati, considerando che tutte le parti costituenti l'involucro siano uguali e costituiti da un pannello sandwich formato da:

PPGI di 0.8 mm
EPS  di 15 cm
PPGI di 0.8 mm

Abbiamo considerato anche una infiltrazione d'aria di design pari a di 0.035 m3/s.

Vediamo i dati di output valevoli per i confronti delle simulazioni future.

I valori estremi della temperatura interna sono:
Tmax = 36,67 °C il 10/07 alle 17:00 ( Text = 32.39 °C)
Tmin = -9.23 °C il 15/01 alle 09:00 ( Text= -11.14 °C)

Ipotizzando molta meno infiltrazione (0.0035 m3/s) , avremmo:

Tmax = 39.28 °C il 10/07 alle 17:00 ( Text = 32.39 °C)
Tmin = -7.12 °C il 15/01 alle 09:00 ( Text= -11.14 °C)

La simulazione non ha rilevato errori.

Da ora giocherò posizionando una finestra.

martedì 31 gennaio 2017

EnergyPlus 1-2

Passiamo a definire l'algoritmo da utilizzare per calcolare il coefficiente di convezione, esterno ed interno, chiamati Surface Convection Algorithm, Inside ed Outside.
Il tipo di modello da usare è dato di default dal software.
Volendo approfondire, per l'interno dalla documentazione si legge:
"" The model specified in this field is the default algorithm for the inside face all the surfaces.. The key choices are Simple, TARP, Ceiling Diffuser, and Adaptive Convection Algorithm.
  1. The Simple model applies constant heat transfer coefficients depending on the surface orientation.
  2. The TARP model correlates the heat transfer coefficient to the temperature difference for various orientations. This model is based on flat plate experiments.
  3. The CeilingDiffuser model is a mixed and forced convection model for ceiling diffuser configurations. The model correlates the heat transfer coefficient to the air change rate for ceilings, walls and floors. These correlations are based on experiments performed in an isothermal room with a cold ceiling jet. To avoid discontinuities in surface heat transfer rate calculations, all of correlations have been extrapolated beyond the lower limit of the data set (3 ACH) to a natural convection limit that is applied during the hours when the system is off.
  4. The Adaptive Convection Algorithm model is an dynamic algorithm that organizes a large number of different convection models and automatically selects the one that best applies.
    The default is TARP.""

Per l'esterno,

""The available key choices are SimpleCombined, TARP, MoWiTT, DOE-2, and AdaptiveConvectionAlgorithm. The Simple convection model applies heat transfer coefficients depending on the roughness and windspeed. This is a combined heat transfer coefficient that includes radiation to sky, ground, and air. The correlation is based on Figure 1.121, Page 25.1 (Thermal and Water Vapor Transmission Data), 2001 ASHRAE Handbook of Fundamentals.
The default is DOE-2.  ""
Esistono in rete degli interessanti documenti, per chi fosse ancora interessato, oltre al documento di EnergyPlus: https://energyplus.net/sites/all/modules/custom/nrel_custom/pdfs/pdfs_v8.6.0/EngineeringReference.pdf. A me, in particolar modo, è molto piaciuto questo: "Review of external convective heat transfer coefficient models in building energy simulation programs: implementation and uncertaint" di M. Mirsadeghi, D. Cóstola, B. Blocken, J.L.M. Hensen.

Per terminare questo post, per la verità un po' pesante, l'ultima considerazione è sull'algoritmo utilizzato per la conduzione attraverso l'elemento. Ne esistono vari tipi, ma mi limito a dire che in EP di default è assegnato il Conduction Transfer Function, o CTF, che semplifica il problema non tenendo condo dello stoccaggio e diffusione del vapore nell'elemento.