Fisica tecnica Prof. Ing. Cesare Boffa Prof. Ing. Cesare Boffa Ph.D. Ing. Gianluca Toso Politecnico di Torino Prof. Ing. Cesare Boffa Argomenti del corso Elementi di: è illuminotecnica è acustica architettonica è termofisica dell’edificio è termodinamica è trattamento dell’aria umida (impianti di condizionamento) Prof. Ing. Cesare Boffa Obiettivi del corso Fornire gli elementi di base necessari per à Impostare progetti preliminari à Elaborare dimensionamenti di massima à Fornire risposte concrete su problemi reali che si presentano ad un ingegnere Prof. Ing. Cesare Boffa Modalità d’esame Prova scritta con domande di “teoria” ed esercizi Possono accedere all’esame coloro che avranno presentato le tre esercitazioni previste di: • illuminotecnica; • acustica; • trasmissione del calore. Esercitazioni Illuminotecnica: q Progetto di massima dell’impianto di illuminazione artificiale di una strada q Acustica: Progetto acustica di massima di una sala per conferenze q Trasmissione del calore: Calcolo dei consumi energetici di un edificio e dimensionamento di massima dell’impianto di riscaldamento Testi di consultazione: • A.S.H.R.A.E. - Handbooks • I.E.S. Illuminating Engineering Society - Handbook • HVAC Acoustic Fundamentals Application Guide AG 31-010 McQuay • C. Boffa, P. Gregorio: Elementi di Fisica tecnica - estratto dal I° volume - II volume – Edizione Levrotto & Bella • A.Mazza: Esercizi di Fisica Tecnica – Edizione Levrotto & Bella Il materiale proiettato in aula si trova sul portale della Didattica Prof. Ing. Cesare Boffa Elementi di illuminotecnica INDICE Prof. Ing. Cesare Boffa Elementi di illuminotecnica Illuminazione naturale Illuminazione artificiale Sensazioni luminose e benessere visivo Prof. Ing. Cesare Boffa Illuminazione naturale Caratterizzazione della radiazione solare Come sorgente luminosa [illuminazione naturale degli edifici] Come sorgente energetica • Controllo ed utilizzo della radiazione solare attraverso l’involucro degli edifici (interazioni tra radiazione solare e superfici opache (pareti) e trasparenti (vetri)) • Effetto serra • Calcolo della costante solare Prof. Ing. Cesare Boffa Illuminazione artificiale Sorgenti artificiali Tipi di lampade A incandescenza A incandescenza con alogeni A scarica nei gas A led ecc. Prof. Ing. Cesare Boffa Illuminazione artificiale Caratteristiche delle sorgenti Flusso luminoso Efficienza luminosa Temperatura di colore Resa cromatica Durata Costi Prof. Ing. Cesare Boffa Illuminazione artificiale Apparecchi illuminanti • Solido ed indicatrice fotometrica • Rendimento luminoso Illuminazione artificiale per esterni • strade, piazze • architettonico Calcolo dell’illuminamento artificiale per esterni Prof. Ing. Cesare Boffa Illuminazione artificiale Illuminazione artificiale di interni • generale • localizzata ecc. Prof. Ing. Cesare Boffa Illuminazione artificiale per interni Metodi di calcolo dell’illuminamento artificiale per interni • Ipotesi di illuminamento uniforme Prof. Ing. Cesare Boffa Illuminazione artificiale Scelta delle sorgenti luminose Valutazioni economiche Prof. Ing. Cesare Boffa Sensazioni luminose e benessere visivo Sensibilità dell’occhio Sistema fotometrico e sistema energetico • flusso luminoso • intensità luminosa • densità luminosa o di flusso o illuminamento • radiazione o luminanza Caratteristiche dei colori (triangolo dei colori) Prof. Ing. Cesare Boffa Caratterizzazione della radiazione solare Prof. Ing. Cesare Boffa Caratterizzazione della radiazione solare Sensazioni luminose Radiazioni elettromagnetiche λ [0,38 ÷ 0,78 µm] Cervello Occhio umano Prof. Ing. Cesare Boffa λ 1010 [µm] 108 Onde radio 106 104 102 1 10-2 Microonde Radiazione infrarosse 0,78 0,38 Radiazione visibili Radiazione ultraviolette 10-4 Raggi X 10-6 Raggi y Denominazioni delle radiazioni elettromagnetiche in funzione della lunghezza d’onda λ Prof. Ing. Cesare Boffa Unità di misura delle lunghezze d’onda più usate Micron [µm] pari a 10-6 m Ångström [Å] pari a 10-10 m Prof. Ing. Cesare Boffa Frequenza ν [Hertz]=[s-1] c velocità di propagazione della radiazione nel mezzo co velocità di propagazione dell’onda elettromagnetica nel vuoto ≅ 2,995 108 [m/s] n indice di rifrazione del mezzo Si ha λν=c c=co/n dλ dν =− λ ν Prof. Ing. Cesare Boffa 0 0,380 0,436 0,495 0,566 0,598 0,627 0,780 Infrarosso Infrarosso Rosso Arancione Arancione Giallo Verde Blu Violette Ultra Ultra violette violette λ [µm] Spettro del visibile Prof. Ing. Cesare Boffa Triangolo dei colori Prof. Ing. Cesare Boffa Radiazione solare che incide sull’atmosfera terrestre La radiazione solare che giunge sulla terra (al di fuori dell’atmosfera) si può considerare equivalente a quella di corpo nero a circa 5800 °K (esattamente 5778 °K) (campo del visibile) Prof. Ing. Cesare Boffa Un esempio di distribuzione della radiazione solare diretta al suolo è fornito in questa slide. Prof. Ing. Cesare Boffa La quantità di energia raggiante che colpisce una data superficie nell’unità di tempo, si chiama flusso di radiazione, si indica con W e si misura in Watt Prof. Ing. Cesare Boffa Il flusso di radiazione per unità di area ricevente viene chiamato densità di flusso di radiazione, si indica con E e si misura in Watt/m2 Prof. Ing. Cesare Boffa Valori spettrali per unità di lunghezza d’onda Wλ, Eλ Indicano il valore delle grandezze nell’intorno di una lunghezza d’onda, riferito all’unità di lunghezza d’onda Prof. Ing. Cesare Boffa dW = Wλ dλ dW = flusso di radiazione compreso tra le lunghezze d’onda λ e λ+dλ Prof. Ing. Cesare Boffa Valori spettrali per unità di frequenza Wν, Eν Indicano il valore delle grandezze nell’intorno di una frequenza, riferito all’unità di frequenza Prof. Ing. Cesare Boffa dW = Wν dν Cioè flusso di radiazione compreso tra le frequenze ν e ν+dν Prof. Ing. Cesare Boffa Rappresentazione dell’andamento del flusso di radiazione W in funzione della lunghezza d’onda Wλ In ordinate si riportano i valori spettrali del flusso Wλ. Il flusso W è dato dall’integrale di Wλ dW = Wλ dλ λ2 W = ∫ Wλ dλ λ1 λ2 W = ∫ Wλ d λ λ1 [W] [W ] Prof. Ing. Cesare Boffa Esempi di flussi di radiazione infrarossa tra λ=1 µm e λ=9 µm aventi la stessa potenza (W=80 [W]) e diversa distribuzione spettrale Wλ [W/µm] 10 W = 10 ⋅ 8 = 80 [ W ] Esempio A 9 0 1 λ [µm] 15 Wλ [W/µm] Esempio B W = 15 ⋅ 4 + 5 ⋅ 4 = 80 [ W ] 5 0 1 5 9 λ [µm] Prof. Ing. Cesare Boffa Esempio di flusso di radiazione visibile (λ1 = 0,38 µm λ2 =0,78 µm) avente W = 80 [W] come nei due casi precedenti. 200 Wλ 15 Esempio C 0,38 0,78 λ [µm] W = 200 ( 0,78 − 0,38 ) = 80 [ W ] Si osserva come il valore di Wλ sia salito a 200 W/µm contro il valore 10 volte più basso delle radiazioni infrarosse dei due esempi precedenti Prof. Ing. Cesare Boffa Rappresentazione del flusso di radiazione spettrale dell’esempio A in funzione della frequenza Wν | λν = c [W/s -1] c = 3 ⋅ 1014 [ µm] | 10-12 2,96⋅10-13 λ = 1µm ν = 3 ⋅ 1014 [s −1] 10 | -13 λ = 9µm | 10-14 ν = 3,3 ⋅ 1013 [s −1] 10-15 | 11 10 | | | 12 13 14 10 10 10 | 15 10 ν [s-1] Prof. Ing. Cesare Boffa Interazione della radiazione solare con uno strato di materiale trasparente (vetro) Strato di materiale trasparente Wi Wλi Wr Wt Wλr Wa Wλt Wλa Wi Flusso di radiazione incidente globale Wλ i Flusso di radiazione incidente spettrale o monocromatica Prof. Ing. Cesare Boffa Wi Wλi Wr Wλr Wr Flusso di radiazione riflessa globale Wλr Flusso di radiazione riflessa spettrale o monocromatico Prof. Ing. Cesare Boffa Wi Wλi Wr Wλr Wr = r Wii r Coefficiente di riflessione Prof. Ing. Cesare Boffa Wi Wλi Wr Wλr Wλr = rλλ W λiλi rλ Coefficiente di riflessione spettrale o monocromatico Prof. Ing. Cesare Boffa Strato di materiale trasparente Wi Wλi Wr Wt Wλr Wa Wλt Wλa Wt , Wλ t Flusso globale e spettrale o monocromatico di radiazione trasmesso dallo strato di materiale trasparente Prof. Ing. Cesare Boffa Strato di materiale trasparente Wi Wr Wt Wλr Wa Wλt Wλa Wt = t ⋅ Wi Wλλtt = t λλ ⋅ Wλλii Prof. Ing. Cesare Boffa Strato di materiale trasparente Wi Wr Wt Wλr Wa Wλt Wλa t e tλ coefficiente di trasmissione globale e spettrale dello strato di materiale trasparente Prof. Ing. Cesare Boffa Strato di materiale trasparente Wi Wλi Wr Wt Wλr Wa Wλt Wλa Wa , Wλa Flusso di radiazione globale e spettrale o monocromatico assorbita dallo strato di materiale trasparente Prof. Ing. Cesare Boffa Strato di materiale trasparente Wi Wr Wt Wλr Wa Wλt Wλa Wa = a ⋅ Wi Wλλaa = a λλ ⋅ Wii Prof. Ing. Cesare Boffa Strato di materiale trasparente Wi Wr Wt Wλr Wa Wλt Wλa a ed aλ coefficiente di assorbimento globale e spettrale dello strato di materiale trasparente Prof. Ing. Cesare Boffa Strato di materiale trasparente Wi Wr Wt Wλr Wa Wλt Wλa r,a, t rλ , a λ , t λ Coefficienti di riflessione, assorbimento e trasmissione di uno strato di materiale (se vetro a ed aλ≅0,) Prof. Ing. Cesare Boffa Se la superficie, anziché trasparente (vetro) è opaca (es. pareti di un edificio) t≅0, tλ≅0 Prof. Ing. Cesare Boffa In condizioni di regime Wi Wr Wt Wa Wi = Wr + Wa + Wt Wi = rWi + aWi + tWi 1= r + a + t Equazione di conservazione della energia in regime stazionario Prof. Ing. Cesare Boffa In condizioni di regime Wi Wr Wt Wa Wλ i = Wλ r + Wλ a + Wλ t Wλ i = rλ Wλi + aλ Wλi + t λ Wλ i 1 = rλ + aλ + t λ Equazione di conservazione della energia in regime stazionario Prof. Ing. Cesare Boffa 0 < r, rλ < 1 0 < a, aλ < 1 0 < t, t λ < 1 [r ] = [rλ ] = [a] = [aλ ] = [t] = [t λ ] = 0 a dim ensionati Prof. Ing. Cesare Boffa Superfici selettive Se rλ varia con λ la superficie cui rλ si riferisce si dice selettiva Se tλ varia con λ il materiale trasparente cui tλ si riferisce si dice selettivo Prof. Ing. Cesare Boffa tλ 1 a) b) 0,5 Campo del visibile 0 1 2 3 4 λ[µm] Schematizzazione dell’andamento del coefficiente di trasmissione spettrale o monocromatico di una lastra di vetro comune (a) e “antisolare” (b). Si nota come entrambe le lastre siano selettive Prof. Ing. Cesare Boffa tλ Coefficiente di trasmissione Vetro comune 0,9 1 0,1 0 0 Radiazione incidente Eλi 1 2 3 4 3 4 100 10 [W/m2µm] 0 0 Eλt Radiazione trasmessa λ[µm] 1 10 2 λ[µm] 90 E λt = t λ ⋅ E λi [W/m2µm] 10 0 1 2 3 4 λ[µm] Radiazione incidente sul vetro comune [tot 400 W/m2] Radiazione trasmessa dal vetro comune [tot 280 W/m2] Calcolo della radiazione trasmessa attraverso un vetro comune Prof. Ing. Cesare Boffa Coefficiente di trasmissione tλ 0,9 1 Vetro antisolare 0,1 0 1 0 Radiazione incidente Eλi 2 3 4 λ[µm] 3 4 λ[µm] 100 10 [W/m2µm] 0 1 0 Eλt Radiazione trasmessa 10 2 90 E λt = t λ ⋅ E λi [W/m2µm] 10 0 1 2 Radiazione incidente sul vetro antisolare 3 4 λ[µm] [tot 400 W/m2] Radiazione trasmessa dal vetro antisolare [tot 120 W/m2] Calcolo della radiazione trasmessa attraverso un vetro antisolare Prof. Ing. Cesare Boffa Radiazione incidente (luce bianca) Superficie opaca di colore verde 100 Eλi [W/m2 µm] 0 0 rλ Coefficiente di riflessione spettrale della superficie (verde) 1 λ[µm] 1 λ[µm] 1 λ[µm] 0,9 0 0 Eλr [W/m2 µm] 0,495 0,566 90 90 Radiazione riflessa (verde) 0 0 Radiazione riflessa ∞ E r = ∫ E λr d λ = o ∫ 0 ,566 0 , 495 E λ irλ d λ = ( 0,566 − 0,495 ) ⋅ 90 = 6,39 W / m2 Calcolo della radiazione riflessa da una superficie di colore verde Prof. Ing. Cesare Boffa
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