FISICA TECNICA E IMPIANTI

Conoscenza e comprensione

Al termine dell'insegnamento lo studente conosce e comprende:

•      i principi della termodinamica applicata e la loro formulazione per sistemi con e senza deflusso, i cicli diretti e inversi e i sistemi di conversione dell'energia che ne derivano (caldaie, macchine frigorifere, pompe di calore);

•      i meccanismi di trasmissione del calore — conduzione, convezione, irraggiamento — e la loro combinazione nei componenti dell'involucro edilizio;

•    il comportamento termo-igrometrico dell'involucro opaco e trasparente in regime stazionario e in regime dinamico, e il quadro normativo che ne governa le verifiche;

•      le proprietà dell'aria umida e le trasformazioni psicrometriche alla base degli impianti di climatizzazione;

•      i regimi di moto dei fluidi e i criteri di configurazione e dimensionamento degli impianti idronici;

•      i fondamenti dell'illuminotecnica: grandezze fotometriche, sorgenti luminose, illuminazione naturale e artificiale degli ambienti confinati;

•      i principi di funzionamento e i criteri di dimensionamento degli impianti solari termici e fotovoltaici;

•      i modelli di valutazione del comfort termico — approccio di Fanger per gli ambienti termostatizzati e approccio adattivo per gli ambienti free running — e i criteri di valutazione del comfort visivo.

Capacità di applicare conoscenza e comprensione

Al termine dell'insegnamento lo studente è in grado di:

•      impostare e risolvere bilanci di massa ed energia per sistemi termodinamici e per ambienti confinati;

•  calcolare il carico termico estivo e invernale di un locale e dimensionare in prima approssimazione i principali componenti di un impianto termico, di climatizzazione o idronico, incluse le perdite di carico nelle reti di distribuzione;

•    valutare le prestazioni termofisiche dell'involucro opaco e trasparente ed eseguire le verifiche di legge relative a trasmittanza termica, condensa superficiale e interstiziale, ponti termici e prestazione degli infissi;

•      utilizzare i diagrammi psicrometrici per rappresentare le trasformazioni dell'aria umida e quantificare le potenze sensibili, latenti e totali coinvolte;

•    impostare il dimensionamento di massima di un impianto solare termico e di un impianto fotovoltaico, dalla stima del fabbisogno alla verifica della superficie captante e del volume di accumulo;

•  valutare le condizioni di comfort termico e visivo di un ambiente e correlarle alle scelte progettuali architettoniche in termini di orientamento, involucro, schermature e distribuzione delle aperture.

Autonomia di giudizio

Lo studente acquisisce la capacità di valutare criticamente i risultati dei calcoli svolti, riconoscendone l'ordine di grandezza e la plausibilità fisica; di confrontare soluzioni alternative di involucro e di impianto selezionando quella più appropriata al contesto climatico, funzionale e normativo; di riconoscere i limiti di validità dei modelli semplificati adottati e le implicazioni delle ipotesi assunte. Tali capacità sono sviluppate attraverso le esercitazioni numeriche applicative, la discussione guidata dei casi progettuali proposti a lezione e il confronto sistematico dei risultati con i valori limite prescritti dalla normativa vigente.

In questa prospettiva l'insegnamento contribuisce all'Agenda 2030 per lo Sviluppo Sostenibile delle Nazioni Unite, affrontando tematiche legate all'energia, all'efficienza energetica degli edifici e all'impatto ambientale delle tecnologie edilizie, in accordo con i seguenti Obiettivi di Sviluppo Sostenibile (SDGs):

•     SDG 4 — Istruzione di qualità: gli studenti acquisiscono conoscenze che li rendono consapevoli delle sfide energetiche e ambientali, preparandoli a ideare soluzioni innovative in campo edilizio e tecnologico;

•      SDG 7 — Energia pulita e accessibile: attraverso lo studio di pompe di calore, solare termico e fotovoltaico, il corso forma all'uso di tecnologie per l'energia rinnovabile e l'efficienza energetica negli edifici;

•      SDG 11 — Città e comunità sostenibili: la centralità della qualità dell'aria, del benessere termo-igrometrico e della gestione del fabbisogno energetico prepara alla progettazione di edifici sostenibili e confortevoli, promuovendo città più inclusive e resilienti;

•      SDG 12 — Consumo e produzione responsabili: gli studenti apprendono come ridurre i consumi energetici, limitando l'impatto ambientale e promuovendo un uso sostenibile delle risorse;

•    SDG 13 — Lotta contro il cambiamento climatico: lo studio dei sistemi a fonte rinnovabile fornisce gli strumenti per promuovere soluzioni essenziali alla mitigazione del cambiamento climatico.

Abilità comunicative

Lo studente sviluppa la capacità di illustrare, in forma scritta e orale e con appropriata proprietà di linguaggio tecnico, il procedimento seguito e i risultati ottenuti, motivando le scelte compiute; di impiegare correttamente simboli, unità di misura del Sistema Internazionale e rappresentazioni grafiche convenzionali della disciplina (diagrammi di stato, diagrammi psicrometrici, schemi funzionali di impianto); di dialogare con le altre figure tecniche del processo edilizio su temi energetici e impiantistici. Tali abilità sono sviluppate attraverso la richiesta di esplicitare e commentare i passaggi di calcolo nelle esercitazioni e nelle prove scritte, la discussione in aula degli elaborati e la prova orale integrativa.

Capacità di apprendimento

Lo studente acquisisce la capacità di consultare autonomamente manuali tecnici, norme tecniche di settore e legislazione energetica nazionale, aggiornando le proprie conoscenze rispetto all'evoluzione normativa e tecnologica; di reperire e interpretare i dati termofisici e climatici necessari alla soluzione di un problema progettuale; di affrontare in autonomia lo studio di insegnamenti successivi e di attività professionali nei settori della progettazione ambientale, della diagnosi e della certificazione energetica degli edifici. Tali capacità sono sviluppate attraverso lo studio individuale guidato dai riferimenti bibliografici numerati richiamati nella «Programmazione del corso» e attraverso l'uso diretto delle fonti normative e dei software di calcolo durante le esercitazioni.

L'insegnamento prevede 82 ore di didattica, di cui 56 ore di Didattica Erogativa e 26 ore di Didattica Interattiva.

La Didattica Erogativa è costituita da lezioni frontali sui fondamenti teorici della termodinamica applicata, della trasmissione del calore, della fisica tecnica ambientale e degli impianti, ed è prevalentemente finalizzata al conseguimento dei risultati di apprendimento relativi alla conoscenza e comprensione.

La Didattica Interattiva si svolge sotto forma di esercitazioni numeriche applicative sui temi trattati a lezione — bilanci energetici, dimensionamento di impianti, verifiche termofisiche dell'involucro, calcoli psicrometrici — anche con l'ausilio di software di calcolo dedicati, e di discussione guidata di casi progettuali. Tali attività sono finalizzate allo sviluppo della capacità di applicare conoscenza e comprensione, nonché dei descrittori trasversali: l'analisi comparata di soluzioni impiantistiche e d'involucro e il confronto dei risultati con i valori limite normativi concorrono all'autonomia di giudizio; la richiesta di esporre e motivare i procedimenti seguiti concorre alle abilità comunicative; l'uso autonomo di norme tecniche, manuali e dati climatici concorre alla capacità di apprendimento.

Qualora l'insegnamento venisse impartito in modalità mista o a distanza potranno essere introdotte le necessarie variazioni rispetto a quanto sopra dichiarato, al fine di rispettare il programma previsto e riportato nel presente syllabus.

Sono fondamentali conoscenze di base di fisica generale (in particolare termodinamica e meccanica dei fluidi) e di analisi matematica (calcolo differenziale e integrale), tipicamente acquisite nei corsi del primo anno del percorso di studi. Tali conoscenze non costituiscono propedeuticità formale, ma agevolano notevolmente la comprensione degli argomenti trattati.

1. Termodinamica 

Unità di misura e Principio Zero della termodinamica. Sistema termodinamico. Proprietà estensive e intensive. Processi termodinamici. Grandezze di stato e grandezze di scambio. Calore e lavoro. Lavoro termodinamico per sistemi con e senza deflusso. Primo principio della Termodinamica. Diagrammi di stato. Gas ideali e gas reali. Fluidi incomprimibili. Calore specifico. Secondo Principio della Termodinamica. Ciclo diretto di Carnot ed Entropia. Ciclo inverso di Carnot e irreversibilità. Fluidi frigorigeni. Pompe di calore. Combustione e potere calorifico. Caldaie.

2. Psicrometria e impianti ad aria

Aria umida. Diagrammi psicrometrici caratteristici. Trasformazioni dell’aria umida e trattamenti negli impianti di condizionamento a tutt'aria. Calore sensibile, latente e totale. Calcolo del carico termico di un locale. Schema di impianto di una UTA.

3. Fluidodinamica e impianti ad acqua 

Viscosità. Regimi di moto dei fluidi. Deflussi con attrito e perdite di carico. Schemi di impianti idronici e loro componenti. Dimensionamento delle componenti di impianto. Calcolo delle perdite di carico distribuite e concentrate nelle reti di distribuzione e nei canali.

4. Trasmissione del calore

5. Illuminotecnica

6. Impianti Solari Termici e Fotovoltaici

Calcolo energia solare captata. Stima fabbisogno energetico acqua calda sanitaria. Stima fabbisogno energia elettrica. Calcolo superficie captante e numero collettori/pannelli. Verifica della distanza tra collettori/pannelli. Stima volume d’accumulo. Componenti dell’impianto fotovoltaico. Progettazione, installazione e manutenzione di un impianto fotovoltaico.

7. Termofisica dell'edificio

Proprietà termofisiche dei materiali da costruzione. La trasmittanza termica stazionaria e l'isolamento termico. Il regime termico estivo e i parametri termici dinamici. Le verifiche di legge per l'involucro opaco. Termo-igrometria. Verifiche di condensa e muffa. I ponti termici. L'involucro trasparente. I sistemi di schermatura e ombreggiamento. Le verifiche di legge per gli infissi.  

8. Comfort termico

Le variabili ambientali e soggettive del comfort. La teoria di Fanger per ambienti termostatizzati. La teoria adattiva per ambienti free running.  

1. Cesini G., Latini G., Polonara, F., Fisica Tecnica, Città Studi Edizioni, 2017
   
2. Cengel Yunus A.,Termodinamica e trasmissione del calore, McGraw-Hill, 2009
3. Bettanini E., Brunello P., Lezioni di impianti tecnici vol.1 e vol.2, CLEUP, 1993
4. Forcolini G., Interior lighting, HOEPLI, 2019
5. Appunti del docente

L'esame si articola in una prova scritta della durata indicativa di due ore, strutturata in 2 esercizi numerici e 4 domande a risposta multipla sui contenuti del corso; agli esercizi è attribuito complessivamente un punteggio di 18/30 e alle domande a risposta multipla un punteggio di 8/30. La prova si intende superata con una votazione non inferiore a 18/30.

Per gli studenti frequentanti, ossia coloro che abbiano partecipato ad almeno il 75% delle lezioni, sono previste due prove in itinere, ciascuna vertente su una parte del programma e strutturata secondo la medesima tipologia della prova scritta. Ciascuna prova si intende superata con una votazione non inferiore a 18/30; il superamento di entrambe consente di verbalizzare l'esame con una votazione pari alla media delle due prove e comunque non superiore a 26/30. L'esito delle prove in itinere conserva validità fino al termine del semestre accademico di riferimento.

Gli studenti che intendano migliorare la valutazione conseguita nella prova scritta o nelle prove in itinere possono sostenere una prova orale integrativa. Nella prova orale si valutano in particolare: la pertinenza delle risposte rispetto alle domande poste, la qualità e l'organicità dei contenuti esposti, la capacità di collegamento fra i diversi argomenti del programma, la capacità di fornire esempi applicativi e la proprietà di linguaggio tecnico.

Ai fini dell'attribuzione del voto finale si terrà conto dei seguenti parametri:

•    Esame non superato: lo studente non possiede la conoscenza minima richiesta dei contenuti principali dell'insegnamento; la capacità di utilizzare il linguaggio tecnico specifico è scarsa o nulla e non è in grado di impostare autonomamente i procedimenti di calcolo.

•     Voto 18–21: lo studente possiede una conoscenza minima dei principi della termodinamica, della trasmissione del calore e degli impianti; imposta i procedimenti di calcolo solo se guidato, con modesta capacità di analisi critica dei risultati, ed espone gli argomenti in modo sufficientemente chiaro sebbene la proprietà di linguaggio sia poco sviluppata.

•     Voto 22–25: lo studente possiede una discreta conoscenza dei contenuti, anche se limitata agli argomenti principali; svolge autonomamente i calcoli richiesti e ne interpreta i risultati in modo non sempre lineare, esponendo gli argomenti in modo abbastanza chiaro e con discreta proprietà di linguaggio tecnico.

•   Voto 26–28: lo studente possiede una buona conoscenza dei contenuti, risolve autonomamente problemi applicativi anche complessi, valuta criticamente la plausibilità dei risultati e li confronta con i requisiti normativi, esponendo gli argomenti in modo chiaro e con linguaggio tecnico appropriato.

•   Voto 29–30 e lode: lo studente possiede una conoscenza approfondita dei contenuti, integra e collega criticamente gli argomenti del programma, risolve prontamente e correttamente problemi di elevata complessità motivando le scelte progettuali adottate, e dimostra ottime capacità comunicative e piena proprietà di linguaggio tecnico.

La verifica dell'apprendimento potrà essere effettuata anche per via telematica, qualora le condizioni lo dovessero richiedere.

A garanzia di pari opportunità e nel rispetto delle leggi vigenti, gli studenti interessati possono chiedere un colloquio personale in modo da programmare eventuali misure compensative e/o dispensative, in base agli obiettivi didattici ed alle specifiche esigenze. È possibile rivolgersi anche al docente referente CInAP (Centro per l'integrazione Attiva e Partecipata — Servizi per le Disabilità e/o i DSA) del proprio Dipartimento (https://www.cinap.unict.it/content/referenti).

1.     Enunciare il Secondo Principio della Termodinamica e ricavare l'espressione del rendimento del ciclo di Carnot diretto, discutendone il significato fisico.

2.     Illustrare il funzionamento di una pompa di calore, definirne il COP e calcolarne il valore per assegnate temperature della sorgente fredda e del pozzo caldo.

3.     Determinare il carico termico sensibile e latente di un locale di assegnate dimensioni, destinazione d'uso e affollamento, in condizioni estive di progetto.

4.  Rappresentare sul diagramma psicrometrico il trattamento estivo dell'aria in un impianto a tutt'aria e calcolare le potenze termiche scambiate in ciascuna trasformazione.

5.     Calcolare le perdite di carico distribuite e concentrate in un tratto di rete di distribuzione di assegnata geometria e portata, e selezionare il diametro commerciale della tubazione.

6.   Calcolare la trasmittanza termica di una parete multistrato di assegnata stratigrafia e verificarne la conformità ai valori limite di legge per la zona climatica assegnata.

7.     Illustrare il fenomeno della condensa interstiziale ed eseguire la verifica di Glaser per una stratigrafia assegnata, commentando gli esiti.

8.     Definire il fattore medio di luce diurna, illustrarne il metodo di calcolo e verificarne il valore per un ambiente di assegnate dimensioni e superficie finestrata.

9.   Confrontare le principali tipologie di sorgenti luminose artificiali in termini di efficienza luminosa, resa cromatica e temperatura di colore, e illustrare i criteri di progettazione dell'illuminazione artificiale di un ambiente indoor.

10.  Dimensionare di massima un impianto solare termico per la produzione di acqua calda sanitaria a servizio di un'utenza assegnata, determinando la superficie captante, il numero di collettori, la distanza minima fra le file e il volume di accumulo.

11.   Illustrare le variabili ambientali e soggettive che intervengono nel modello di Fanger e definire il significato degli indici PMV e PPD.

12.   Illustrare le differenze fra l'approccio di Fanger e l'approccio adattivo al comfort termico, indicando i rispettivi campi di applicazione.