Per quanto riguarda il sistema di riscaldamento della parte residenziale, sono stati preferiti i pannelli radianti, sistema più performante (Buderus, 2009 – Giacomini, 2015).
Il riscaldamento a pannelli funziona con differenze di temperatura di pochi gradi tra la superficie del pavimento e l'aria ambiente. Non si producono quindi correnti d'aria calda che salgono rapidamente, sollevando polvere che si deposita su pareti e soffitti (Fig. 4.4) (Grassi, 2015). Le superfici dei corpi scaldanti (quando superano i 40°C) provocano la combustione del pulviscolo in essa contenuto. Ed è questa la causa principale del senso di arsura e di irritazione alla gola che spesso si avverte negli ambienti
68 riscaldati con radiatori e ventilconvettori, oltre alla formazione dei tipici aloni e le striature nerofumo che appaiono dietro e sopra i corpi scaldanti.
Al contrario, l’impianto a pannelli radianti, mettendo in gioco temperature relativamente basse, non provoca alcuna alterazione dell’aria o inconvenienti estetici, inoltre non si creano condizioni per la proliferazione di acari e quindi di malattie allergiche.
Figura 4.4 Circolazione moti convettivi a confronto (fonte Grassi, 2015)
Bisogna evidenziare che la temperatura di benessere non è quella dell’aria contenuta in un ambiente climatizzato, ma quella risultante come media tra l’aria e le superfici che circondano la persona inserita nell’ambiente stesso.
Come si vede dalle immagini (Fig. 4.5) (Grassi, 2015) la curva di riscaldamento dei pannelli è quella che più si avvicina alla curva ideale di riscaldamento per condizioni di benessere ambientale. Infatti con il sistema a pavimento si evita che il calore stratifichi sul soffitto procurando così un benessere ad altezze ottimali. Agli effetti del comfort, inteso in senso strettamente termico, è rilevante la norma UNI EN ISO 7730 e successive integrazioni.
Figura 4.5 Distribuzione delle temperature dell'aria in relazione al tipo di corpo scaldante (fonte Grassi, 2015) L’analisi delle principali caratteristiche dei pannelli (Doninelli, Quaderni Caleffi) si suddivide in tre parti:
la scelta dei tubi lo sviluppo dei pannelli
Sistema convezionale
Sistema a pannelli radianti
69 la messa in opera dei tubi
I tubi in materia plastica sono quelli che meglio si prestano a realizzare i pannelli, perché a differenza dei tubi metallici sono facili da porsi in opera, non si corrodono e non consentono il formarsi di incrostazioni.
Normalmente si utilizzano tubi in polietilene reticolato (PEX), polibutene (PB) e polipropilene (PP). I diametri solitamente utilizzati per realizzare i pannelli sono il 16/13 e il 20/16 (espressi in millimetri) e la nostra scelta è ricaduta sul secondo: De=20mm e Di=16mm. Ogni locale è riscaldato con un pannello specificatamente riservato, è così possibile regolare la sua temperatura ambiente in modo autonomo, cioè senza modificare l’equilibrio termico ed idraulico degli altri locali, ulteriore vantaggio rispetto ai sistemi tradizionali. La scelta di realizzare i pannelli con sviluppo a spirale offre alcuni vantaggi rispetto
allo sviluppo a serpentina (Fig. 4.6-4.7).
Una temperatura superficiale più omogenea; i tubi di mandata e ritorno si sviluppano fra loro in modo alterno
Una maggior facilità di posa in opera; la realizzazione delle spirali richiede solo due curve a 180°:quelle centrali, cioè quelle in cui lo sviluppo della spirale si inverte
Figura 4.6-4.7 Sviluppo dei pannelli radianti (fonte Quaderno Caleffi )
Gli impianti a pannelli radianti consentono inoltre apprezzabili risparmi energetici essenzialmente per questi motivi:
La maggior temperatura operante che permette (a pari temperatura ambiente) risparmi medi variabili dal 5 al 10%
Il minor gradiente termico tra pavimento e soffitto che comporta risparmi energetici più elevati quanto maggiore è l’altezza dei locali
L’uso di basse temperature che riduce le dispersioni lungo le tubazioni Il non surriscaldamento delle pareti poste dietro i radiatori
La mancanza di moti convettivi d’aria calda sulle superfici vetrate
Gli svantaggi dei pannelli radianti riguardano essenzialmente aspetti connessi alla temperatura superficiale del pavimento, all’inerzia termica dell’impianto e a difficoltà di ordine progettuale. Gli impianti a pannelli sono caratterizzati dall’avere un’elevata inerzia termica in quanto, per cedere calore, utilizzano le strutture in cui sono annegati i pannelli stessi. Il loro utilizzo ottimale prevede l’installazione in ambienti riscaldati con continuità, per questo è stato deciso di posizionare i pannelli negli edifici residenziali che prevedono un indice di affollamento più o meno costante durante l’arco dell’intera giornata. Infatti l’impianto è tenuto acceso 24 h su 24 senza contare nei calcoli la potenza di ripresa così da evitare interruzioni o rallentamenti di funzionamento che prevederebbero poi tempi di attivazione e disattivazione dell’impianto che vanno normalmente anticipati di due ore per l’elevata inerzia termica di questa tipologia.
Si usano anche per il raffrescamento dei locali. Le prestazioni del sistema radiante dipendono in modo particolare dalla stratigrafia del rivestimento del pavimento, soprattutto per quanto riguarda lo strato di isolamento termico utilizzato per limitare le dispersioni di calore tra i tubi e l’ambiente retrostante. I valori limite di resistenza termica, nel caso di sistemi che funzionano per riscaldamento e raffrescamento, sono definiti, nella norma UNI EN 1264-4, in base alla temperatura del locale adiacente o sottostante. Sono riassunti nella figura sottostante (Fig. 4.8):
70 Figura 15
Figura 4.8 Valori resistenza termica (UNI EN 1264-4)
Figura 4.9 Soletta radiante tipo (fonte Quaderni Caleffi )
Le strutture di contenimento dei pannelli sono costituite essenzialmente dalla soletta, dal materiale isolante, dal massetto e dal pavimento (Fig. 4.9-4.10) (Doninelli, Quaderni Caleffi). Gli isolanti, posti sotto i pannelli, servono a ridurre il calore ceduto verso il basso e a limitare l’inerzia; quelli più utilizzati sono in polistirene e in poliuretano. Il massetto deve essere realizzato con un impasto fluido per evitare la formazione di piccole sacche d’aria che possono essere di ostacolo alla regolare trasmissione del calore; lo spessore minimo del massetto sopra i tubi deve essere uguale a 40 mm per i massetti di finitura, cioè i massetti sopra cui si prevede di realizzare subito la posa del pavimento. Per quest’ultimo come indicato in normativa è consigliabile non adottare pavimenti con una resistenza superiore a 0,150 𝑚2𝐾
71 Figura 4.10 Struttura pavimento tipo per impianto di riscaldamento a pavimento
Per il dimensionamento dei pannelli radianti si utilizza la normativa in merito e i quaderni Caleffi, azienda produttrice del settore (Doninelli, Quaderni Caleffi). Il procedimento è stato ripetuto identico per ciascun piano dell’edificio e per le tre tipologie di appartamento descritte precedentemente. Innanzitutto è stato calcolato il fabbisogno termico, attraverso la temperatura minima di Trieste -5°C per rimanere cautelativi, di ogni locale: salotto-cucina, camera da letto e bagno.
Il fabbisogno termico dei locali da riscaldare è la potenza richiesta al pannello, cioè il calore rilasciato verso l’alto. Come superficie utile per installare i pannelli si è scelto di utilizzare unicamente una superficie centrale della stanza cosi da ridurre dispersioni di calore inutile in zone limite e per prevedere l’installazione di mobilia che altrimenti ridurrebbe l’efficacia dei pannelli radianti durante il loro funzionamento.
Per decidere il valore dell’interasse di posa tra i tubi, sono state eseguite quattro prove con i seguenti valori 0,075 m, 0,15 m, 0,2 m e 0,3 m. Si sceglie di sviluppare i pannelli utilizzando un interasse costante con valore di 0,3 m, corrispondente a quello che consente una lunghezza complessiva minore e quindi un maggior risparmio a livello economico. La lunghezza del pannello si calcola con la relazione 𝐿 = 𝐿𝑎+
𝑆
𝐼 dove L è la lunghezza del pannello, 𝐿𝑎 la lunghezza di adduzione (andata e ritorno) fra il
collettore e il pannello, S la superficie coperta dal pannello e I l’interasse del pannello.
Per evitare condizioni di malessere fisiologico, è necessario che la temperatura superficiale a pavimento sia inferiore a 29°C. Si calcola con la formula
𝑇𝑃= 𝑇𝑎+ (
𝑄 8,92)
1 1,1
dove 𝑇𝑎 è la temperatura ambiente e Q la potenza termica specifica, verso l’alto, del pannello (W/m2). I
valori numerici, presenti nella formula, derivano dalla formulazione tipiche della potenza specifica verso l’alto emessa per unità di superficie da un impianto a pavimento riportata nella normativa specifica (UNI EN 1264-2). Per tutti i locali il limite è rispettato.
Imponendo un salto logaritmico pari a 10 e una temperatura di ingresso acqua nelle tubazioni di 30°C, attraverso la formula seguente si calcola la temperatura di uscita del fluido dalle tubazioni, pari a 29 °C.
Q=S* ∆T*B*𝐹𝑃*𝐹𝐼∗ 𝐹𝑚∗ 𝐹𝐷
Q=flusso di calore verso l’alto emesso dal pannello, W S= superficie coperta dal pannello, m2
72 B= fattore relativo alle caratteristiche del tubo 𝑊
𝑚2 𝐾
𝐹𝑃 = fattore relativo alla resistenza termica del pavimento, adimensionale
𝐹𝐼 = fattore relativo all’interasse dei tubi, adimensionale
𝐹𝑚 = fattore relativo allo spessore del massetto sopra i tubi, adimensionale
𝐹𝐷 = fattore relativo al diametro esterno del tubo, adimensionale
La media logaritmica fra la temperatura del fluido e la temperatura ambiente si calcola con la seguente formula
∆T=
(𝑇𝑒−𝑇𝑢)𝑙𝑛(𝑇𝑒−𝑇𝑎)
(𝑇𝑢−𝑇𝑎)
dove 𝑇𝑒 è la temperatura di entrata del fluido scaldante (°C), 𝑇𝑢 è la temperatura di uscita del fluido
scaldante (°C) e 𝑇𝑎 è la temperatura dell’aria ambiente (°C). I vari fattori si possono spiegare di seguito.
Il primo fattore B è pari a 6,7 𝑊
𝑚2 𝐾 per tubi con spessore pari a 0,02 m e con conducibilità termica di 0,350 𝑊
𝑚 𝐾 .
Il secondo fattore si può ricavare con questa formula: 𝐹𝑃= 1 𝛼 + 𝑠𝑚𝑜 𝜆𝑚𝑜 1 𝛼 + 𝑠𝑚𝑜 𝜆𝑚 + 𝑅𝑝 con 𝛼=10,8 𝑊 𝑚2𝐾, 𝑠𝑚𝑜=0,045 m, 𝜆𝑚𝑜=1,0 𝑊
𝑚𝐾, 𝜆𝑚conducibilità termica del massetto (2,02 𝑊
𝑚𝐾) 𝑒 RP
resistenza termica del pavimento (0,01 𝑚 2𝐾
𝑊 ). Il terzo fattore si indica con il simbolo FI e si calcola con
la formula
𝐹𝐼= 𝐴𝐼𝑥
dove il fattore 𝐴𝐼è determinabile da tabella in normativa e l’esponente x è calcolabile con la relazione,
dove I è l’interasse dei tubi:
x=1- 𝐼
0,075
Penultimo fattore si indica col simbolo Fm e si calcola con la formula 𝐹𝑚= 𝐴𝑚𝑦
dove il fattore 𝐴𝑚è determinabile da tabella in normativa e l’esponente y è calcolabile con la relazione,
dove sm è lo spessore del massetto sopra i tubi:
y=100 – (0,045-sm)
L’ultimo fattore si indica con il simbolo FD e si calcola con la formula 𝐹𝐷= 𝐴𝐷𝑧
dove il fattore 𝐴𝐷è determinabile da tabella in normativa e l’esponente z è calcolabile con la relazione,
dove De è il diametro esterno del tubo:
z=250 – (De – 0,020)
Si determina la portata (l/h) del pannello attraverso la formula seguente: G = (𝑇 𝑄 𝑒−𝑇𝑢)∙1,16 [1 + 1 𝛼+𝑅𝑃+ 𝑠𝑚 𝑚 𝑅𝑠 + 𝑆∙(𝑇𝑎−𝑇𝑠) 𝑄∙ 𝑅𝑠 ]
rispetto alle formule già citate i nuovi simboli sono Te e Tu, rispettivamente temperatura di entrata e di uscita del fluido scaldante, Rs resistenza termica sotto pannello, Ta temperatura dell’aria ambiente e Ts temperatura del locale o del terreno sottostante.
Si calcola quindi il flusso di calore totale emesso da un pannello con la relazione 𝑄𝑇𝑂𝑇 = (𝑇𝑒− 𝑇𝑢) ∙ 𝐺 ∙ 1,16
73 e il flusso di calore emesso verso il basso (indicato come Qs), come differenza tra il flusso totale e il flusso emesso verso l’alto. Per gli ambienti posti al primo piano e al piano terra si deve togliere dal fabbisogno termico dei locali da riscaldare il contributo termico dei pannelli posti al piano superiore, quota di calore rilasciato verso il basso.
Gli ultimi calcoli riguardano le velocità (m/s) del fluido nelle tubazioni e i numeri di Reynolds relativi. La tabella riassume tutti i risultati ottenuti applicando le formule sopra descritte (Tab. 4.3).
ULTIMO PIANO LUNGHEZZA (m) PORTATA (l/h) FLUSSO CALORE VERSO ALTO (W) FLUSSO CALORE VERSO BASSO (W) VELOCITA’ (m/s) SALOTTO- CUCINA 81 551,51 572 68 0,76 CAMERA DA LETTO 30,7 289,80 300 36 0,40 BAGNO 17,3 206,37 214 25 0,30 PRIMO PIANO LUNGHEZZA (m) PORTATA (l/h) FLUSSO CALORE VERSO ALTO (W) FLUSSO CALORE VERSO BASSO (W) VELOCITA’ (m/s) SALOTTO- CUCINA 81 350,41 363 43 0,48 CAMERA DA LETTO 30,7 289,80 300 36 0,40 BAGNO 17,3 206,37 214 25 0,30 PIANO TERRA LUNGHEZZA (m) PORTATA (l/h) FLUSSO CALORE VERSO ALTO (W) FLUSSO CALORE VERSO BASSO (W) VELOCITA’ (m/s) SALOTTO- CUCINA 81 427,08 443 52 0,59 CAMERA DA LETTO 30,7 366,37 380 45 0,51 BAGNO 17,3 206,37 214 25 0,30
Tabella 4.3 Tabella riassuntiva dimensionamento pannelli radianti