Speciale 40
Il raffrescamento radiante: </br>vantaggi, svantaggi e tecnologie
Alcuni contenuti di questo speciale:
Articolo
Impianti radianti per il raffrescamento estivo: come ottenere il massimo comfort con il minimo consumo
Gli impianti radianti consentono di avere non solo ottimi risultati di comfort negli ambienti riscaldati, ma anche ottimi risultati dal punto di vista della gestione economica.
La tecnica non è di certo nuova, senza andare indietro nei secoli alle realizzazione delle terme romane, le prime proposte in periodo moderno risalgono ai primi del ‘900 con i brevetti dell’inglese Arthur H. Barker (1870-1954) e gli esperimenti architettonici dell’architetto americano Frank Lloyd Wright (1867-1959). In Italia i sistemi radianti, soprattutto a pavimento, si diffusero e svilupparono negli anni ‘40 e ’50: ne abbiamo un ottimo esempio nella stazione ferroviaria di Venezia completata nel 1952 su progetto dell'ingegner Paolo Perilli. Dopo un paio di decenni di buona diffusione del sistema, si ebbe un rapido declino, dovuto verosimilmente ad una cattiva progettazione, realizzazione e gestione delle prime esecuzioni.
Solo negli anni ’90, con l’arrivo dal nord Europa di tubazioni in materiale plastico e l’introduzione dell’isolamento degli edifici, è iniziata un’autentica riscoperta degli impianti radianti sia a pavimento che a soffitto. Nello stesso periodo, visti gli ottimi risultati raggiunti dal punto di vista di benessere con il riscaldamento, un paio di aziende Italiane (in anticipo rispetto l’intera Europa) iniziarono a sperimentare e proporre sistemi che permettevano di operare anche in raffrescamento estivo attraverso questi sistemi. Per capire meglio come funziona questa tipologia impiantistica il primo punto da fissare è che il raffrescamento estivo non può essere considerato un “condizionamento” dell’aria.
Ora, per rendere più chiaramente il funzionamento, cerchiamo di definire “Comfort Termico”:
la condizione di comfort è soggettiva e personale di ogni individuo, ci sono però delle caratteristiche che possono valere oggettivamente nell’ambiente o nell’individuo. Questa valutazione è stata normalizzata e porta alla terminazione dell’indice PMV (Voto medio prevedibile) che fornisce l’indicazione media di un significativo gruppo di persone che esprimono un voto di sensazione termica su una scala di 7 livelli fornendo di conseguenza l’indice PPD (Percentuale prevedibile d’insoddisfatti).
Le normative fissano le seguenti variabili estive:
1 Temperatura dell’aria compresa tra i 23 e 26°C;
2 Gradiente termico verticale inferiore ai 3°C ;
3 Temperatura minima superficiale al pavimento di 19,5°C;
4 Velocità dell’aria inferiore a 0,25 m/s;
5 Dissimetria di temperatura inferiore a 10°C.
Nella climatizzazione è la temperatura dell’aria il fattore predominante, diversamente nel raffrescamento per irraggiamento, il benessere è poco dipendente dalla temperatura dell’aria visto che l’assorbimento del calore del corpo si effettua prevalentemente per irraggiamento.
Di conseguenza, diversamente dagli impianti tradizionali, con gli impianti radianti gli scambi termici avvengono con queste modalità:
● il corpo umano cede calore al pavimento e alle pareti “raffreddate”;
● le pareti cedono il calore verso la struttura più fredda.
In questa situazione, le temperature delle superfici tendono ad essere uniformi, riducendo notevolmente i rischi di dissimmetrie. Gli scambi termici avvengono senza movimento dell’aria, eliminando quasi completamente i movimenti del particolato presente in essa.
Gli impianti radianti usati quindi con acqua refrigerata ad “alta” temperatura diventano degli “assorbitori di calore” quando la temperatura ambiente è superiore alla temperatura della superficie del pavimento innescando l’effetto chiamato “raffrescamento radiante”.
Ora vediamo un paio di esempi di rese termiche in raffrescamento con impianti radianti per capire meglio le possibilità e i limiti di questa tecnologia.
In questo primo caso prendiamo in considerazione l'utilizzo di due pannelli, nel primo le tubazioni sono installate direttamente nella parete e ricoperte da uno strato di intonaco, nella seconda simulazione vedremo il rendimento di un pannello in cartongesso con la tubazione annegata all’interno dello spessore della lastra.
Temperatura di mandata acqua: 15°C - [Tfm]
Temperatura di ritorno acqua: 18°C - [Tfr]
Temperatura ambiente: 26°C - [Ta]
Temperatura media dell’acqua = (Tfm+Tfr)/2 => (15+18)/2 = 16,5 °C - [Tm]
Temperatura operativa = Ta - Tm => 26 - 16,5 = 9,5 °C
Rese di un pannello tipo (Ray SI)
In questo primo caso il pannello, installato sotto intonaco, renderà circa 56 W/m2 interpolando il valore tra 7 e 10 °C.
Rese di un pannello tipo (Ray 8 cartongesso)
Diversamente, con un pannello in cartongesso renderà circa 54 W/m2 interpolando il valore tra 8 e 10°C. Tengo a precisare che ogni produttore di pannelli in fase di progettazione dovrà fornire una tabella o un grafico con la resa del prodotto preso in considerazione, le differenze di resa normalmente non sono elevate, ma quando i carichi sono molto elevati è necessario avere dei valori esatti.
In questo caso le tubazioni vengono installate sotto il massetto del pavimento e i pannelli isolanti permettono di fissare le tubazioni con diversi “passi”, fornendo diverse rese in base alla distanza delle tubazioni.
Temperatura ambiente 26°C
Spessore del massetto sopra alla tubazione: 45 mm
Salto termico: 2,0 K
Coefficiente Alfa pavimento freddo secondo UNI EN 1264-5: 6.5 W/m2K
Secondo la UNI EN 1264-3, la temperatura di mandata non deve essere inferiore a 1K sotto al valore di temperatura di rugiada, calcolato sulle condizioni ambiente se è presente un sistema di deumidificazione.
Occorre sottolineare che, nella realtà, le rese sono più elevate, in quanto la radiazione solare diretta o rifratta attraverso le finestre aumenta di molto, anche se localmente, lo scambio termico. Purtroppo una valutazione analitica e corretta degli scambi termici radianti risulta molto complessa e praticamente non è strettamente necessaria ai fini dei calcoli.
Queste rese sono calcolate per avere una temperatura superficiale del pavimento minima di 19,5°C seppur “limitate” da due fattori: evitare di creare choc termici per troppo freddo ai piedi ed evitare categoricamente la formazione di condensa sulle superfici fredde.
Il valore della temperatura superficiale del pavimento nasce dalle seguenti considerazioni:
Come vedete la temperatura dei 19,5°C deriva da esperienze dirette nel campo e da conferme teoriche estrapolate dal diagramma psicrometrico.
Il solo raffrescamento radiante permette di ottenere condizioni di temperatura all’interno degli ambienti vicini ai parametri di comfort, spesso però, a causa di elevati valori di umidità relativa, questi valori possono essere raggiunti solo usando un sistema di deumidificazione adiabatica. In passato molte aziende per risparmiare sui costi proponevano una deumidificazione tramite ventilconvettori, ma questa soluzione si è rilevata poco compatibile con le inerzie presenti nei sistemi radianti, fornendo sensazioni di malessere, con abbassamenti di temperatura non desiderati.
Un particolare che spesso non viene considerato è che l’umidità relativa ambiente è omogenea in tutte le stanze. Questa caratteristica permette di evitare l'utilizzo di sistemi di ventilazione forzata per distribuire l’aria trattata, al contrario otteniamo un risultato migliore con una ventilazione debole, che non crea movimenti d’aria fredda e rumori non graditi. E’ chiaro che i locali devono essere in comunicazione tra loro.
Il deumidificatore dovrà trattare l’aria in modo da eliminare una quantità di acqua tale da ottenere valori di umidità relativa per l’aria ambiente vicini a 50-55% U.R.
Quindi, sempre attraverso il diagramma psicrometrico, per ottenere una quantità di 11-12g di acqua per Kg di aria, dovremmo condensare circa 5-6 g di acqua per ogni Kg, cioè 6-7g per ogni metro cubo di aria trattata.
Riassumendo, per effettuare un buon raffrescamento radiante servono, in aggiunta al classico impianto radiante, i seguenti componenti:
Gli impianti radianti presentano tantissimi vantaggi. Questo sistema aderisce perfettamente alle richieste di abitazioni di prestigio e in strutture dove si ricerca l’alta qualità energetica con elevati standard di benessere garantendo le seguenti caratteristiche:
Questa panoramica degli impianti di raffrescamento radiante è stata pensata solo per evidenziarne le caratteristiche e i limiti fisici di questo sistema di riscaldamento e raffrescamento, in futuro tratteremo altri approfondimenti nei quali valuteremo i sistemi di posa e i trucchi per ottenere ottimi risultati finali, per garantire la soddisfazione dell’utente finale.
A cura di Andrea Bernardi, consulente energetico.
www.andreabernardi.it
La tecnica non è di certo nuova, senza andare indietro nei secoli alle realizzazione delle terme romane, le prime proposte in periodo moderno risalgono ai primi del ‘900 con i brevetti dell’inglese Arthur H. Barker (1870-1954) e gli esperimenti architettonici dell’architetto americano Frank Lloyd Wright (1867-1959). In Italia i sistemi radianti, soprattutto a pavimento, si diffusero e svilupparono negli anni ‘40 e ’50: ne abbiamo un ottimo esempio nella stazione ferroviaria di Venezia completata nel 1952 su progetto dell'ingegner Paolo Perilli. Dopo un paio di decenni di buona diffusione del sistema, si ebbe un rapido declino, dovuto verosimilmente ad una cattiva progettazione, realizzazione e gestione delle prime esecuzioni.
Solo negli anni ’90, con l’arrivo dal nord Europa di tubazioni in materiale plastico e l’introduzione dell’isolamento degli edifici, è iniziata un’autentica riscoperta degli impianti radianti sia a pavimento che a soffitto. Nello stesso periodo, visti gli ottimi risultati raggiunti dal punto di vista di benessere con il riscaldamento, un paio di aziende Italiane (in anticipo rispetto l’intera Europa) iniziarono a sperimentare e proporre sistemi che permettevano di operare anche in raffrescamento estivo attraverso questi sistemi. Per capire meglio come funziona questa tipologia impiantistica il primo punto da fissare è che il raffrescamento estivo non può essere considerato un “condizionamento” dell’aria.
Ora, per rendere più chiaramente il funzionamento, cerchiamo di definire “Comfort Termico”:
la condizione di comfort è soggettiva e personale di ogni individuo, ci sono però delle caratteristiche che possono valere oggettivamente nell’ambiente o nell’individuo. Questa valutazione è stata normalizzata e porta alla terminazione dell’indice PMV (Voto medio prevedibile) che fornisce l’indicazione media di un significativo gruppo di persone che esprimono un voto di sensazione termica su una scala di 7 livelli fornendo di conseguenza l’indice PPD (Percentuale prevedibile d’insoddisfatti).
Le normative fissano le seguenti variabili estive:
1 Temperatura dell’aria compresa tra i 23 e 26°C;
2 Gradiente termico verticale inferiore ai 3°C ;
3 Temperatura minima superficiale al pavimento di 19,5°C;
4 Velocità dell’aria inferiore a 0,25 m/s;
5 Dissimetria di temperatura inferiore a 10°C.
Nella climatizzazione è la temperatura dell’aria il fattore predominante, diversamente nel raffrescamento per irraggiamento, il benessere è poco dipendente dalla temperatura dell’aria visto che l’assorbimento del calore del corpo si effettua prevalentemente per irraggiamento.
Di conseguenza, diversamente dagli impianti tradizionali, con gli impianti radianti gli scambi termici avvengono con queste modalità:
● il corpo umano cede calore al pavimento e alle pareti “raffreddate”;
● le pareti cedono il calore verso la struttura più fredda.
In questa situazione, le temperature delle superfici tendono ad essere uniformi, riducendo notevolmente i rischi di dissimmetrie. Gli scambi termici avvengono senza movimento dell’aria, eliminando quasi completamente i movimenti del particolato presente in essa.
Gli impianti radianti usati quindi con acqua refrigerata ad “alta” temperatura diventano degli “assorbitori di calore” quando la temperatura ambiente è superiore alla temperatura della superficie del pavimento innescando l’effetto chiamato “raffrescamento radiante”.
Ora vediamo un paio di esempi di rese termiche in raffrescamento con impianti radianti per capire meglio le possibilità e i limiti di questa tecnologia.
Raffrescamento con pannello a soffitto o parete
In questo primo caso prendiamo in considerazione l'utilizzo di due pannelli, nel primo le tubazioni sono installate direttamente nella parete e ricoperte da uno strato di intonaco, nella seconda simulazione vedremo il rendimento di un pannello in cartongesso con la tubazione annegata all’interno dello spessore della lastra.
Temperatura di mandata acqua: 15°C - [Tfm]
Temperatura di ritorno acqua: 18°C - [Tfr]
Temperatura ambiente: 26°C - [Ta]
Temperatura media dell’acqua = (Tfm+Tfr)/2 => (15+18)/2 = 16,5 °C - [Tm]
Temperatura operativa = Ta - Tm => 26 - 16,5 = 9,5 °C
|
Temperatura operativa °C
|
Resta termica W/m2
|
|
0
|
0
|
|
3
|
21
|
|
7
|
42
|
|
10
|
63
|
|
13
|
84
|
|
17
|
105
|
|
20
|
126
|
|
23
|
147
|
|
26
|
168
|
|
29
|
189
|
|
31
|
210
|
In questo primo caso il pannello, installato sotto intonaco, renderà circa 56 W/m2 interpolando il valore tra 7 e 10 °C.
|
Temperatura operativa °C
|
Resta termica W/m2
|
|
2
|
11.76
|
|
4
|
23.42
|
|
6
|
34.85
|
|
8
|
46.66
|
|
10
|
58.78
|
|
12
|
71.25
|
|
14
|
83.75
|
|
16
|
96
|
|
18
|
109.33
|
|
20
|
122.75
|
|
22
|
136.77
|
Diversamente, con un pannello in cartongesso renderà circa 54 W/m2 interpolando il valore tra 8 e 10°C. Tengo a precisare che ogni produttore di pannelli in fase di progettazione dovrà fornire una tabella o un grafico con la resa del prodotto preso in considerazione, le differenze di resa normalmente non sono elevate, ma quando i carichi sono molto elevati è necessario avere dei valori esatti.
Raffrescamento con pannello a pavimento
In questo caso le tubazioni vengono installate sotto il massetto del pavimento e i pannelli isolanti permettono di fissare le tubazioni con diversi “passi”, fornendo diverse rese in base alla distanza delle tubazioni.
Temperatura ambiente 26°C
Spessore del massetto sopra alla tubazione: 45 mm
Salto termico: 2,0 K
Coefficiente Alfa pavimento freddo secondo UNI EN 1264-5: 6.5 W/m2K
|
Passo 10cm
|
Temp M
M |
14°C (51%)
|
15°C (56%)
|
16°C (60%)
|
17°C (64%)
|
18°C (68%)
|
19°C (71%)
|
|
Ceramica
|
0.010
|
45
|
41
|
37
|
33
|
29
|
25
|
|
Parquet
|
0.060
|
37
|
33
|
30
|
27
|
23
|
20
|
|
Legno
|
0.150
|
35
|
32
|
28
|
25
|
22
|
19
|
|
a norma
|
0.1
|
34
|
31
|
28
|
25
|
22
|
19
|
|
Passo 15cm
|
Temp M
M |
14°C (51%)
|
15°C (56%)
|
16°C (60%)
|
17°C (64%)
|
18°C (68%)
|
19°C (71%)
|
|
Ceramica
|
0.010
|
41
|
37
|
33
|
30
|
26
|
22
|
|
Parquet
|
0.060
|
34
|
30
|
27
|
24
|
21
|
18
|
|
Legno
|
0.150
|
32
|
29
|
26
|
23
|
20
|
17
|
|
a norma
|
0.1
|
31
|
29
|
26
|
23
|
20
|
17
|
Secondo la UNI EN 1264-3, la temperatura di mandata non deve essere inferiore a 1K sotto al valore di temperatura di rugiada, calcolato sulle condizioni ambiente se è presente un sistema di deumidificazione.
Occorre sottolineare che, nella realtà, le rese sono più elevate, in quanto la radiazione solare diretta o rifratta attraverso le finestre aumenta di molto, anche se localmente, lo scambio termico. Purtroppo una valutazione analitica e corretta degli scambi termici radianti risulta molto complessa e praticamente non è strettamente necessaria ai fini dei calcoli.
Queste rese sono calcolate per avere una temperatura superficiale del pavimento minima di 19,5°C seppur “limitate” da due fattori: evitare di creare choc termici per troppo freddo ai piedi ed evitare categoricamente la formazione di condensa sulle superfici fredde.
Il valore della temperatura superficiale del pavimento nasce dalle seguenti considerazioni:
- Se consideriamo le condizioni interne a 26°C e 50% di U.R. il contenuto di umidità nell’aria è di 10,5 g di acqua per ogni Kg di aria secca, il punto di rugiada a queste condizioni è pari a 15°C;
- Se invece consideriamo le condizioni interne a 26°C e 60% di U.R. il contenuto di umidità nell’aria è di 12,7g di acqua per ogni Kg di aria secca, il punto di rugiada a queste condizioni è pari a 18°C;
Come vedete la temperatura dei 19,5°C deriva da esperienze dirette nel campo e da conferme teoriche estrapolate dal diagramma psicrometrico.
La deumidificazione
Il solo raffrescamento radiante permette di ottenere condizioni di temperatura all’interno degli ambienti vicini ai parametri di comfort, spesso però, a causa di elevati valori di umidità relativa, questi valori possono essere raggiunti solo usando un sistema di deumidificazione adiabatica. In passato molte aziende per risparmiare sui costi proponevano una deumidificazione tramite ventilconvettori, ma questa soluzione si è rilevata poco compatibile con le inerzie presenti nei sistemi radianti, fornendo sensazioni di malessere, con abbassamenti di temperatura non desiderati.Un particolare che spesso non viene considerato è che l’umidità relativa ambiente è omogenea in tutte le stanze. Questa caratteristica permette di evitare l'utilizzo di sistemi di ventilazione forzata per distribuire l’aria trattata, al contrario otteniamo un risultato migliore con una ventilazione debole, che non crea movimenti d’aria fredda e rumori non graditi. E’ chiaro che i locali devono essere in comunicazione tra loro.
Il deumidificatore dovrà trattare l’aria in modo da eliminare una quantità di acqua tale da ottenere valori di umidità relativa per l’aria ambiente vicini a 50-55% U.R.
Quindi, sempre attraverso il diagramma psicrometrico, per ottenere una quantità di 11-12g di acqua per Kg di aria, dovremmo condensare circa 5-6 g di acqua per ogni Kg, cioè 6-7g per ogni metro cubo di aria trattata.
Riassumendo, per effettuare un buon raffrescamento radiante servono, in aggiunta al classico impianto radiante, i seguenti componenti:
- Gruppo frigo/Pompa di calore predisposto per fornire durante il funzionamento estivo dell'acqua alla temperatura di 15°C;
- Uno o piu sistemi di deumidificazione che sfruttano l’acqua ad alta temperatura per ridurre i consumi elettrici del sistema;
- Valvola miscelatrice nel caso il gruppo frigo fornisca acqua refrigerata a bassa temperatura (7-12°C);
- Dispositivo di sicurezza estiva, costituito da un termostato installato sul collettore di ritorno che, in caso di temperature inferiori a 18°C, arresta la pompa dell’impianto radiante;
- Umidostato o Sonda Temperatura/Umidità, chiamata anche sonda TH, in grado di rilevare la temperatura ambiente e l’umidità;
- Centrallina elettronica che rileva i valori dalle sonde installate stanza per stanza o dagli umidostati.
Conclusioni
Gli impianti radianti presentano tantissimi vantaggi. Questo sistema aderisce perfettamente alle richieste di abitazioni di prestigio e in strutture dove si ricerca l’alta qualità energetica con elevati standard di benessere garantendo le seguenti caratteristiche:
- Comfort fisiologico assicurato sia nella fase estiva sia invernale;
- Non ruba spazi, l’impianto è completamente nascosto integrato nella struttura;
- Il funzionamento è completamente silenzioso;
- Non ci sono correnti d’aria o fastidiosi movimenti di polvere;
- La manutenzione è quasi assente o molto ridotta in impianti di una certa dimensione;
- I costi della gestione sono decisamente inferiori rispetto ad impianti tradizionali.
Questa panoramica degli impianti di raffrescamento radiante è stata pensata solo per evidenziarne le caratteristiche e i limiti fisici di questo sistema di riscaldamento e raffrescamento, in futuro tratteremo altri approfondimenti nei quali valuteremo i sistemi di posa e i trucchi per ottenere ottimi risultati finali, per garantire la soddisfazione dell’utente finale.
A cura di Andrea Bernardi, consulente energetico.
www.andreabernardi.it
