Post on 02-May-2015
UNIVERSITÀ DEGLI STUDI DI SALERNO
FACOLTÀ DI INGEGNERIA
CORSO DI LAUREA IN INGEGNERIA CIVILE
TESI DI LAUREA
CONFRONTO PRESTAZIONALE ED ECONOMICO TRA IMPIANTI DI RISCALDAMENTO TRADIZIONALI E A PANNELLI RADIANTI
RELATORE: CANDIDATO: Ch.mo Prof. Ing. Vincenzo PascaleGennaro Cuccurullo Matr.: 063/000831
ANNO ACCADEMICO 2008/09
Premessa: gli impianti a pannelli radianti
Gli impianti a pannelli radianti presentano prerogative favorevoli: basse temperature minori consumi libertà architettonica migliore benessere negli ambienti serviti
ciò, unitamente alla raggiunta maturità installativa (componenti, materiali), ha prodotto un trend estremamente positivo anche in Italia per la quantità di impianti installata
D’altra parte, ci sono difficoltà nel sintetizzare le curve prestazionali dovute a: maggiore complessità dello scambio termico in gioco complessità della geometria influenza delle condizioni al contorno
Scopi ed obiettivi Studio della norma valutazione economica comparativa con diverse tipologie tradizionali di impianto in particolare si è preso in considerazione un caso reale: Chiesa di “Gesù Redentore” e relativo
complesso parrocchiale in costruzione a Sant’Antonio Abate (NA). È stato scelto tale complesso per la diversità della destinazione d’uso degli ambienti riscaldati
In risposta: la recente norma UNI EN 1264, caratterizzazione prestazionale basata su modelli semi-empirici.
isolante/supporto tub.
massetto
isolante
tubazione
rete antiritirobanda perimetrale
consiste in una tubazione a spirale entro cui circola l'acqua calda/fredda i circuiti vengono alimentati da uno o più collettori di distribuzione i circuiti sono annegati nel massetto portante del pavimento dei locali da servire L’isolante ha varie funzioni:
supporto della tubazione contenere le dispersioni verso il piano inferiore ridurre l’inerzia termica del pavimento riscaldante
NO corpi scaldanti, l’intero pavimento/soffitto li sostituiscono da un punto di vista funzionale.
Impianto a pannelli radianti (1/2)
Collettore di distribuzione
solaio
Elementi comparativi con altre tipologie di terminali
Impianto a pannelli radianti (2/2)
PROPRIETÀ RADIATORE
VENTILCONVETTO
RE
PANNELLI RADIANTI
Benessere termico Qualità dell'aria Condizioni igieniche
Rispetto delle forme originali degli ambienti e libertà di arredo
Possibilità di abbinamento a fonti energetiche alternative a basse temperature
Economia di installazione
Economia di esercizio
Flessibilità di regolazione
Semplicità progettuale
Curva del benessere termico
Norma UNI EN 1264: “Riscaldamento a pavimento - Impianti e componenti”
La “curva di base” ha come obiettivo la caratterizzazione del flusso termico superficiale e ne consente la correlazione alla T del pavimento
1.1apav
.
)T-(T · 8,92q
Parametro chiave ai fini del
benessere in ambiente
0 2 4 6 8 10 12 14 160
20406080
100120140160180200
Tpav - Ta [K]
.q [W/m2]
9
Potenza termica scambiata da una sup. orizzontale
4/3apavconv
.
)T(TλCq
0.081.32apavconv
.
)Ap
()T-(T2.16q
1.31apavconv
.
)T-(T2.18q
Superficie infinita
Letteratura
Ashrae semplificato
Aliquota convettiva Legge di Newton
Aliquota radiativa Legge di Stefan – Boltzmann
T-Tσ F= q 4j
4iijirr
.
aTpavT
LλNu
qconv
.
0 2 4 6 8 10 12 14 16
Uni 1264 Idronica Analitico Ashrae
Tpav - Ta [K]
Ashrae semplificato
0
200
q [W
/m2 ]
.
D’altra parte la Tpav non è una variabile indipendente, è legata
alla geometria, ai materiali e alla temperatura media dell’acqua in circolo….
Curva caratteristica prestazionale
lnmD
mU
mTB
.
ΔTaaaaBq DUT
aR
aM
aRaMln
TTTT
ln
TTTTΔT
dove:
B è il coefficiente caratteristico dell’impianto in W/(m2 · K); aB è il fattore di rivestimento del pavimento in funzione di Rλ,B e di λE aP è il fattore di passo in funzione di Rλ,B
aU è il fattore di ricoprimento in funzione di P e di Rλ,B aD è il fattore del diametro esterno del tubo in funzione di P e di Rλ,B
0 5 10 15 20 25 30 35 400
20
40
60
80
100
120
140
160
180
200
ΔTln [K]
R,B [m2·K/W]
Ceramica R ,B =0.01
Parquet R ,B =0.05
P=15 cm DT=TM-TR= 5K
Emissione areica limite
Gn
GGG
TBq
ln,
.
dove:BG è un coefficiente funzione di su, P e λE
f è il fattore di conversione per i valori di Tpav,max e Ta
con =ΔT0 = 9 K
L’intersezione della curva caratteristica di base con la curva limite prestazionale è data dalla seguente equazione:
1.1
0
max,
T
TT apav
G
i
n
i
mi
GG aB
BT
1
1
ln, )(
Curve caratteristiche “quantitative” elaborate su un caso tipo (1/2)
0 5 10 15 20 25 30 35 400
20406080
100120140160180200
ΔTln [K]
Ceramica
Parquet MoquetteR ,B
=0
qG (15°C)
qG (9°C)
R ,B =0,15
P=15 cm
Curve caratteristiche prestazionali e limite
0.00 0.05 0.10 0.15 0.20 0.25 0.30 0.35 0.400
20406080
100120140160
Series1
Passo P [m]
R,B =0
Ceramica R,B =0.01
Parquet R,B =0.05
Moquette R,B =0.13
R,B =0.15
Dipendenza dell’emissione areica dal passo
.
.
0 5 10 15 20 25 30 35 400
20406080
100120140160180200
Series1Series3Series5Series7
qG 15KqG 9KP = 0,05 mP = 0,10 mP = 0,15 mP = 0,20 mP = 0,30 m
Dipendenza dell’emissione areica dal passo - Rivestimento in ceramica
Curve caratteristiche “quantitative” elaborate su un caso tipo (2/2)
0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 0.12 0.14 0.160
20
40
60
80
100
120
140 P=0,10 m
P=0,20 m
P=0,30 m
R,B [m2K / W]
Dipendenza dell’emissione areica dalla resistenza termica del rivestimento
Verifica della Tpav
Temperatura superficiale del pavimento in funzione della temperatura di mandata
a
1.11
.
pav T8.92
q=T
25 30 35 40 45 50 55 60 65 7020
25
30
35
40
45
50P=0,10 m
P=0,15 m
P=0,20 m
P=0,30 m
TM [K]
TPav [K] Rivestimento di Ceramica
lnmD
mU
mTB
.
ΔTaaaaBq DUT
Tpav29°C zona soggiornale
Tpav35°C zona marginale
29
Determinazione della portata di progetto
Equazione di bilancio dell’energia Tcm Q..
imp
Ta
Tb
Ra
RbRb
Tc
qu.
qimp.
qp.
b
bc
a
acp
.
u
.
imp
.
R
)T-(T+
R
)T-(T=q+q=q
bu
ba
b
a
Rq
TT
R
R.
u
..
1Tc
Aqm
Caso studio: Chiesa di “Gesù Redentore” e complesso parrocchiale
Zona aule ventilconvettori
Zona sagrestia pannelli radianti
Livello 2
Zona aule ventilconvettori
Zona WC radiatori
Livello 1Livello 3
Zona Casa canonica Radiatori
Zona casa canonicaPannelli radianti
Posa dei circuiti
Livello 1Livello 2
Per ampie superfici bisogna prevedere dei giunti di dilatazione nel
massetto
Giunto di dilatazione
Giunti di dilatazione servono a consentire la dilatazione termica del massetto
• la dimensione massima dell'area contenuta tra i giunti di dilatazione è di 40m2, e comunque a dimensione massima del lato non può superare gli 8m lineari,• evitare aree tra i giunti con rapporto tra i lati inferiore a 1:2,• la larghezza minima del giunto di dilatazione è di 8mm,• passare attraverso un giunto di dilatazione con le adduzioni e mai con parte di un circuito.• proteggere il tubo che passa sul giunto con un tubo in plastica corrugato,• non estendere mai la rete di rinforzo sopra un giunto di movimento.
Collocazione in Sant’Antonio Abate
Dimensionamento impianto i.e. costi iniziali
Zona Superficie Volume Potenza[m2] [m³] [W]
Casa canonica 141 424 11.340Aule Livello 1 433 1.576 31.717Chiesa 556 4.558 48.833Salone 417 2.086 24.740Aule Livello 2 125 437 11.545Radiatori Livello 1 68 238 3.854Radiatori Livello 2 9 32 697Sagrestia 98 343 7.610
Totale 1847 9694 140.335
Talim radiatori = 70°CTalim ventilconvettori = 45 / 70 °CTalim pannelli = 38 °C
)T-(Tc m)T-(TAU=Q min,eapvent
.
imin,eaii
.
Te,min=0°C
Fabbisogno energetico edificio
GEN FEB MAR APR MAG GIU LUG AGO SET OTT NOV DIC10,5 10,6 13,2 16,0 19,5 24,1 26,7 26,5 23,8 19,6 15,5 12,1
Valori medi mensili della temperatura media giornaliera dell’aria esterna [°C]
Zona climatica Cperiodo di riscaldamento: 15 novembre - 31 marzo
(no accumulo)
0
5
10
15
20
25Temperature medie mensili Fabbisogno energetico mensile
Ott Nov Dic Gen Feb Mar Apr
°CMJ
9000
6750
4500
2250
0
casa canonica costi di esercizioMaggiori costi rispetto a quelli legati al
mero fabbisogno dell’edificio in quanto si tiene in conto delle perdite lungo il
percorso dell’energia dalla fase di produzione a quella di distribuzione-
erogazione rendimenti
(t))T-(Tc m)T-(TAU=(t)Q eapvent
.
ieaii
.
)(t (t)dtQFEE.
Δtrisc
I rendimenti
FEI
he
hr
hd
he
FEE fabbisogno energetico edificioFEI fabbisogno energetico impiantohe rendimento medio stagionale di emissione;
hr rendimento medio stagionale di regolazionehd rendimento medio stagionale di distribuzionehp rendimento medio stagionale di produzione
rendimento medio stagionale globale hg = he . hr . hd . hp
I 4 rendimenti dipendono da fattori ricollegabili alla tecnica impiantistica (scelta della tipologia di impianto e dei relativi componenti)
hp
hp =Qu/FEI he =Qu/Qr
hd =Qu/(Qu+ Qp)hr =Qu/Qr
gηFEE
c =PCI m=FEI
FEE
Quanto calore si perde lungo la tubazione?
Il problema studiato prevede: profilo di velocità sviluppato (parabolico) funzione della sola coordinata R profilo di temperatura che si sta sviluppando funzione di X e di R con scambio convettivo alla paretele due assunzioni precedenti sono giustificate dall’essere il numero di Prantl = n/a>>1 per l’acqua: ciò comporta che lo strato limite dinamico si sviluppa prima di quello termico la struttura della soluzione in termini adimensionali è del tipo:
t(x,r) = (T-Tw)/(Ti-Tw) = Sn Cn fn(r) exp( - 2l 2x)
Flusso termico lungo una tubazione (1/2)
i risultati sono plottati in figura per un tubazione di diametro 1 cm isolata secondo legge e per due collocazioni diverse una interna ed una esterna
con riferimento ad una lunghezza tipica di 20 m si nota come sia limitato l’abbassamento di temperatura, ciò autorizza l’uso del modello 1D
si nota che la temperatura dell’acqua può comportare notevoli dispersioni stante l’elevato valore della capacità termica di questa e se le portate massiche sono elevate
00.5025125999999911.005025099999991.507537699999992.01005032.51256283.015075399999983.5175884.020100599999974.522612999999995.025125499999995.527638399999996.0301516.532663300000047.035175999999997.53768838.0402018.5427139.0452269.54773910.05025110.55276411.05527711.55778912.06030212.56281513.06532713.5678414.07035214.57286515.075376515.5778916.08040216.582913999999917.085425999999917.5879418.09045218.59296419.09547819.5979920.10050220.60301421.10552821.608039999999922.110554000000122.61306623.11557823.6180924.12060424.62311625.125629999999825.62814126.13065326.633167000000127.1356827.63819128.140702999999928.64321529.145729999999829.648240999999930.15075330.653265000000231.1557831.6582932.16080532.663315000000433.165830000000133.668343000000234.17085334.67336735.1758835.67839436.18090436.6834237.1859337.68844238.190956000000238.69346639.1959839.69849440.20100440.703518000000341.20602841.70854642.21105642.71356643.2160843.71859444.22110744.723618000000345.226130000000445.7286446.231155000000346.7336747.2361847.73869348.24120748.74371749.2462349.7487450.2512650.75376551.25628351.75879752.26130752.7638253.266335000000453.76884554.2713654.7738755.27638255.77889656.28140656.7839257.2864357.78894458.2914658.793970000000359.29648259.798996000000360.30150660.8040261.3065361.80904462.3115662.814067999999763.3165863.8190964.3216164.8241265.3266365.8291566.331660000000166.8341767.33668567.83919568.34170568.844220000000769.3467369.8492470.3517670.8542771.356789999999971.8592972.3618172.8643373.3668473.8693574.3718674.87437475.376883999999975.87939576.3819176.8844277.3869377.8894578.3919678.8944779.3969979.899580.4020180.904526000000681.40703681.90954682.41205682.9145783.417090000000683.919590000000184.4221184.924620000000685.4271385.9296586.4321686.934680000000387.437190000000487.939788.442215000000688.944720000000689.447235000000789.9497590.4522690.9547791.4572891.959892.4623192.964820000000693.4673493.9698594.4723694.9748895.4773995.979996.48241496.984924000000797.48743497.9899598.4924698.9949899.4974810070
72
74
76
78
80
82
Tubo interno (asse)
Tubo esterno (asse)
Tubo interno (parete)
Tubo esterno (parete)
ASSE X [m]
TE
MP
ER
AT
UR
A [
°C]
100
Caduta di temperatura lungo un condottob) esternoa) interno
Te temperatura esternaTf temperaura fluidoD1 diametro tubazioneR raggio esterno isolanteL lunghezza del tuboQp calore disperso
Te
Tf
raggio medio logaritmico
dove resistenza termica dell’isolante
Flusso termico perso lungo la tubazione Si può valutare il
rendimento di distribuzione
Flusso termico lungo una tubazione (2/2)
Qp
I rendimenti
Rendimenti Pannelli Radiatori Fan-Coil (bassa temp.)
Fan-Coil(alta temp.)
ηe Emissione 0,97 0,96 0,98 0,98ηr Regolazione 0,94 0,92 0,94 0,94ηd Distribuzione 0,87 0,77 0,85 0,77ηp Produzione 1,02 0,90 1,02 0,90ηg Globale 0,809 0,612 0,799 0,638
Fabbisogno energetico impiantoMetano: PCI=34,02 MJ/kg , ρ=0,71 kg/m3 , prezzo = 0,40 €/m3
Funzionamento 4h/giorno FEI [MJ] Vol Metano [m3] Costo
Pannelli Radianti 3391,3 140,4 € 56,2Fan-Coil bassa temp. 4512,9 186,8 € 74,7Radiatori 5522,7 228,6 € 91,5Fan-Coil alta temp 5718,4 236,7 € 94,7Funzionamento 12h/giornoPannelli Radianti 9495,6 377,3 € 150,9Fan-Coil bassa temp. 12535,9 498,3 € 199,3Radiatori 15242,5 605,8 € 242,3Fan-Coil alta temp 15884,5 631,5 € 252,6
Fabbisogno energetico annuale di un aula e relativi costi di esercizio. gηFEE
c =PCI m=FEI
Costi di esercizio annuali
Casa Canonica Pannelli Radianti € 739,07 € 447,3012h = clima rigido Radiatori € 1.186,38 -
Zona Tipologia di impianto Costi Esercizio Risparmio
energeticoCasa Canonica Pannelli Radianti € 263,95 € 165,894h= clima mite
Esempio: salerno Radiatori € 429,85 -
Configurazione radiatori
Configurazione pannelli radianti
Costi di esercizio annuali
Zone Livello 2 Pannelli Radianti € 810,36 € 545,24(8h) Fan Coil Bassa Temp € 1.069,82 € 285,77
Fan Coil Alta Temp € 1.355,60 -
Zona Tipologia di impianto Costi Esercizio Risparmioenergetico
Zone Livello 2 Pannelli Radianti € 434,12 € 297,90(4h) Fan Coil Bassa Temp € 577,71 € 154,32
Fan Coil Alta Temp € 732,02 -
Configurazione fan coil
Configurazione pannelli radianti
Ai costi di esercizio bisogna contrapporre i
costi di impianto
Costi di impianto
Pannelli Radianti € 9.474,03Radiatori € 6.039,94
Costi di impianto casa canonica
Pannelli Radianti € 13.195,04
Fan Coil bassa temp. € 11.700,62
Fan Coil alta temp. € 10.711,62
Costi di impianto Livello 2
TARIFFA DESIGNAZIONE DEI LAVORI U.M. quantità IMPORTI
unitario TOTALE
NP 001Pannello in polistirene espanso, prodotto con sistema ad iniezione a stampo unico, autoestinguente, riciclabile, senza CFC. SPESSORE ISOLAMENTO 35 mm
m2 € 16,04
Livello 1 353 Livello 2 223 Livello 3 120 Totale 696 € 11.162,75
NP 002Tubo in polietilene mod. PEX-b reticolato con tecnologia a ”silani”, caratterizzato da qualità superiori di resistenza alla pressione. Fornito con barriera all’ossigeno in EVOH. MM 17X2
m € 2,28
Livello 1 2164 Livello 2 1505 Livello 3 874 Totale 4543 € 10.366,66
NP 016Gruppo compatto di regolazione mod. PREMIX V-MAX BASSA TEMPERATURA ideato appositamente per la termoregolazione degli impianti radianti a punto fisso. 8 vie
cad € 1.359,10
Livello 2 1 Totale 1 € 1.359,10
Confronto economico
Aula liturgica e salone Aule Sagrestia e ufficio Casa canonica
Casa Canonica (12h) Costi Impianto Differenza Costi Esercizio Risparmio energ. TempoPannelli Radianti € 9.474,03 € 3.434,09 € 739.07 € 447.30 8.4Radiatori € 6,039.94 € 1,186.38
Zona Livello 2 (4h) Costi Impianto Differenza Costi Esercizio Risparmio energ. TempoPannelli Radianti € 13,195.04 € 2,483.42 € 434.12 € 297.90 9.2Fan Coil Bassa Temp € 11,700.62 € 988.99 € 577.71 € 154.32 6.9Fan Coil Alta Temp € 10,711.62 € 732.02
Zona Livello 2 (8h) Costi Impianto Differenza Costi Esercizio Risparmio energ TempoPannelli Radianti € 13,195.04 € 2,483.42 € 810.36 € 545.24 4.8Fan Coil Bassa Temp € 11,700.62 € 988.99 € 1,069.82 € 285.77 3.6Fan Coil Alta Temp € 10,711.62 € 1,355.60
Pannelli radiantiVentilconvetoriPannelli radiantiPannelli radianti
Zona Soluzione adottata
Conclusioni
I rendimenti rappresentano un metodo semi-empirico per valutare il fabbisogno energetico e si dimostra tipicamente più alto all’aumentare del tempo di accensione dell’impianto.
Il rendimento di distribuzione è tale per cui si è praticamente autorizzati a utilizzare modelli semplici unidimensionali per il calcolo delle dispersioni nelle tubazioni.
Le zone dove è d’obbligo l'utilizzo degli impianti a pannelli radianti, per le loro evidenti peculiarità, sono l’aula liturgica e il salone. Mentre, per le altre zone, la scelta dei pannelli radianti comporta un recupero del maggior costo, rispetto agli impianti tradizionali, in diversi anni. Il tempo di ritorno si riduce all'aumentare delle ore di funzionamento dell'impianto a pannelli radianti come in caso di clima rigido.
Il criterio economico non è l'unico a determinare le scelte del progettista o dell'utente visto che tali impianti enfatizzano peculiarità attrattive descritte.