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B.4 Impianti termici a bassa temperatura

Fonti Rinnovabili di Energia Prof. Claudia Bettiol, Prof. Cristina Cornaro A.A. 2006-07

Utilizzano temperature dell’acqua di mandata e ritorno molto modeste, questo implica un notevole risparmio energetico e la possibilità di integrazione con impianti solari termici.

Sono impianti in cui, a differenza di quelli tradizionali, il calore viene trasmesso maggiormente per irraggiamento.

38-42°C60-70°Critorno

45-50°C70-80°Cmandata

Bassa temperatura

tradizionale

Sistema a radiatore (convezione)

Sistema a parete radiante

Sistema a pavimento radiante

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Ricercatori francesi hanno stabilito che il corpo umano, in locali in cui la velocità dell’aria è mantenuta al disotto di 0,15 m/s, percepisce un valore di temperatura detto “operante”(To) pari ad una temperatura media tra la quella dell’aria (Taria) e la temperatura media radiante (Tmr) di tutti gli oggetti che circondano l’individuo stesso (pareti, mobili, ecc).

2mraria

oTTT +

=

L'Istituto "Für technische Physik derFrauenhofer Gesellschaft" ha rilevato che per ogni grado di temperatura dell'aria in meno si ottiene un risparmio energetico di circa il 7%, si possono superare risparmi energetici del 35% rispetto agli impianti tradizionali.

Fonte: System Service

Dal grafico fornito dal costruttore del sistema non vi sono differenze nella temperatura operante, nel caso di riscaldamento convettivo o radiante. È possibile, quindi, avere la stessa sensazione di benessere dell’impianto tradizionale limitando la temperatura.

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Oltre al risparmio in termini di energia è importante il loro apporto positivo al benessere dell’edificio.

Dall’introduzione delle norme sul contenimento energetico (anni ’70), realizzarono edifici “sigillati”che causano un incremento della concentrazione di inquinanti e quindi un degrado della qualità dell’aria.

Nei luoghi di lavoro ad esempio nei condotti degli impianti di climatizzazione se non puliti frequentemente si sviluppano funghi, muffe e batteri, che possono provocare irritazioni malattie agli occhi e alle vie respiratorie, si sono rilevati malattie dovute alla ventilazione di questi ambienti come ad esempio care reumatismi, artrosi e cefalee.

Nelle abitazioni invece i radiatori o i ventilconvettori presenti rendono più secca l’aria, a causa delle elevate temperature le correnti convettive generano notevoli squilibri termici tra pavimento e soffitto, si inoltre generano fenomeni di combustione delle polveri in prossimità dei radiatori (rilevabile dall’alone in prossimità della parte superiore dell’elemento scaldante), con generazione di gas aggressivi .

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Le tipologie di impianti a bassa temperatura che andremo ad analizzare:

•Pavimento radiante

•Soffitto radiante

•Radiatori a zoccolo o a battiscopa

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Pavimento radiante

Realizzato tramite serpentini in tubo di rame o materie plastiche, inseriti tra guaine isolanti e materiali ad elevata conducibilità. Riesce a ridurre lo squilibrio termico tra soffitto, pavimento e pareti.

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Sottofondo isolante ( Fonte: Giacomini )

Lo strato isolante tra la soletta ed il massetto di sottofondo.

La sua funzione è quella di evitare che il calore apportato dai tubi passi nella zona sottostante, fornendo così calore incontrollato ad ambienti che non lo richiedono.

L’isolante può essere piano o sagomato superiormente per facilitare la posa delle tubazioni.

Sottofondo isolante ( Fonte: Giacomini )

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In funzione del carico termico è possibile stabilire il passo dei tubi, maggiore è il carico da fornire minore sarà il passo dei tubi, minimo 50mm o 70mm fino ad un massimo di 300mm per grandi aree.

La lunghezza (l) del circuito è un parametro di progetto, ed è funzione del diametro, tipo di tubo, della portata e delle perdite di carico.

Indicato con G la portata in l/h e con di il diametro interno del tubo in mm, la perdita di carico distribuita del circuito può essere calcolata con relazioni, fornite del produttore del tubo che si utilizza:

ii dGl

dlvp

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4,1912

⋅⋅=⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛ ⋅⋅=Δ

λρ

Di solito si fa un dimensionamento a perdita di carico costante e si usano delle curve empiriche fornite dal produttore dell’impianto per la scelta della lunghezza in funzione del diametro e della portata.

Tubo in polipropilene 18x2 con di 14 mm

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Supposta una perdita costante di 20 kPa, e considerati due diametri commerciali 14 e 16 mm, dalla tabella si calcola la lunghezza del tubo nota che sia la portata.

tabella 1

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Se invece è nota la quantità di calore che deve emettere l’impianto (Watt) allora si può utilizzare la seguente tabella:

tabella 2

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La stesura dei tubi a pavimento può essere realizzata con geometrie diverse.Si ricorre spesso ad un sistema detto “a ritorno rovesciato” per mantenere il più omogenea possibile la temperatura superficiale del un locale.

Qualora ci siano ampie superfici vetrate è possibile infittire il passo dei tubi nelle loro vicinanze, per aumentare l’emissione termica.

Secondo la normativa EN 1264-3 le aree periferiche con temperatura superficiale più alta (fino ad un massimo di 35°C) possono essere situate in prossimità della parete esterna vetrata con una profondità massima di 1 m. In questo caso è consentita una differenza tra temperatura superficiale e temperatura ambiente fino a 15 °C, mentre per le superfici interne di stazionamento la differenza tra la temperatura media superficiale del pavimento e l’ambiente non deve superare i 9°C.

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La Temperatura dell’acqua è un parametro fondamentale sia per il risparmio energetico che per le condizioni di benessere.

E’ importante che mandata e ritorno siano tenuti il più possibile entro un salto termico contenuto. In ogni caso più la temperatura dell’acqua è bassa maggiore sarà l’economicità di gestione del sistema. La temperatura dell’acqua varia a seconda del tipo di pavimento.

In ogni caso essa va limitata a 45°C per i pavimenti normali e 55°C per quelli particolarmente isolanti.

Il salto termico tra mandata e ritorno indicato dalla EN 1264-3 essere 0 °C< δ < 5 °C; un ΔT = 8°C tra Tm e Tr è piuttosto comune nella progettazione corrente.In ogni caso la temperatura massima di mandata va legata alla differenza di temperatura ammessa tra pavimento e ambiente, che ad esempio entro i bagni può giungere a 9 °C (temperatura interna 24°C). Zone marginali35°C

Bagni, piscine32°C

Sale 30°C

Abitazioni e uffici29°C

Ambienti di lavoro27°C

Tipo di ambienteTemperatura superficiale

pavimentazione

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Per eseguire il dimensionamento dell’impianto bisogna:

1. Calcolare le dispersioni termiche dell’edificio Q [W/ m2]

2. Se è nota la temperatura di mandata dell’acqua, allora , conoscendo la temperatura interna del locale, si individua il valore di ΔTh

3. Mediante i grafici che legano Q [W/m2] a ΔTh (°C) si individua il passo occorrente

4. Se invece è noto il passo T, allora si determina mediante i grafici q = f(ΔTh) il valore di ΔTh e da questo si trova il valore richiesto della temperatura di mandata dell’acqua.

Il calore scambiato dal pavimento radiante è pari a:

Con ΔTh si indica la differenza di temperatura media logaritmica:

ar

am

rmh

TTTT

TTT

−−−

=Δln

Ta rappresenta la temperatura dell’ambiente

hTSKQ Δ⋅⋅=

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In base alla temperatura desiderata nell’ambiente e alla temperatura di mandata si può stabilire il ΔTh:

tabella 3

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Bisogna inoltre considerare il tipo di rivestimento del pavimento:

tabella 4

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tabella 5

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Con le piastrelle si riesce ad ottenere migliore scambio termico rispetto agli altri due materiali.

tabella 6

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Esempio

Supponiamo di voler riscaldare un ambiente di 16m2 ed un fabbisogno termico Qtot pari a 1000W (860 kCal/h) con pavimento in piastrelle, con temperatura di mandata pari a 45°C e temperatura dell’ambiente di 20°C, con un impianto a pavimento con un tubo della sezione di 14mm.

1. Dalla tabella 2 calcolo la lunghezza del tubo: l = 160m

2. Dalla tabella 1 con la lunghezza del tubo (l) calcolo la portata: G = 182 l/h

3. Calcolo ora la temperatura dell’acqua di ritorno: Trit= 40°C

( )ritmandOH TTcGQ −⋅⋅⋅=2

ρ ( )ritTCKkg

kJmkg

hmkW −°

⋅⋅⋅= 453600

18,4985182,01 3

3

4. Si calcola il ΔTh con Ta pari a 20°C e si ottiene: ΔTh= 22,40°C

5. Da tabelle 6 si può stabilire il passo dei tubi con Q = 1000/16 = 62,5 W/m2: T=30 cm cioè il massimo ottenibile con questa tecnologia.

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Regolazioni

La regolazione avviene attraverso un opportuna centralina, che aziona una valvola miscelatrice a tre vie posta sul collettore centrale adattando la temperatura in base a ciò che rilevano le sonde sulla temperatura esterna e sulla mandata dell’acqua

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La centralina regola l’impianto in base a delle curve di taratura scelte in funzione delle condizioni climatiche:

Ad esempio se la temperatura di progetto è di -10°C la curva di taratura è quella viola, se la temperatura esterna è di -7°C il nostro impianto avrà una temperatura

dell’acqua di mandata pari a 43°C, se noi volessimo aumentare tale temperatura basterà spostarsi sulla curva di taratura a 0°C, ottenendo cosi la temperatura massima di mandata 45°C.

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Il pavimento radiante può essere utilizzato anche per raffrescare l’ambiente, utilizzando però materiali di copertura con elevata conducibilità e non moquette, altrimenti si ridurrebbero troppo le rese già basse dell’ impianto.

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Secondo i dati del produttore per una abitazione dotata di sistema di raffrescamento e senza il raffrescamento si hanno i seguenti andamenti della temperatura interna:

Dati relativi al mese di Agosto in Svizzera (fonte Giacomini).

I due andamenti sono identici con un ΔT costante di circa 4°C

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Il controllo dell’umidità dell’ambiente, viene effettuato attraverso una centralina, che comanda una valvola a tre vie miscelatrice.

All’impianto a pavimento è consigliabile aggiungere dei ventilconvettori realizzando così un impianto di questo tipo:

E’ possibile sostituire la caldaia con un opportuno impianto solare

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Dimensionamento e Regolazione

La temperatura minima dell’acqua è di 14°C con tale temperatura il frigorifero lavora con rendimenti elevati.

Ad esempio un pavimento di 100 m2 con piastrelle per un assorbimento di 35 W/m2 ha bisogno di un energia frigorifera di 3500 W.

Ipotizzando un COP del frigorifero di 3,5 la richiesta di energia elettrica sarà di:

WPPP

COP elettrelettr

firg 10005,3

3500==⇒=

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Le regolazioni sono gestite sempre da una centralina che segue una curva di taratura diversa da quella invernale.La temperatura di mandata non scende mai sotto i 14°C ed inizia a salire leggermente con pendenza programmabile a partire dalla temperatura esterna di 25°C. La pendenza della curva (da 0,2 a 0,8 ) va scelta in funzione della temperatura interna che si desidera avere nel locale e della umidità relativa.

In ogni caso una pendenza intorno a 0,3 è ideale per il pavimento; eventuali correzioni sono possibili agendo sul regolatore.

La centralina è inoltre dotata di una sonda anticondensa che misura l’umidità relativa delle pareti più fredde, se l’umidità raggiunge il 95% allora la centralina si sposta su un’altra curva di taratura.

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In un ambiente così grande il produttore dell’impianto riesce ad garantire una temperatura dell’aria di 18,5°C

Realizzazione di una Chiesa (fonte: Giacomini)

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Soffitto radiante

Sono sistemi radianti in grado di mantenere un benessere omogeneo all’interno del locale, minimizzando le differenze di temperatura sia in senso verticale che orizzontale. Andando ad agire inoltre sulla temperatura delle pareti, è possibile ottenere la stessa sensazione di benessere utilizzando temperature dell’aria interne più vicine a quelle esterne rispetto ai sistemi tradizionali, riducendo notevolmente i consumi energetici.

Tali sistemi vengono inseriti in contro-soffitto e possono quindi essere integrati con impianti a tutta aria, elettrici ….

Sono facilmente installabili ed ispezionabili.

Soffitto radiante (Fonte Giacomini)

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Le rese sono state calcolate dal produttore in base alla norma DIN4715.I risultati ottenuti sono mostrati nel grafico sottostante dove sono riportate sia le rese invernali che estive. I dati si intendono validi per l’area attiva ossia l’area dove sono presenti i pannelli dotati di diffusori.La Norma DIN4715 permette di approssimare il calcolo della resa Q [W/m2] con la formula: TcQ Δ⋅=Con ΔT=Tamb-Tacqua pari a 10°C (valore consigliato della norma) si può avere una resa del soffitto di 100 W/m2 in condizioni di raffrescamento e 90W/m2 in condizioni invernali.È opportuno che la temperatura dell’acqua non scenda sotto i 15°C in estate né superi i 35°Cin inverno. È bene inoltre limitare il ΔT tra mandata e ritorno a 2 °C o 3 °C.

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Esempio

Supponiamo di voler riscaldare un ambiente di 16m2 ed un fabbisogno termico Qtot pari a 1000W (860 kCal/h), con temperatura di mandata pari a 35°C e temperatura dell’ambiente di 20°C, con un impianto a soffitto.

La superficie attiva dell’impianto è compresa tra il 75-80% di quella totale.

Ipotizzando sia del 75% si ha: Aeff = 16.0,75 =12 m2

Quindi dovrò coprire con il mio impianto Q = 1000/12 = 83,3 W/m2

Dalla tabella delle rese vedo che posso adottare un ΔT = 9°C, cioè posso avere una temperatura di mandata più bassa.

Termografia di un pannello radiante (fonte System Service)

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Dimensionamento Estivo

Dalle rese indicate nel grafico e dalla potenza richiesta Q è possibile ricavare il numero di pannelli attivi necessari.

Stabilita la temperatura ambiente (in genere 26-27°C ed un ΔT dell’acqua di 2 o 3 °C), si ricava il ΔTacqua - ambiente come:

ar

am

rm

TTTT

TTT

−−−

=Δln

Conoscendo poi l’area attiva del pannello scelto si ottiene la resa di ogni pannello usando il grafico delle rese e quindi, dalla potenza richiesta, il numero di pannelli necessari n.

pannello

totpannellotot Q

QnnQQ =⇒⋅=

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Calcolo della portata d’acqua

La porta d’acqua per ogni anello si calcola come:

dove ch20 rappresenta il calore specifico dell’ acqua 1 kCal/kg °C.

Affinchè il flusso dell’acqua all’interno dei circuiti sia turbolento (e quindi siano garantite le rese dichiarate) è bene che la portata per ogni anello sia superiore a 200 l/h. A fianco è mostrata, con una termovisione, la situazione delle temperature del soffitto Giacoklima serie GK dopo 10 min dall’avviamento. È stata utilizzata una temperatura di mandata di 16 °C con una portata di 320 l/h. La temperatura ambiente è di 26 °C.

860,022

⋅⋅Δ⋅

=ohoh

pannello

cTnQ

G

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Schema impiantistico

I pannelli radianti vengono collegati tra loro come in un impianto due tubi, con un tubo di mandata ed uno di ritorno.

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Radiatori a battiscopa

Tecnologia inventata negli Stati Uniti negli anni ’50, in Europa nel 1953 fu realizzato in Germania il primo radiatore a zoccolo, in Italia fu prodotto solo nel 1966 ma non trovo mercato.

Radiatore costituito da una coppia (mandata e ritorno) di tubi in rame o in alluminio alettati, posizionato generalmente lungo le pareti più fredde.

L’aria riscaldata per contatto con la superficie alettata del tubo salendo lentamente riscalda la superficie della parete che emette irraggiando verso l’ambiente circostante.

Le temperature di esercizio non superano i 55-60°C

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Si segnano le tubazioni di andata e di ritorno per ogni circuito.Nei locali, per garantire il calore dove sono previsti mobili fissi quali cucine o armadi a muro, i moduli possono essere installati sullo zoccolino degli stessi purché sia alto 12 cm.

Si scelgono i moduli per tutte le pareti a seconda della loro lunghezza usando delle tabelle facendo attenzione che la lunghezza massima di moduli riscaldanti per un circuito è di 20m.

Si calcola i fabbisogno termico del locale Qtot.

Si ricava la resa del modulo dividendo Qtot per la lunghezza dell’impianto.

Si ricava il ΔT dalla tabella fornita dal produttore entrando con la resa termica ottenuta

Si sceglie la portata del circuito tenendo presente che la portata massima consigliata è di 150lt/h.

Si calcola il salto termico:

Si determina la temperatura di mandata mediante la formula: Tm = Tam + ΔTH2O, verificando che sia uguale o inferiore alla temperatura massima del progetto.

GcQT

OH

totOH ⋅=Δ

2

2

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