Riscaldamento elettrico in Fibra di Carbonio

Premessa

1 Esigenza di migliorare le modalità di costruzione degli edifici

Alla fine degli anni Ottanta in tutta Europa è aumentata la consapevolezza di dover puntare ad una generale riduzione dei consumi energetici.

L’ultimo ventennio si caratterizza per una notevole produzione normativa in materia di consumi energetici degli edifici che, con sempre maggior rigore ed attenzione per l’impatto ambientale, ha introdotto la necessità di innovare e migliorare le modalità di costruzione degli stessi.

Lo scopo principale è quello di realizzare abitazioni a basso consumo energetico, capaci di soddisfare le esigenze domestiche a costi ridotti con evidente beneficio dell’utente e, soprattutto, di evitare il consueto dispendio di risorse non rinnovabili salvaguardando l’ambiente.

Le strutture degli edifici devono, innanzitutto, essere in grado di limitare la dispersione di calore dagli ambienti interni.

Un fondamentale aiuto in questo senso è dato dai materiali isolanti, che in maniera sempre più diffusa sono utilizzati per la realizzazione delle strutture immobiliari.

Un buon isolamento termico garantisce:

Contenimento delle perdite di calore;

Clima confortevole negli ambienti interni;

Riduzione delle spese di riscaldamento e raffrescamento;

Riduzione dei ponti termici;

Assenza di vizi costruttivi;

Assenza di umidità e muffe;

Allungamento della durata di vita dell’edificio.

Altro aspetto rilevante riguarda i serramenti. Si sono registrati ottimi progressi grazie all’introduzione di serramenti con trattamenti basso-emissivi e con l’utilizzo di specifici gas nelle intercapedini presenti nel vetrocamera.

Per la realizzazione di strutture energeticamente efficienti, infine, è indispensabile curare i ponti termici, ovvero le vie di dispersione del calore che pregiudicano il buon isolamento di un edificio: attraverso vari accorgimenti costruttivi è possibile eliminarli completamente.

L’insieme di questi fattori, l’adeguamento alle recenti prescrizioni normative e il miglioramento delle tecniche costruttive hanno portato i nuovi edifici ad avere un fabbisogno termico di ben 4 volte inferiore rispetto ai fabbricati realizzati venti anni fa.

2 Utilizzo di fonti rinnovabili

In Europa il consumo energetico è in costante aumento. Ciò evidentemente accresce l’assoluta dipendenza del nostro continente dall’importazione di combustibili fossili, con conseguente ed inevitabile pregiudizio per la sicurezza degli approvvigionamenti.

Il sempre più cospicuo impiego di tali risorse, com’è noto limitate e non rinnovabili, crea inoltre seri danni ecologici, spesso irreversibili: l’urgenza di ridurre le emissioni di anidride carbonica e rallentare il processo di riscaldamento globale è sempre più pressante.

L’utilizzo di fonti differenti dai combustibili fossili, quali l’energia solare (solare termico e fotovoltaico), l’energia geotermica e l’energia eolica rappresentano la soluzione più adeguata: esse, in quanto rinnovabili, consentono il pieno soddisfacimento dei bisogni domestici senza attingere a risorse esauribili né produrre effetti inquinanti.

Lo sfruttamento delle fonti rinnovabili in sostituzione delle fonti di energia fossili (petrolio, gas naturale, carbone) assicura peraltro una forte diminuzione dei costi di esercizio degli impianti. Al progressivo esaurimento delle fonti energetiche fossili si accompagnerà inevitabilmente un costante aumento delle spese a carico degli utenti: con il passare degli anni gli impianti energetici degli immobili risulteranno sempre più costosi.

Il ricorso alle fonti rinnovabili offre un’intelligente alternativa ai sistemi tradizionali, sia in termini economici, a beneficio del singolo utilizzatore, che ambientali: in quanto assolutamente eco-compatibili, l’impiego dell’energia solare, geotermica ed eolica azzera le emissioni di sostanze inquinanti nell’atmosfera, garantendo una notevole riduzione dell’impatto ambientale dei sistemi impiantistici.

Negli ultimi anni si è assistito ad un crescente miglioramento dei meccanismi di produzione di energia. Tale progresso tecnico ha determinato un elevato sviluppo dell’efficienza e della resa degli impianti. A fronte della continua e costante evoluzione del settore, si prospettano realisticamente risultati sempre più positivi e costi di realizzo sempre più contenuti. Il futuro non sembra potersi sottrarre ad una progressiva diffusione di questo tipo di impianti, destinati a divenire in poco tempo dominanti.

Incentivo alla diffusione dei sistemi

Da tempo molti Stati Europei hanno introdotto delle agevolazioni economiche a favore di chi decide di installare nei propri immobili impianti per la produzione di energia da fonti rinnovabili.

Tali aiuti o forme di incentivazione sono proposti secondo diverse modalità: si prevede un contributo in percentuale sul costo complessivo dell’impianto, oppure un pagamento dell’energia prodotta applicando una tariffa unitaria prestabilita per un determinato numero di anni.

Queste incentivazioni statali hanno e stanno tuttora incidendo molto positivamente sulla diffusione delle energie alternative.

3 Basso consumo energetico – ricerca della massima efficienza degli impianti

Accertata l’esigenza di progettare e costruire immobili sempre più performanti dal punto di vista del fabbisogno termico, l’attenzione deve indirizzarsi sulla ricerca di impianti di riscaldamento degli edifici che, data la minore energia termica richiesta (inferiore fino a 4 volte rispetto ai sistemi tradizionali legati ai carboni fossili), presentino le seguenti caratteristiche:

flessibilità ed efficienza, ovvero capacità di risolvere le consuete problematiche che possono sorgere nei sistemi di riscaldamento e di essere utilizzati con differenti modalità (a pavimento, a parete, a soffitto, con radiatori e pannelli radianti)

velocità e massima resa ….

durevolezza nel tempo, ossia non necessità di manutenzioni occasionali e periodiche

componenti di qualità, che non necessitano di periodiche sostituzioni

economicità, ossia costi di acquisto, consumo e manutenzione ampiamente inferiori rispetto agli altri sistemi

La minor spesa nella costruzione dell’impianto di riscaldamento lascia all’utente una disponibilità economica che potrà essere investita nell’installazione di un impianto per la produzione di energia da fonti rinnovabili.

4 Impianti che utilizzano la Fibra di Carbonio

Caratteristiche della Fibra di Carbonio

La tecnologia dei sistema di riscaldamento in fibra di carbonio, si basa esclusivamente sull'uso della Fibra di Carbonio alimentata da energia elettrica. La Fibra di Carbonio in questo modo viene utilizzata come resistore che funge da elemento riscaldante.

Per meglio comprendere il funzionamento di tali impianti è opportuno fornire alcune brevi informazioni sulla Fibra di Carbonio.

In natura il carbonio è presente in varie forme e si trova sia nei materiali composti organici che in quelli inorganici.

La necessità di trasformare tale elemento in un materiale composito si è manifestata inizialmente nel settore aerospaziale, ove è sorta l'esigenza di poter avere un materiale ad elevata resistenza meccanica, con basso peso e basso costo di lavorazione.

La Fibra di Carbonio è stata scoperta nel 1879 da Edison, ma la sua produzione industriale iniziò solo nel 1960, dopo un processo sviluppato da William Watt, per UK Royal Aircraft.

La Fibra di Carbonio apparsa nel 1960 è stata prodotta alterando sostanze composte da un’alta percentuale di carbonio organico (rayon, policarbonitril, ecc.) e successivamente è stata ricavata dai residui di distillazione della lavorazione del petrolio. La prima Fibra di Carbonio si chiama PAN, mentre la seconda si chiama PITCH.

Entrambe le Fibre di Carbonio normalmente vengono utilizzate in applicazioni come tessuti e film.

La differenza fondamentale tra i due tipi di Carbonio è la resistenza a trazione, il peso specifico e la resistività elettrica.

La Fibra di Carbonio utilizzata da Thermal Technology è del tipo PAN in quanto:

1. Ha una resistenza alla trazione pari a quella dell’acciaio (2500 N/mm2);

2. Ha un peso specifico di 1,9 g/cm3;

3. Ha una resistività di 0,000035 Ωm;

Il confronto con altri materiali è significativo, ad esempio: il rame ha un peso specifico di 8,9 g/cm3 e una resistività di 0,000000017 Ωm, vale a dire 2058 volte meno della Fibra di Carbonio.

Il basso valore del peso specifico della Fibra di Carbonio ha come effetto il trasferimento di calore quasi istantaneo ai corpi / sostanze con cui viene messo a contatto.

Le caratteristiche della Fibra di Carbonio sopra esposte diventano ancora più rilevanti se si analizza il comportamento dei diversi materiali con l'uso della corrente elettrica. Infatti l’alta resistività ha di un effetto termico alto (Joule: la quantità di calore generato dalla corrente che attraversa un dato materiale è inversamente proporzionale alla resistività elettrica del materiale in questione).

Queste due caratteristiche determinano l’elevata efficienza della Fibra di Carbonio come elemento riscaldante rispetto ad altri sistemi di riscaldamento elettrico che utilizzano resistenze in metallo o lega.

Gli impianti di riscaldamento che utilizzano la Fibra di Carbonio

Gli impianti di riscaldamento con Fibra di Carbonio generalmente funzionano con il principio dell’irraggiamento.

L’irraggiamento è un sistema di scambio di calore che usa le onde infrarosse come vettore di trasferimento. Infatti due corpi o due oggetti aventi temperature diverse irraggiano naturalmente, l’una verso l’altra ed il flusso di calore va dall’elemento più caldo verso quello più freddo. L’irraggiamento emesso nell’ambiente dal riscaldamento a pavimento si trasforma in calore al contatto di un oggetto, di una parete o di una persona. Le onde infrarosse, quindi, non vengono assorbite dall’aria ma dai corpi solidi che le trasformano in energia termica. Tale energia viene trasmessa nell’ambiente, creando, in tal modo, le condizioni ottimali di confort degli occupanti.

Caratteristiche principali degli impianti sono:

− flessibilità

− posa semplice e veloce - facilità di installazione

− velocità dell'impianto - assenza di inerzia

− ridotti ingombri

− nessuna manutenzione

Flessibilità degli impianti

Grazie alle caratteristiche fisico-meccaniche della Fibra di Carbonio, gli impianti che la utilizzano risultano avere una elevata flessibilità d'impiego riuscendo ad essere integrati in svariate realtà costruttive.

Le applicazioni possibili sono :

− pavimento

− parete e soffitto

− termoarredi

− radiatori e pannelli radianti

− pedane e tappeti

Applicazioni a pavimento

Il sistema di riscaldamento a pavimento sfrutta il principio dell’irraggiamento e funziona a bassa temperatura, non crea spostamenti d’aria, elimina le differenze di temperatura tra le varie zone dell’ambiente garantendo il massimo confort.

Il sistema è stato sviluppato per soddisfare le più svariate esigenze di applicazione sia per le nuove costruzioni che per le ristrutturazioni. Installabili in tutti gli ambienti, l’elemento riscaldante presenta uno spessore di soli 4 mm ed una grande flessibilità d’uso. Il sistema, inoltre garantisce una differenza di temperatura dell’aria tra pavimento e soffitto inferiore ai 2°C. Pertanto la curva di distribuzione della temperatura risulta ideale per il benessere termico.

Applicazione di elemento riscaldante (materassino) direttamente sotto una pavimentazione in laminato

A) PAVIMENTO CERAMICA-LEGNO

B) MASSETTO CEMENTIZIO

C) MATERASSINO RISCALDANTE

D) PANNELLO TERMOISOLANTE PORTANTE

E) SOTTOFONDO DI RIEMPIMENTO

F) SOLAIO

L'applicazione dell'elemento riscaldante in Fibra di Carbonio direttamente sotto la pavimentazione garantisce una notevole rapidità di riscaldamento della finitura superficiale. In questo modo non è necessario riscaldare un massetto con elevata capacità termica riuscendo poi a riscaldare l'ambiente in tempi inferiori rispetto ad un impianto tradizionale.

Applicazione di elemento riscaldante (materassino ) sotto sottofondo a secco di ridotto spessore

A) PAVIMENTO CERAMICA-LEGNO

B) SOTTOFONDO A SECCO LASTRE IN GESSO FIBRATO

C) MATERASSINO RISCALDANTE

D) PANNELLO TERMOISOLANTE PORTANTE

E) SOTTOFONDO DI RIEMPIMENTO

F) SOLAIO

Analogamente alla precedente applicazione, il riscaldamento di un sottofondo di ridotto spessore con elevata conducibilità termica consente di raggiungere una temperatura superficiale di regime in tempi ristretti.

Applicazione di elemento riscaldante (rete) sotto ceramica

A) PAVIMENTO CERAMICA-MARMO

B) RETE RISCALDANTE

C) MASSETTO CEMENTIZIO

D) PANNELLO TERMOISOLANTE

E) SOTTOFONDO DI RIEMPIMENTO

F) SOLAIO

Applicazioni a parete ( e soffitto)

Applicazione di elemento riscaldante a parete

L'applicazione a parete dell'elemento riscaldante può avvenire come da immagine mediante pannelli in fibrogesso oppure elementi riscaldanti da inserire nell'intonaco o sotto il cartongesso .

Termoarredi

Termoarredi

I radiatori e scalda salviette Thermal Technology sono composti da un elemento riscaldante in Fibra di Carbonio che trasferisce il calore alla piastra radiante frontale che può essere in acciaio lucido o verniciato, in vetro o ceramica. A seconda dei vari modelli consentono di riscaldare l’ambiente sfruttando sia l’irraggiamento diffuso attraverso la superficie frontale, sia il moto convettivo naturale dell’aria che si viene a creare attraverso i canali posti all’interno del radiatore aumentando così la resa termica.

Caratteristica comune dei radiatori e scaldasalviette è il loro ridotto spessore (mediamente 3 cm) e quindi possono essere installati ovunque senza creare ingombri fastidiosi all’interno degli ambienti

Pedane e tappeti

Sistemi e modalità di riscaldamento finalizzati a creare zone di confort localizzate solo dove necessario, funzionanti per il tempo necessario, per aree prestabilite ed alle temperature desiderate. Molte volte sono utilizzati in ambienti dove non è possibile rimuovere il pavimento esistente.

Pacchetto di pedana a pavimento

Facilità di installazione

I sistemi Thermal Technology sono di facile installazione. In particolare gli impianti a pavimento sono forniti in due versioni :

− modulare

− a misura

Il sistema modulare consiste in un una serie di elementi aventi misure diverse collegabili fra loro mediante speciali connettori rapidi aventi spessore di 4 mm. e IP67.

Il sistema a misura viene costruito in base alle piante delle superfici da coprire e non richiede connessioni in quanto dotato di un unico punto di alimentazione all’impianto elettrico. La potenza installata varia di volta in volta a seconda del fabbisogno termico del vano da riscaldare.

Posa di elementi modulari e collegamento fra loro mediante l'apposito connettore.

La posa dei riscaldatori a misura è ancora più facile in quanto richiede solo di essere steso e allacciato in un punto prestabilito all' impianto elettrico.

Velocità – assenza di inerzia

Rispetto ad un impianto idronico , il calore è prodotto sul posto , ha il massimo rendimento e reattività. In fase di produzione e la sua distribuzione non è soggetta a dispersioni.

La posizione dell’elemento riscaldante può essere, a seconda delle esigenze, più o meno vicina alla superficie radiante, con conseguente variabilità della inerzia termica. Usare ad esempio il sistema sotto ad un massetto in cemento , aumenta l'inerzia, questo può essere anche un vantaggio in caso di uso continuo di un locale , ma è opportuno scegliere di volta in volta la stratigrafia in funzione delle varie esigenze.

La potenza dell’impianto è normalmente inferiore rispetto ai sistemi tradizionali, in quanto l’energia termica viene prodotta direttamente sul posto di utilizzo e non da centrali termiche posizionate nella maggior parte dei casi a considerevole distanza con conseguenti dispersioni nel percorso.

Ridotti Ingombri

Un impianto di riscaldamento elettrico con pannelli in Fibra di Carbonio riduce gli ingombri dell'impianto :

− ridotto spessore del pannello riscaldante pari a soli mm. 4

− non richiede canne fumarie in quanto il sistema non produce gas combusti

− non richiede cassette di distribuzione, alloggiamenti per pompe e valvole, ma solo condutture elettriche.

Nessun costo di manutenzione

Questa tipologia di impianto non richiede alcun tipo di manutenzione o sostituzione occasionale o periodica di suoi componenti, in quanto non sono presenti parti meccaniche in movimento soggette ad usura. Non esistono componenti soggetti a verifica periodica.

La termoregolazione

Gli impianti di riscaldamento funzionanti ad energia elettrica, diversamente degli impianti idronici, sono controllabili con modalità estremamente semplici, in quanto gli apparecchi devono regolare passaggi di energia elettrica e non di liquidi (non esistono pompe, valvole, tubi e raccordi che spesso sono causa di gravosi interventi manutentivi).

Una corretta termoregolazione permette di mantenere bassi i gradienti termici fra pavimento , parete e aria . Un elevata differenza di temperature porta un minor comfort.

Temperature troppo basse delle pareti richiedono una elevata temperatura a pavimento .

Se l'impianto è costruito in base ai calcoli termotecnici , attuare una logica di controllo come quella più avanti descritta fa si che la temperatura ambiente sia sempre vicina alla temperatura impostata senza mai raggiungerla per 0,1/0,2 °C . In questo modo la temperatura superficiale del pavimento rimane ad una temperatura di equilibrio rispetto al setpoint impostato in aria .

I sistemi di riscaldamento sono controllati mediante una centralina elettronica a cui vanno collegate le sonde di temperatura e le alimentazioni degli elementi riscaldanti.

Per la modalità di funzionamento in modulazione è necessaria la presenza o di una sonda esterna o di una sonda per stanza (o entrambe).

In questa modalità, ad ogni uscita viene assegnato un valore di funzionamento che va da 0 a 100; questo valore è calcolato in funzione sia della temperatura esterna sia di quella interna.

Per un fabbricato viene calcolata la dispersione massima alla temperatura minima di progetto. In base al valore così ottenuto viene realizzato l'impianto a pavimento con una potenza installata, calcolata dal progetto termotecnico, ed aumentata in piccola percentuale.

A temperature superiori alla temperatura minima di progetto le dispersioni sono ridotte: ne deriva che è possibile riscaldare il locale con una potenza inferiore a quella installata.

La centralina è dotata di uscita a relè, quindi non è possibile ridurre la potenza tagliando la semionda ma l'uscita può essere solo accesa o spenta.

Per ridurre la potenza dell'impianto - ad esempio al 70% - viene usato un metodo per cui una uscita rimane accesa 7 minuti su 10. In questo modo la quantità di calore ed il consumo elettrico è inferiore.

Calcolo della percentuale di funzionamento :

Se la temperatura esterna è quella di progetto (es. -5°C ) la percentuale di funzionamento deve essere 100%. Se invece è di 7,5°C può essere anche del 50% (in quanto le dispersioni sono inferiori).

Vengono calcolati dei coefficienti (o percentuali di funzionamento che deve avere l'impianto); i coefficienti calcolati sono due :

– percentuale in base alla temperatura esterna

– percentuale in base alla temperatura interna

La percentuale temperatura esterna (risultato PERC_TE 0-100%) è calcolata in questo modo :

perc pari a 0 con temperatura esterna maggiore a 20°C

perc pari a 100 con temperatura esterna pari a -5°C

La percentuale temperatura interna o ambiente (risultato PERC_TA 0-100%) è calcolata in questo modo:

perc pari a 0 con temperatura maggiore del setpoint impostato

perc pari a 100 con temperatura minore o uguale della temperatura di setpoint -5°C . Esempio per

temperatura impostata( setpoint ) pari a 20°C percentuale impostata a 100% con temperatura inferiore o uguale a 15°C

Le percentuali interagiscono in base alle seguenti formule :

percentuale uscita = PERC_TA * 0,6 + PERC_TE *0,4

Può essere presente una sonda di temperatura integrata nella superficie riscaldante (tipicamente il pavimento); questa ha lo scopo di limitare la temperatura superficiale ad un valore preimpostato (es.: 24°C a pavimento)