1
I sistemi radianti
Ing. Michele Vio
2
87%
Un esempio: Frankfurt Germania (clima freddo) Riqualificazione con tecniche Passive House
Interventi sull'involucro
3
Vista così, si può pensare di limitare gli interventi
alla sola struttura, lasciando inalterati gli impianti.
E’ corretto anche in Italia?
Se si, è corretto sempre?
Interventi sull'involucro
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EFFETTI DELL’ISOLAMENTO TERMICO DEGLI EDIFICI
Interventi sull'involucro
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Grande risparmio in inverno
quando la temperatura
dell’aria esterna è bassa
EFFETTI DELL’ISOLAMENTO TERMICO DEGLI EDIFICI
Interventi sull'involucro
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Basso risparmio
energetico in estate
EFFETTI DELL’ISOLAMENTO TERMICO DEGLI EDIFICI
Interventi sull'involucro
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Il passaggio da riscaldamento a
condizionamento avviene ad una
temperatura dell’aria più bassa
EFFETTI DELL’ISOLAMENTO TERMICO DEGLI EDIFICI
Interventi sull'involucro
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Importanza del clima
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Uno dei maggiori errori che si fa nello studio del sistema edificio –impianto è quello di non contestualizzare il clima.
Spesso si copiano soluzioni vincenti in altri paesi e si cerca diriportarle nel clima Italiano, molto particolare.
Il clima italiano è un clima mediterraneo, molto diverso sia dal climadell’Europa del Nord, che è un clima freddo, che dal climacontinentale, tipico degli stati centrali degli USA.
Alcune considerazioni possono farsi usando il Bin Method, ovveroconsiderando la frequenza oraria con cui si verificano certe condizioni.
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Anche per una valutazione sommaria, bisognerebbe avere i dati climatici perBin divisi tra giorno e notte. Questo è importante soprattutto nella valutazionedel carico latente, come si vedrà meglio più avanti. Infatti, se si considera unpalazzo per uffici, che lavora solamente di giorno, è sbagliato “sporcare” i daticonsiderando anche le ore notturne.AiCARR, fornisce dei software di calcolo che permettono di calcolare questidati a partire dall’anno medio tipo, per ogni provincia italiana. Per qualunquealtra località mondiale, AiCARR fornisce un software in grado di calcolare glistessi dati a partire da alcuni parametri medi mensili, ricavabili dal sitoweatherbase.com.La figura mostra la frequenza oraria di Milano.
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Tutte le città italiane sono caratterizzate da profili tra loro simili. Letemperature che si verificano con maggiore frequenza sono quelle compresetra 5°C e 25°C, con “code” verso il basso per le città del nord e verso l’altonelle città del sud.La figura riporta somma delle temperature diurne e temperature notturne.
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Completamente diverso è il clima delle città del nord Europa, caratterizzate daun clima freddo. La figura mostra la frequenza oraria annuale di Berlino: sipuò notare quanto maggior peso abbiano le basse temperature.
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Completamente diverso è anche il clima delle città degli USA, altro riferimentostorico per i nostri progetti. La figura riporta il clima di Minneapolis (climacontinentale freddo) e Phoenix (clima continentale caldo). I profili sonocompletamente diversi rispetto alle nostre città..
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Anche New York, che pure è una città di mare alla stessa latitudine di Napoli,presenta delle importanti differenze climatiche con le nostre città..
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La figura riassume quanto detto in precedenza.Temperature inferiori a 5°C richiedono molta energia per il riscaldamento,così come le temperature superiori a 26°C per il raffreddamento. Tra 6°C e15°C c’è bisogno di riscaldamento solo negli edifici poco isolati del terziario onel residenziale, ma con una spesa energetica più contenuta. Negli edificimolto isolati del terziario c’è già bisogno di raffreddamento.Oltre i16°C e 25°C c’è sempre bisogno di raffreddare gli ambienti.
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Tra 6°C e 25°C l’effetto del recupero di calore è nullo o molto limitato.Queste temperature si verificano per il 71% del tempo a Milano, l’82% sia adAncona che a Bari. Tutte le altre località hanno frequenze nettamente minori:60% a New York, 58% a Phoenix, 55% a Berlino e 50% a Minneapolis.La differenza rispetto alle città italiane è distribuita verso le alte o le bassetemperature.E’ logico che le strategie di utilizzo dei recuperatori devono esserenecessariamente diverse
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TIPOLOGIA DEGLI EDIFICI
TERZIARIO
RESIDENZIALE
Interventi sull'involucro
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TERZIARIO
RESIDENZIALE
In inverno la differenza è dovuta al
minor carico endogeno
Interventi sull'involucro
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TERZIARIO
RESIDENZIALE
In estate la differenza è dovuta
ai minori carichi endogeni e al diverso
utilizzo dell’impianto
Interventi sull'involucro
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Interventi sull'involucro
In Italia non conviene mai eccedere con
l’isolamento termico, perché si rischia di
perdere nella climatizzazione estiva quanto si
guadagna nel riscaldamento invernale.
In particolare non bisogna mai farlo negli edifici
adibiti al terziario perché i carichi endogeni sono
elevati
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Alto isolamento
Scarso isolamento
Comunque, anche nel residenziale, il
maggior isolamento richiede di iniziare
prima l’uso del condizionamento
Interventi sull'involucro
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I sistemi radianti mirano amassimizzare il benessere ambientale, riducendo nel
contempo il consumo energetico
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Sono sistemiCOMPLESSI
Vanno compresi molto bene
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SISTEMI RADIANTI
Ambiente da climatizzare
Ambiente da climatizzare
Impianti radianticonnessi a una rete idraulica
con una loro regolazione
supportati da canali d’aria
collegati a una CTA con regolazione
GF
L’energia è prodotta da gruppi frigoriferi
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1^ COMPLESSITA’
Ambiente da climatizzare
Ambiente da climatizzare
Interazione in ambiente tra sistema radiante e aria
GF
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AMBIENTE da CLIMATIZZARE
Un ambiente da climatizzare è caratterizzato da una potenza sensibile P S
e da una potenza latente P L
ovvero la potenza di deumidificazione
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AMBIENTE da CLIMATIZZARE
Nell’ambiente da climatizzare agisce sia il sistema radiante che l’aria
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COMPITO DELL’ARIA
La portata d’aria deve essere tale da soddisfare totalmente la potenza latente P L
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COMPITO DELL’ARIA
Se l’aria è immessa a una temperatura inferiore a quella dell’ambiente
l’aria fornisce anche parte della potenza sensibile P SA
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5 kW endogeni
Caso: Ristorante
Potenza latente 10kW
5 kW per ricambi d’aria
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Senza trattamento aria esterna
L’aria deve fornire 10 kW. La portata è 5.000 m3/h
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Con trattamento aria esterna
L’aria deve fornire solo 5 kW. La portata è 2.500 m3/h
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DIMENSIONAMENTO SISTEMA RADIANTE
PSR = PS - PSA
La potenza richiesta al sistema radiante dipende anche dalla temperatura dell’aria
E tutto ciò influisce sul BENESSERE
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2^ complessitàSCAMBI TERMICI
Un sistema radiante scambia calore in 2 modi
per IRRAGGIAMENTOper CONVEZIONE
sia con le persone che con l’ambiente
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SCAMBI TERMICI
Vi sono alcune differenze fondamentalitra come il sistema radiante interagisce
con l’ambiente e con le persone: comprenderle bene è fondamentale
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1^ differenza
L’ambiente scambia calore solo per irraggiamento e convezione
Le persone scambiano calore in modo più complesso
(anche per sudorazione e respirazione )
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2^ differenza
I parametri in gioco sono diversiperché le persone si trovano a
temperatura diversa dalle pareti e dal sistema radiante
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3^ differenza
Le persone vedono l’ambiente in modo diverso dal sistema radiante
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SCAMBIO TERMICO CON L’AMBIENTE
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IRRAGGIAMENTO
Lo scambio per irraggiamento raffredda solamente lepareti e lascia inalterata la temperatura ambiente
TPELLE
TPARETI
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CONVEZIONE
La convezione viene attivata dalla temperatura di pelle del sistema inferiore a
quella dell’ aria
TPELLE
TARIA
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PARAMETRI IN GIOCO
Già da questa semplice riflessione si comprende che i parametri in gioco sono 3:
1) Temperatura pelle sistema radiante TPELLE
2) Temperatura pareti inattive TPar
3) Temperatura dell’aria TA
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SCAMBIO TERMICO CON LE PERSONE
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IRRAGGIAMENTO
Le persone cedono calore a tutto l’ambiente
TPELLE
TPARETI
TSup Persone
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CONVEZIONE
Le persone cedono calore per convezione all’aria che è più fredda
TARIA
TSup Persone
46
C’è un parametro in più:
1) Temperatura pelle sistema radiante TPELLE
2) Temperatura pareti inattive TPar
3) Temperatura dell’aria TA
4) Temperatura superficiale persone Tcl
DIFFERENZE
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DIFFERENZE
Le persone vedono tutto l’ambiente, mentre il soffi tto radiante non vede se stesso
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SCAMBIO TERMICO CON LE PERSONE
BENESSERE TERMOIGROMETRICO
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PARAMETRI
2 parametri sono strettamente riferiti all'uomo: il metabolismo energetico e le proprietà termo
fisica dell'abbigliamento4 parametri sono di tipo ambientale: temperatura ,
velocità , umidità dell'aria e temperatura media radiante delle pareti dell'ambiente
50
BILANCIO ENERGETICO
In ambienti moderati , nei quali gli scambi di energia termica vengono dal corpo umano verso l'ambiente, perché la temperatura dell'ambiente stesso è inferiore a quella delle zone esterne del corpo umano, il bilancio di energia termica sul
corpo può essere scritto come:
KRCCEWMS resres −−−−−−=
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BILANCIO ENERGETICO
S accumulo di energia termica nell'unità di tempo ovariazione di energia interna del corpo umanonell'unità di tempo
M metabolismo energetico,W Potenza meccanica che il corpo umano cede
all'ambienteEres Potenza termica scambiata nella respirazione come
calore latenteCres Potenza termica scambiata nella respirazione come
calore sensibileC Potenza termica scambiata per convezioneR Potenza termica scambiata per irraggiamentoE Potenza termica scambiata per evaporazione della pelleK Potenza termica scambiata per conduzione
KERCCEWMS resres −−−−−−−=
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BILANCIO ENERGETICO
W e K possono considerarsi nulli
KERCCEWMS resres −−−−−−−=
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BILANCIO ENERGETICO
Funzione prevalentemente del metabolismo
KERCCEWMS resres −−−−−−−=
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METABOLISMO ENERGETICO
energia potenziale chimica che all'interno del corpo umano si trasforma in energia termica. Il metabolismo energetico viene misurata in met:
1 met = 58,2 W/m 2
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METABOLISMO ENERGETICO
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BILANCIO ENERGETICO
Funzione metabolismo
KERCCEWMS resres −−−−−−−=
Funzione metabolismo, abbigliamento, temperatura
OPERATIVA
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COEFFICIENTE ABBIGLIAMENTOTabella 3: resistenza termica dell'abbigliamento e coeffi cienti d’area fcl per uomini e donne inestate, mezza stagione, e d'inverno
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TEMPERATURA OPERATIVA
La temperatura OPERATIVA o temperaturaOPERATIVA tO è sostanzialmente latemperatura avvertita dall'occupantedell'ambiente. Si può scrivere:
cR
acMRRO hh
ththt
++=
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TEMPERATURA MEDIA RADIANTE
dove Fn sono i fattori di vista
∑=n
1nnMR Ftt
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FATTORI DI VISTA
ambiente 10*5*3 m
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TEMPERATURA OPERATIVA
La temperatura OPERATIVA o temperaturaOPERATIVA tO è sostanzialmente latemperatura avvertita dall'occupantedell'ambiente. Si può scrivere:
cR
acMRRO hh
ththt
++=
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TEMPERATURA OPERATIVA
per soggetti a riposo la conduttanza termicaconvettiva hc e la conduttanza termica perirraggiamento hR sono molto simili
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TEMPERATURA OPERATIVA
La formula si può semplificare in
2
ttt aMRO
+=
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COMFORT TERMICO
NORMA UNI EN 7730
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COMFORT TERMICO
lega tra loro 8 variabili: 2 relative al soggetto(abbigliamento e attività), 4 ambientali (temperatura,velocità e umidità dell'aria, temperatura media radiante)e 2 fisiologiche (temperatura della pelle e Potenzatermica dispersa per sudorazione)
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INDICE PMV
L’indice PMV (Predicted Mean Vote, o in italianoVoto Medio Previsto) è attualmente normatodalla UNI EN 7730
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INDICE PMV
è definito come segue: PMV è un indice che predice il valore medio tramite i voti di un ampio gruppo di persone sulla scala di sensazione termica a 7 valori (tabella 9), basato sul bilancio di calore del
corpo umano. Il bilancio termico di pareggio si ottiene quando la produzione di calore interna nel corpo è uguale alla perdita di calore verso
l'ambiente
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INDICE PMV
L’indice PMV dipende solamente da:
METABOLISMO
ABBIGLIAMENTO
TEMPERATURA OPERATIVA
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INDICE PPD
Il PMV rappresenta il voto di un individuo medio, ovverola media dei voti espressi da un gran numero di personeposte nelle stesse condizioni.Sperimentalmente si è visto che i voti dei singoliindividui presentano con una certa dispersione intornoal valore medio. Fanger ha quindi definito un altroindice, il PPD (Predict Percentage of Dissatisfied ), cherappresenta la percentuale prevista di insoddisfatti,dove per insoddisfatti si intendono coloro che votano +-2 o +-3. L'equazione utilizzata è:
( )24 PMV2179,0PMV03353,0exp95100PPD −−−=
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INDICE PPD
( )24 PMV2179,0PMV03353,0exp95100PPD −−−=
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DISCOMFORT TERMICO LOCALIZZATO
Le causa che portano a un discomfort termicolocalizzato sono 4:
1 elevata differenza verticale della temperatura dell'aria
2 pavimento troppo caldo o troppo freddo
3 elevata asimmetria media radiante
4 correnti d'aria
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CLASSI DI COMFORT
Per ogni ambiente esiste una temperatura OPERATIVA ottimale che corrisponde a PMV = 0, a seconda
dell'attività e dell'abbigliamento degli occupanti… La temperatura OPERATIVA ottimale è la stessa per l e tre classi di ambiente, ma varia il campo accettabi le di
scostamento. La temperatura OPERATIVA dovrebbe essere sempre
all'interno della campo accettabile in ogni posizion i all'interno della zona occupata dell’ambiente. Quest o
significa il campo accettabile dovrebbe coprire variazioni sia spaziali che temporali, tra cui fluttu azioni
causate dal sistema di controllo
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INFLUENZA ABBIGLIAMENTO
76
INFLUENZA ABBIGLIAMENTO
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INFLUENZA ABBIGLIAMENTO
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INFLUENZA UR
L'umidità relativa dell'ambiente influisce molto poco sulvalore della sensazione termica, come dimostrò Fangernei suoi studi negli anni 70.Ciò è vero negli ambienti moderati. Per le normaliapplicazioni civili, in condizioni di benessere contemperatura dell'aria con prese tra 19 °°°°C e 28°°°°C, ilpeso dell'umidità relativa può considerarsi irrilevante .
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INFLUENZA UR
80
81
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PARETE CALDA
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PARETE FREDDA
84
SOFFITTO CALDO
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SOFFITTO FREDDO
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CLASSI DI COMFORT
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Vetri normali
persone sedute ( uomo in maglietta a maniche corte e donna con abbigliamento medio ), velocità dell’aria 0,15 m/s, metabolismo 70 W/m 2
TEMPERATURA ARIA 26°°°°C
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Vetri assorbenti
persone sedute ( uomo in maglietta a maniche corte e donna con abbigliamento medio ), velocità dell’aria 0,15 m/s, metabolismo 70 W/m 2
TEMPERATURA ARIA 26°°°°C
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Influenza abbigliamentoDonna abbigliamento leggero
Uomo abbigliamento leggeroDonna abbigliamento medio
Uomo abbigliamento medio Uomo in giacca e cravatta
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Influenza temperature superficiali
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Correzione PMV mediante velocità dell’aria
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SCAMBIO TERMICO CON LE PARETI
PRESTAZIONI DEI SISTEMI RADIANTI
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IRRAGGIAMENTO
Lo scambio per irraggiamento raffredda solamente lepareti e lascia inalterata la temperatura ambiente
TPELLE
TPARETI
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CONVEZIONE
La convezione viene attivata dalla temperatura di pelle del sistema superiore a
quella dell’ aria
TPELLE
TARIA
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PARAMETRI IN GIOCO
Già da questa semplice riflessione si comprende che i parametri in gioco sono 3:
1) Temperatura pelle sistema radiante TPELLE
2) Temperatura pareti inattive TPar
3) Temperatura dell’aria TA
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CONSIDERAZIONE
La Temperatura di Pelle del sistema èmolto importante nella climatizzazioneestiva, perché deve rimanere almeno 3°°°°Cal di sopra della temperatura di rugiada
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IRRAGGIAMENTOLo scambio tra 2 superfici è dato da:
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PERCHE’ E’ IMPORTANTE
Un simile approccio è importante perché i pannelli non rendono in modo uguale in
tutto il soffitto
Rendono di più quelli più vicini alle superfici calde
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Influenza della temperatura radiante
100
Influenza della temperatura radiante
101
Influenza della temperatura del sistema sulle pareti
102
Influenza della temperatura del sistema sulle pareti
103
Più superfici attive
104
Più superfici attive
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Ripartizione della potenza scambiata
nInaRa dApdAp∫ ∫=
106
Ripartizione della potenza scambiata
107
Ripartizione della potenza scambiata
108
potenza scambiata da parete
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110
111
TEMPERATURA DI PELLE
112
INFLUENZA TEMPERATURA DI PELLE
113
Temperature interne pareti e vetri
Dipendono dall’irraggiamento (quindi dall’orientamento), dalla temperatura
dell’aria e dall’isolamento
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Pareti k = 0,4
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Vetri normali k = 1,5 schermi FS = 0,5
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Vetri assorbenti k = 1,5 FS = 0,5
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Prestazioni reali vs norme/formule semplificate Pavimento Inverno
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Prestazioni reali vs norme/formule semplificate Pavimento Estate
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Prestazioni reali vs norme/formule semplificate Soffitto Inverno
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Prestazioni reali vs norme/formule semplificate Soffitto estate
Bisogna prima spiegare la norma 14240
121
NORME PRESTAZIONALI
La NORMA 14240 prevede prove in un ambiente in cui la Temperatura Media Radiante delle pareti
inattive è uguale alla Temperatura dell’aria
Superficie attiva
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La NORMA 14240 non può dare le prestazioni in funzione della Temperatura Media Radiante
Perché la norma è carente
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Perché la norma è carente
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Perché la norma è carente
Non considera la temperatura di pelle
Sembra che i soffitti metallici rendano di più
125
Perché la norma è carente
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Perché la norma è carente
Ma non è vero, perché la norma rende cieco il progettista rispetto al pericolo di formazione
della condensa
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Perché la norma è carente
128
Perché la norma è carente
129
Perché la norma è carente
Punto da test norma 14240
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LIMITI DI UTILIZZO DEI DATI DELLA NORMA
Utilizzare i dati della curva prestazionale fornita dalla Norma UNI EN 14240 porta a errori
nel funzionamento reale perché le prestazioni del sistema sono sopravvalutate o sottovalutate a
seconda dei casi(perché la norma considera la T media radiante
delle pareti inattive uguale alla temperatura dell’aria ambiente)
131
Perché la norma è carente
Norma 14240 sottostima Tmr > 26 °°°°C
Norma 14240 sovrastima Tmr < 26 °°°°C
132
ESEMPIO 1 Richiesta 75 W/m 2 Taria = 26°°°°C
Dato di norma
19,3°°°°C
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ESEMPIO 1 Richiesta 75 W/m 2 Taria = 26°°°°CTmr = 28,5°°°°C
Dato di norma
20,4°°°°C
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ESEMPIO 2
Open space in seminterrato
Tutte pareti tranne il tetto hanno una T = 20 °°°°C
MEZZA STAGIONE
135
ESEMPIO 2
MEZZA STAGIONET ambiente = 24°°°°C
Potenza richiesta al soffitto = 1.000 WPotenza specifica = 55 W/m 2
Tpelle secondo UNI EN 14240 = 19,7 °°°°C
Andamento realeT media radiante sup inattive = 20 °°°°C
Tpelle = 17,2 °°°°C
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Confronto in estate radiante a pavimento vs radiante a soffitto
vs aria
137
138
139
140
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Ombre termiche dovute all’arredo
142
Pavimento
143
Pavimento
144
Pavimento
145
Pavimento
146
Pavimento
147
Pavimento
148
Pavimento
149
Influenza su PMV
150
151
Camera da letto
152
Ufficio
153
Abitazione
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SOFFITTO METALLICO
155
SOFFITTO CARTONGESSO
156
SOFFITTO CARTONGESSO
157
SOFFITTO CARTONGESSO
158
SOFFITTO CARTONGESSO
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Influenza superficie
160
Influenza superficie
161
Tempo messa a regimealbergo inverno
162
Tempo messa a regimealbergo inverno
163
Tempo messa a regimealbergo estate
164
Tempo messa a regimealbergo estate
165
Influenza inerzia sulla regolazione
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