Valutazione delle prestazioni termiche di sistemi con solai termoattivi in regime non stazionario

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1 Valutazioe delle prestazioi termiche di sistemi co solai termoattivi i regime o stazioario MICHELE DE CARLI, Ph.D., Ricercatore, Dipartimeto di Fisica Tecica, Uiversità degli Studi di Padova, Padova, Italia. MARKUS KOSCHENZ, EMPA, Zurigo, Svizzera BJARNE W. OLESEN, Ph.D., Professore, Iteratioal Ceter for Idoor Eviromet ad Eergy, Damarks Tekiske Uiversitet, Lygby, Daimarca. MASSIMILIANO SCARPA, Ph.D., Dipartimeto di Fisica Tecica, Uiversità degli Studi di Padova, Padova, Italia. SOMMARIO I sistemi co solai termoattivi (o ad attivazioe termica della massa) soo geeralmete chiamati co l'acroimo TABS (Thermo-Active Buildig Systems) e rappresetao ormai uo stadard el mercato dell Europa cetrale per il raffrescameto e il riscaldameto di ambieti cofiati. Soo sistemi i utilizzo da circa ua decade, tuttavia la loro applicazioe fatica a diffodersi i Italia. Il presete articolo ha lo scopo di forire ua guida al dimesioameto semplificato di sistemi idroici co solai termoattivi. Il ricorso a tali sistemi permette di utilizzare i modo più efficiete le foti eergetiche riovabili, cotribuedo di cosegueza alla loro diffusioe. La progettazioe di sistemi radiati co solai termoattivi si dimostra oggi laboriosa poiché, a causa dell'elevata capacità termica del solaio, bisoga ricorrere a simulazioi termiche diamiche co codici di calcolo dedicati. E' tuttavia importate sottolieare che proprio l'elevata ierzia termica e determia i pricipali vataggi, primi fra tutti l'atteuazioe dei picchi di carico rispetto a u sistema covettivo tradizioale e il coseguete ricorso a chiller di taglie limitate. Per il dimesioameto del sistema TABS o risulta sufficiete il calcolo dei soli carichi termici, i quato il loro profilo o corrispode al profilo di carico che deve essere asportato dalla macchia refrigerate. Per u corretto dimesioameto possoo allora giugere i aiuto codici per la simulazioe dettagliata del complesso edificio-impiato. Tuttavia, tali codici, che risultao spesso complessi, soo piuttosto costosi e richiedoo tempo. I questo lavoro vegoo presetati i diversi metodi semplificati fializzati al calcolo delle prestazioi dei sistemi TABS e iseriti ella uova ormativa del settore (pren15377 parte 3) i corso di pubblicazioe. I metodi proposti vegoo usati per dimesioare il sistema e verificare che le specifiche del circuito e della macchia ad esso collegata cosetao l'opportua operatività dell'impiato, el rispetto delle codizioi di comfort all itero dell ambiete. 1. INTRODUZIONE Negli ultimi ai si sta diffodedo ua uova tipologia impiatistica fializzata al raffrescameto e riscaldameto di edifici i Europa cetrale, pricipalmete Germaia, Austria, Svizzera e Olada: si tratta dei sistemi TABS (Thermo-Active Buildig Systems). Il ome e evoca la pricipale caratteristica di fuzioameto: essi soo ifatti sistemi radiati che sfruttao l'ierzia termica della struttura edilizia. Il circuito viee alloggiato al cetro della struttura, el cuore del solaio, così da sfruttare l'itero volume per accumulare eergia. I tal modo, l'itera struttura del solaio diviee u termiale d'impiato caratterizzato da elevata capacità termica e quidi i grado di accumulare eergia frigorifera (i regime estivo) o termica (i fuzioameto iverale), per poi rilasciarla i modo graduale e autoregolate ell arco della giorata, permettedo ua leggera fluttuazioe delle gradezze itere di beessere (pricipalmete temperatura dell aria

2 e media radiate), sebbee pur sempre all itero di u campo accettabile di comfort termico. Ovviamete, tale meccaismo o è lieare, i quato la prestazioe del sistema (i particolare la sua protezza el rispodere alle sollecitazioi termiche estere) dipede i modo particolare dall'ierzia termica del sistema stesso. Come detto, la capacità termica del sistema permette di sfruttare il solaio come u serbatoio termico e quidi di accumulare eergia co acqua a temperature di madata vicie alla temperatura di comfort, cosetedo i modo vataggioso lo sfruttameto di foti eergetiche riovabili e l utilizzo di macchie ad elevata efficieza di produzioe, quali le pompe di calore accoppiate al terreo. Tuttavia, la preseza di ierzia termica tra il circuito e la staza implica ua maggiore complessità della fase progettuale. Le prime applicazioi di sistemi TABS risalgoo ai primi ai ovata i Svizzera (Meierhas 1993, 1996), sfruttado l'elevata ierzia termica caratterizzate i solai di calcestruzzo iterposti tra u piao e l'altro, al fie di provvedere sia al raffrescameto che al riscaldameto di edifici multipiao, geeralmete del terziario. Nel dimesioameto dei classici impiati di raffrescameto ad aria, la poteza frigorifera viee calcolata effettuado ua simulazioe diamica basata sul gioro di progetto estivo, cosiderado i carichi iteri dovuti a persoe e apparecchiature elettriche, ochè i carichi solari e il clima estero. Nel caso di sistemi a bassa ierzia termica, quali gli impiati covettivi e i paelli radiati di superficie, il carico cui il sistema deve far frote corrispode alla poteza frigorifera ecessaria a mateere ua temperatura operativa itera alla staza pari, per esempio, a 26 C (ASHRAE-2004) el mometo di massimo fabbisogo frigorifero. Nei sistemi ad attivazioe termica della massa, ivece, l'ierzia termica del solaio atteua il carico frigorifero delle macchie refrigerati e e ritarda il picco (feomeo di peak shavig). Di cosegueza, si rede ecessario u diverso approccio ella progettazioe del dimesioameto di sistemi co solaio termoattivo. Il presete articolo illustra i metodi semplificati previsti ella uova ormativa europea per il dimesioameto di TABS (EN parte 3). A livello teorico, ua simulazioe termica a regime diamico co time-step orario sarebbe sufficiete per otteere u'ottima valutazioe delle prestazioi dei solai termoattivi i fase di raffrescameto (Hauser et. al. 2000, Koschez e Lehma 2000 Olese et. al. 2002, Bruello et al. 2002, Olese e Dossi 2004,). Tuttavia, spesso si ritiee u tale approccio troppo complicato e laborioso, specialmete durate la fase di primo dimesioameto. Vegoo di seguito presetati i metodi semplificati iseriti all'itero della Normativa Europea di riferimeto per il settore. I metodi proposti vegoo usati per dimesioare il sistema e verificare che la poteza così istallata sia sufficiete ad assicurare il comfort all'itero del locale cofiato. U'apposita sezioe della ormativa descrive pure quato la progettazioe e il dimesioameto possao essere migliorati i modo da facilitare l'utilizzo di risorse eergetiche riovabili. 2. SCOPO DELLA NORMATIVA La ormativa EN prevede metodi di dimesioameto per sistemi di raffrescameto e riscaldameto radiate alimetati ad acqua. Questa orma differisce dal progetto di orma pren 1264, ach esso i fase di revisioe, che si riferisce al calcolo della sola poteza omiale termica e frigorifera del sistema radiate i codizioi stazioarie e co i metodi di calcolo atualmete previsti dalla EN La orma EN (parti 1 e 2) ivece riguarda il dimesioameto degli impiati sulla base delle rese sia dei sistemi radiati defiiti ella pren 1264 che di altre tipologie di impiato radiate, quali i sistemi a capillare, i pavimeti radiati i lego e i sistemi co solaio termoattivo. I particolare ella orma EN si itroduce la possibilità di dimesioameto i regime stazioario di qualsiasi tipo di sistema radiate co teciche agli elemeti fiiti o alle differeze fiite. La orma pren15377 parte 3 è iteramete dedicata al dimesioameto i regime diamico degli impiati co solaio termoattivo co lo scopo di guidare il progettista el dimesioameto della poteza ecessaria dal chiller ai fii del raffrescameto. Il dimesioameto i regime stazioario iverale viee ivece defiito elle parti 1 e 2. Le metodologie di dimesioameto semplificato derivao da ua ricerca bieale svolta presso il Dipartimeto di Fisica Tecica i collaborazioe co l Uiversità Tecica della Daimarca e l EMPA di Zurigo. Occorre ifie sottolieare come le orme europee sugli impiati radiati (EN ed EN 1264) siao attualmete oggetto di aalisi per costituire la base della uova ormativa ISO (gruppo ISO/TC205-WG8) sui sistemi radiati.

3 3. OTTIMIZZAZIONE DEL SISTEMA FINALIZZATA ALL'ACCOPPIAMENTO CON RISORSE ENERGETICHE RINNOVABILI Trasferire eergia termica attraverso sistemi idroici comporta impiati meo igombrati e co miore cosumo di eergia rispetto ad impiati aveti aria come fluido termovettore. Allo stesso tempo, i preseza di elevate superfici di scambio, l'acqua di alimetazioe preseta temperature di madata piuttosto vicie alla temperatura dell ambiete; e deriva quidi il termie di sistemi ad alta temperatura, el caso di regime estivo, o a bassa temperatura, el caso di fuzioameto iverale. Più i geerale si parla di impiati a bassa differeza di temperatura. Gli impiati radiati tradizioali soo sistemi a bassa differeza di temperatura; per questi impiati la differeza tra temperatura media dell acqua e temperatura dell ambiete può essre ridotta mediate la dimiuzioe del passo tra i tubi e il salto termico tra temperatura dell'acqua di madata e di ritoro. Questo comporta però u aumeto della lughezza dei tubi e della portata d'acqua circolate, aumetado di cosegueza le perdite di pressioe e duque maggiori cosumi eergetici di pompaggio, a meo di o aumetare il diametro dei tubi oppure di suddividere il circuito radiate i sottocircuiti i parallelo. Nel caso degli impiati TABS si può otteere u utilizzo più razioale dell eergia, grazie alla riduzioe del picco di carico, dovuta all'elevata ierzia termica del sistema. I tal modo, i picchi di carico sosteuti dall'impiato vegoo traslati al di fuori del periodo di maggiore itesità dei carichi termici all'itero dei locali, riducedo allo stesso tempo la poteza istallata dell impiato di riscaldameto e raffrescameto. Si possoo ioltre usare temperature dell'acqua prossime a quella ambiete (temperatura i riscaldameto di 25 C- 27 C i ivero e 18 C-22 C i estate); questo implica maggiori vataggi ello sfruttameto di foti eergetiche riovabili o altamete efficieti, quali la risorsa solare termica, gli acquiferi, come pure le pompe di calore geotermiche. Ifatti ua dimiuzioe della taglia della macchia può rappresetare u aspetto iteressate, soprattutto quado correlato a pompe di calore accoppiate al terreo: i questo caso ifatti la riduzioe di poteza istallata coicide co u miore costo di istallazioe (mior umero di sode geotermiche) e ioltre le temperature basse i codesazioe ed alte i evaporazioe cosetoo COP elevati sia i riscaldameto che i raffrescameto (De Carli et al. 2004). 4. CONCETTI ALLA BASE DEI SISTEMI CON SOLAIO TERMOATTIVO I sistemi TABS (Koschez e Lehma 2000) soo circuiti di raffrescameto e riscaldameto ad acqua i cui tubi trovao posto al cetro del solaio (Figura 1). Il trasferimeto di calore viee duque fortemete ifluezato dagli spessori di solaio posti sopra e sotto il piao tubi, ochè dalla preseza o meo di strati isolati al di sopra o al disotto del solaio. A livello ituitivo, si può pesare che il flusso di eergia termica (sia essa frigorifera o meo) iteressi dapprima la regioe circostate i tubi, per poi estedersi coivolgedo il resto della parte strutturale del solaio, fio a raggiugere le superfici del solaio stesso, cioè il soffitto ed eveetualmete il pavimeto, e da qui l ambiete. Floor Room Reiforcemet Cocrete Room Pipes Figura 1. Sistema co solaio termoattivo

4 I sistemi co solaio termoattivo rivelao i propri vataggi più sigificativi ell'ambito della climatizzazioe estiva. E proprio a tale codizioe di fuzioameto fa riferimeto la orma EN Parte 3, pertato el seguito si farà riferimeto al comportameto diamico i raffrescameto. I tal caso, si può suddividere il sistema elle segueti pricipali etità, come illustrato i Figura 2: 1. Macchia refrigerate; 2. Circuito di distribuzioe dell'acqua refrigerata; 3. Serpetia per il raffrescameto, posta ella parte più itera del solaio (posizioe PL, acroimo di Pipe Level); 4. Evetuali resisteze termiche dovute alla fiitura del pavimeto e del soffitto (quali tappeti, moquette, pavimeto rialzato e cotrosoffitti); 5. Ambieti superiore e iferiore PL Figura 2. Schema semplificato di sistemi TABS La possibilità di atteuare i picchi di carico, i particolare quelli estivi, cosete di o reagire istataeamete ai carichi termici, posticipado per esempio il periodo di criticità ella rimozioe del calore al di fuori del periodo di occupazioe, provvededo i tal modo al raffrescameto dell'edificio durate le ore otture. I sistemi TABS possoo essere utilizzati sia co sistemi di vetilazioe meccaica che i accoppiameto co vetilazioe aturale, i fuzioe delle codizioi climatiche del sito e della destiazioe d uso dell edificio. Nel caso di vetilazioe meccaica, si può pure provvedere alla deumidificazioe dell'aria immessa. I tal caso, si può usufruire della medesima macchia refrigerate utilizzata per il sistema radiate. I breve, il solaio ad attivazioe termica della massa cosete di accumulare eergia frigorifera ella otte, lasciado dispoibile la macchia refrigerate per il trattameto dell aria di riovo, durate i perdiodi di occupazioe (Figura 3): ciò cosete di utilizzare macchie refrigerati di dimesioi iferiori, co u migliorameto delle prestazioi, dato che la temperatura di evaporazioe può essere maggiore di quella diura richiesta per il trattameto dell aria; el caso di chiller raffreddati ad aria ioltre la temperatura estera el periodo otturo è più bassa rispetto a quella diura. Ifie, il fuzioameto otturo può permettere di sfruttare ua più coveiete tariffazioe elettrica, ell ottica di u mercato elettrico libero. I geerale si può dire che i climi caldi e umidi la poteza refrigerate richiesta per la deumidificazioe diura dell'aria è sufficiete a far frote pure al raffrescameto otturo del solaio, come si evice dalla Figura 3. Prerequisito fodametale è u ivolucro efficiete dal puto di vista eergetico, sia per quato riguarda l aspetto iverale, sia per quato riguarda il comportameto durate la stagioe estiva. L aspetto più critico el dimesioameto dei sistemi TABS è quello relativo alle codizioi climatiche itere; i particolare risulta difficile, per il progettista, determiare se ua determiata temperatura di adduzioe dell'acqua al circuito sia sufficiete ad assicurare il mateimeto di codizioi di comfort termico (i termii di temperatura operativa) etro u predetermiato itervallo di temperatura operate. Ioltre, il progettista è iteressato al calcolo della poteza che dev'essere rimossa dal gruppo di refrigerazioe, i modo da prevedere il dimesioameto, oltre a decidere quate ore far fuzioare l impiato. Ifatti (Figura 4), i ambieti co istallazioi di sistemi co solaio termoattivo, la temperatura dell'ambiete itero fluttua etro u itervallo di temperatura che deve essere compreso all itero dell itervallo di comfort ( 0.5 < PMV < 0.5), che el caso di edifici del terziario si traduce i u campo di temperature operati comprese tra 23 C e 26 C (ISO ). E stato peraltro dimostrato i receti ricerche (Kolarik et al. 2007) che la variazioe di temperatura di 3 C ell arco di ua giorata lavorative o rappreseta u problema di comfort.

5 I questi ai soo stati sviluppati umerosi codici di simulazioe termica diamica dell'edificio. Il ricorso a tali programmi è comuque limitato dagli elevati tempi e costi ecessari per la preparazioe e la coduzioe delle simulazioi stesse. I quest'articolo si presetao strumeti di calcolo semplificati, iseriti ella uova ormativa, che permettoo il dimesioameto di sistemi TABS. 140 EFFETTO DI RIDUZIONE DI POTENZA CON SISTEMA TABS POTENZE FRIGORIFERE SPECIFICHE [W/m 2 ] Riduzioe del picco di poteza Poteza richiesta per il trattameto dell'aria Heat Gai TEMPO [h] Figura 3. Esempio dell'effetto di atteuazioe del picco di carico CONDIZIONI INTERNE CON SOLAIO TERMOATTIVO Eergia accumulata el solaio termoattivo TEMPERATURE [ C] θ mr θ a PMV VOTO MEDIO PREVISTO 21 T acqua ritoro TEMPO [ore] Figura 4. Esempio di profili di temperatura (asse siistro) e valori di PMV (asse destro) el corso della giorata

6 5. METODI DI CALCOLO I metodi di calcolo previsti ella orma soo i segueti: 1. Metodo di primo dimesioameto (Sezioe 5.1): è idicato i particolare per le prime fasi di progettazioe. Deriva dall'aalisi parametrica di u rilevate gruppo di simulazioi termiche effettuate utilizzado codizioi stadard di carico, assieme ad esperieze maturate su impiati esisteti. L'accuratezza di questo metodo di calcolo può essere cosiderata attoro al 20-30% rispetto alla realtà. Tale metodo richiede la coosceza del carico termico di picco agete sulla staza el caso di raffrescameto puramete covettivo. 2. Metodo di dimesioameto mediate specifici diagrammi (Sezioe 5.2): utilizza ua serie di diagrammi otteuti dalla simulazioe umerica di diverse codizioi di carico e si basa sulla coosceza del profilo di carico gioraliero. L'accuratezza di questo metodo è attoro al 15-20%. 3. Modello semplificato basato su metodi alle differeze fiite moodimesioali (Sezioe 5.3): si raggiuge u'accuratezza ell'ordie del 10-15% rispetto alla realtà e può essere ulteriormete esteso attraverso l'uso di metodi di calcolo alle differeze fiite bidimesioali per la simulazioe del campo termico circostate i tubi. Tale modello ecessita della coosceza del profilo gioraliero di carico, co cadeza oraria. Nella ormativa viee ache fatto esplicito riferimeto all uso di modelli di simulazioe dettagliata edificioimpiato. Essi raggiugoo u'accuratezza davvero otevole (6-10%) e si basao sulla simulazioe globale del complesso costituito dall'itegrazioe di edificio e impiato Metodo di primo dimesioameto Dall'aalisi di u sostazioso corpus di simulazioi ed esperieze maturate egli ai, emerge che il chiller può essere dimesioato al 70-80% di poteza rispetto a quato sarebbe ecessario el caso di raffrescameto co sistemi tradizioali. Si può duque assumere che la poteza di refrigerazioe da istallare sia attoro al 70-80% del picco massimo istataeo di carico termico Metodo di dimesioameto a diagrammi I questo caso la base di parteza è il calcolo dei carichi dell'ambiete, cosiderado u sistema puramete covettivo, mateuto alla temperatura operativa media di 24 C (che corrispode a ua temperatura di set-poit dell aria di circa 23 C), co fuzioameto cotiuo elle 24 ore. Nel caso il calcolo dei carichi termici vega effettuato i modo approssimato, si raccomada di cosiderare u carico maggiorato del 10% circa, per teer coto ache dei carichi termici per coduzioe attraverso le superfici estere. Il metodo è basato sul seguete cocetto: la regioe di calcestruzzo i cui soo immersi i tubi, cotraddistita da rilevati coducibilità e capacità termiche, subisce ua limitata fluttuazioe della propria temperatura media, durate la giorata. Si può a questo puto assumere che il solaio si matega a ua temperatura media fittizia pressochè costate durate la giorata. Tale temperatura media del solaio viee calcolata dal metodo stesso e viee posta i correlazioe co la temperatura d'alimetazioe del circuito. Il metodo viee descritto attraverso l'uso dei segueti parametri: Q: si tratta del carico termico gioraliero specifico [kwh/m 2 ] agete sull ambiete durate il gioro di progetto. I particolare, esso cosiste ella somma dei 24 valori orari di carico frigorifero specifico provvisti da u ipotetico impiato covettivo (per mateere la temperatura operate ella staza costatemete a 24 C). θ comfort : è la massima temperatura operativa cosetita per assicurare codizioi di comfort, geeralmete fissata pari a 26 C. forma geerale del profilo di carico termico agete sulla staza: permette di defiire se le sollecitzioi termiche itere alla staza possao essere riportate al caso di ua staza orietata a Est (carichi prevaleti durate la mattia), a Sud (distribuzioe dei carichi piuttosto simmetrica rispetto a mezzogioro) o a Ovest (distribuzioe dei carichi cocetrata el pomeriggio). umero di superfici attive del solaio: permette di distiguere la tipologia di solaio, ossia se il solaio lavora i modo omogeeo, cioè attraverso etrambe le superfici (Figura 5.A), o se ivece l'azioe di ua delle due superfici (geeralmete il soffitto) sia prepoderate (Figure 5.B e 5.C) rispetto all altra. h:è il umero di ore di fuzioameto gioraliero del circuito radiate. R it : è la resisteza termica globale corrispodete alla porzioe di solaio direttamete a cotatto coi tubi che veicolao il fluido termovettore. I breve, corrispode alla resisteza termica fittizia che si ipotizza coettere la regioe coduttiva del solaio circostate i tubi (Figura 6) al piao tubi stesso.

7 θ s : si tratta della temperatura media del solaio, calcolata dal metodo stesso e dipedete dal umero di superfici attive del solaio, dalla durata del tempo di fuzioameto gioraliero dell'impiato (per esempio 8 h o 24 h) e dal profilo di carico. Tale temperatura viee stimata attraverso la seguete equazioe, i cui coefficieti variao i fuzioe dei succitati parametri: θ = θ + coeff Q (1) s comfort R t : è la resisteza termica fittizia associabile al circuito idroico, otteuta attraverso l'applicazioe del metodo delle resisteze. Tale resisteza termica dipede dalla resisteza termica della parete del tubo, dal diametro del tubo e dal passo tra i tubi (De Carli et al. 2003). θ w : è la temperatura di alimetazioe del circuito ecessaria per garatire il comfort termico all'itero della staza. E otteuta attraverso la seguete espressioe: Q ( Rit + Rt ) 1000 θ = θ (2) w s h I coefficieti da utilizzare ei calcoli possoo essere presetati attraverso due tabelle, i dipedeza dalla forma del profilo dei carichi iteri alla staza (Tabelle 1 e 2). Ua volta defiita la temperatura di comfort θ comfort, le tabelle possoo essere riassute attraverso diagrammi: per esempio, assumedo θ comfort = 26 C, il diagramma relativo a ua situazioe costate di carichi iteri tra le 8:00 e le 18:00 è dato dalla Figura 7. Solaio agete attraverso due superfici Solaio agete attraverso ua superficie Solaio agete attraverso ua superficie calcestruzzo lego aria lego calcestruzzo regioe coduttiva cemeto armato R t regioe coduttiva cemeto armato R t isolameto regioe coduttiva cemeto armato R t A B C Figura 5. Numero di superfici attive e idividuazioe delle regioi coduttive ROS Rup UP θs CR Rdow θs LP θs Rup/2 PL Rdow/2 θs dove: Rup/2 Rdow/2 Rit = CR é la regioe coduttiva Rup/2 Rdow/2 UP é la parte superiore della regioe coduttiva PL θs LP é la parte iferiore della regioe coduttiva ROS é il resto del solaio PL é il livello tubi Figura 6. Rappresetazioe del circuito di resisteze utilizzato per il metodo di dimesioameto a diagrammi

8 Tabella 1. Carichi termici iteri costati dalle 8:00 alle 18:00 Superfici attive Room orietatio EST SUD OVEST Fuzioameto cotiuo del sistema 2 (Pavimeto e soffitto, C2) (24 h) 1 (Solo soffitto, C1) Fuzioameto itermittete del sistema 2 (Pavimeto e soffitto, C2) (8 h) 1 (Solo soffitto, C1) Tabella 2. Carichi termici iteri costati dalle 8:00 alle 12:00 e dalle 14:00 alle 18:00 Superfici attive Room orietatio EST SUD OVEST Fuzioameto cotiuo del sistema 2 (Pavimeto e soffitto, C2) (24 h) 1 (Solo soffitto, C1) Fuzioameto itermittete del sistema 2 (Pavimeto e soffitto, C2) (8 h) 1 (Solo soffitto, C1) Codizioi di fuzioameto Tempo di fuzioameto [h] Numero di superfici attive Orietazioe C2E 24 2 Est C2S 24 2 Sud C2W 24 2 Ovest C1E 24 1 Est C1S 24 1 Sud C1W 24 1 Ovest I2E 8 2 Est I2S 8 2 Sud I2W 8 2 Ovest I1E 8 1 Est I1S 8 1 Sud I1W 8 1 Ovest Figura 7. Diagramma per la determiazioe della temperatura media della regioe coduttiva del solaio θ s i fuzioe dei carichi termici totali gioralieri, el caso di carichi termici iteri costati dalle 8:00 alle 18: Metodo di dimesioameto basato su metodi alle differeze fiite (FDM) Nella orma pren viee altresì presetato u metodo dettagliato di calcolo e gli algoritmi di base per lo sviluppo del relativo codice di simulazioe. Di seguito vegoo presetati i pricipali cocetti iereti tale modello; per dettagli si veda (Scarpa 2007). Il sistema di refrigerazioe E u sistema molto critico, perchè occorre teere i debita cosiderazioe la limitata capacità di raffrescameto offerta dal solaio termoattivo. L aspetto fodametale i questa tecologia è rappresetato dall eergia asportabile durate il periodo otturo, e quidi la poteza media del sistema, più che il picco di poteza. L eergia asportabile è fuzioe delle ore di fuzioameto e della temperatura di madata. Il dimesioameto del chiller co il metodo FDM è di tipo iterativo e richiede calcoli di affiameto successivi.

9 s2θv Valutazioe delle prestazioi termiche di sistemi co solai termoattivi i regime o stazioario Circuito idraulico Il circuito idraulico viee schematizzato mediate il succitato metodo delle resisteze, che permette di rappresetare il circuito attraverso ua rete di resisteze termiche fittizie. I particolare, esso determia ua relazioe tra la temperatura dell'acqua di madata al circuito e la temperatura media del solaio a livello dei tubi (Figura 8). I tal modo, il solaio può essere diviso i due parti, rispettivamete costitueti la porzioe superiore e quella iferiore del solaio stesso. Solaio Il metodo delle resisteze del circuito idraulico permette duque di dividere il solaio i due parti, che vegoo simulate attraverso u metodo esplicito alle differeze fiite. Staza L ambiete viee rappresetato mediate u modello co u odo aria coesso a tre odi materiali, attraverso resisteze termiche fittizie (Figura 9). I odi materiali i questioe cosistoo ei due odi superficiali del solaio (pavimeto e soffitto) e i u odo fittizio rappresetativo delle altre pareti (odo W). Ioltre, il metodo tiee coto della radiazioe mutua tra i tre odi materiali. Rz+Rw+Rr s2 s1 s1 Rz+Rw+Rr Rx θv θc Figura 8. Schema di base descrittivo del metodo delle resisteze -1 θceilig QRadC RRFC RCAC θair RRWC QRadW QCov -1 θwalls RCAW W QRadF RCAF RRWF -1 θfloor Figura 9. Schema della rete di resisteze termiche cosiderate el modello alle differeze fiite Limiti del metodo Per far uso del metodo qui presetato, si devoo realizzare le segueti codizioi: Passo tra i tubi compreso tra 0.15 e 0.3 m.

10 Ricorso a cosuete strutture i calcestruzzo, cotraddistito da coducibilità termica λ = W/(m K). Si possoo ovviamete simulare solai cui siao aggiuti strati di materiali addizioali, quali isolati acustici o pavimeti rialzati. Si devoo tuttavia escludere dall'ambito di validità del metodo i solai che compredoo elemeti di alleggerimeto o itercapedii d'aria o uiformi comprese all'itero della regioe coduttiva i calcestruzzo. Se tali codizioi o vegoo verificate, è ecessario effettuare il dimesioameto ricorredo all'uso di programmi di simulazioe dettagliati che mettao a disposizioe moduli di calcolo per la simulazioe di solai attivi. Comuque, etro le codizioi sopra presetate, si può procedere col metodo semplificato. A tal fie sarebbe ecessario svolgere ua simulazioe per valutare il profilo dell adameto della poteza di raffrescameto di u sistema covettivo per mateere la temperatura operativa itera alla staza mediamete ell arco della giorata attoro a 24 C, per valutare i carichi termici proveieti dalla coduzioe attraverso la parete estera. I asseza della valutazioe dei flussi attraverso le superfici estere, si può assumere u valore pari al 10% di carico rispetto alla somma dei carichi iteri e della radiazioe solare etrate gioralieri. I Figura 10 si riporta lo schema geerale della metodologia di calcolo alla base del modello. I particolare vegoo defiiti i segueti parametri: DWC raggruppa l isieme delle codizioi meteorologiche TES rappreseta i carichi termici dovuti alla coduzioe attraverso la superficie estera SG rappreseta i guadagi solari icideti ella staza CIHL rappreseta i carichi termici iteri covettivi RIHL rappreseta i carichi termici iteri radiativi DWC QRadC TES+SG QRadW QRad QCov QRadF RIHL CIHL Figura 10. Carichi termici cosiderati dal modello e rispettiva distribuzioe 6. CONCLUSIONI Gli studi e le aalisi codotte el corso della presete ricerca cofermao i vataggi ell applicazioe di sistemi co solaio termoattivo. I particolare questa tecologia permette di ritardare e atteuare il picco di poteza frigorifera, grazie all'elevata capacità termica del solaio stesso; pertato i chiller accoppiati a sistemi TABS presetao poteza omiale iferiore rispetto ai termiali di impiato tradizioali. I metodi previsioali di dimesioameto dei solai termoattivi soo di difficile utilizzo, poiché bisoga ricorrere a simulazioi termiche diamiche dettagliate degli ambieti. Ne deriva la ecessità di ricorrere a strumeti di dimesioameto specifici, quali i metodi qui presetati, recetemete itrodotti all itero della uova orma

11 pren Lo scopo pricipale di questa ormativa è per l apputo lo studio metodi di dimesioameto dedicati per gli impiati TABS. La ormativa iclude metodi di calcolo utili elle prime fasi di progettazioe, quali il metodo di primo dimesioameto e il metodo di dimesioameto a diagrammi. Tale metodo si basa sull'ipotesi di ua temperatura media operate fluttuate el corso delle ore d'occupazioe dei locali. Gli iput del metodo cosistoo ivece ei carichi termici iteri dovuti a persoe, illumiazioe e apparecchiature elettriche, oltre al cotributo solare e alle specifiche del sistema (costituzioe del solaio, diametro e passo dei tubi, periodo di fuzioameto dell'impiato, etc.). Vi è ifie u ulteriore metodo che si basa sull accurata descrizioe del circuito radiate, ivi comprededo le specifiche del circuito e le caratteristiche termo-fisiche del solaio. Tale metodo si basa su teciche esplicite alle differeze fiite, semplificado l implemetazioe del metodo stesso. NOMENCLATURA θ mr : Temperatura media radiate della zoa [ C]; θ air : Temperatura media dell'aria della zoa [ C]; θ f : Tempertura media del pavimeto [ C]; θ c : Temperatura media del soffitto [ C]; θ w exit : Temperatura di ritoro dell'acqua [ C]; PMV: Voto Medio Previsto (Predicted Mea Vote) [-]; Q: Carico termico gioraliero specifico [kwh/m 2 ]; θ comfort.: Massima temperatura operativa cosetita per assicurare codizioi di comfort [ C]; h: Durata del tempo di fuzioameto gioraliero del circuito refrigerate [h]; R it : Resisteza termica globale corrispodete alla porzioe di solaio direttamete a cotatto coi tubi [m 2 K/W]; θ s : Temperatura media del solaio [ C]; R t : Resisteza termica fittizia associabile al circuito idroico [m 2 K/W]; θ w : Temperatura dell'acqua di alimetazioe del circuito ecessaria per garatire il comfort termico all'itero della staza [ C]; R z : Resisteza termica fittizia tra la temperatura di madata dell acqua e la temperatura media logaritmica dell acqua lugo il circuito [m 2 K/W]; R w : Resisteza termica fittizia tra la temperatura media logaritmica dell acqua e la temperatura media sulla superficie itera del tubo [m 2 K/W]; R r : Resisteza termica corrispodete allo spessore della parete del tubo [m 2 K/W]; R x : Resisteza termica fittizia tra la temperatura media sulla superficie estera del tubo e la temperatura media presso il piao tubi [m 2 K/W]; S 1 : Spessore della porzioe superiore del solaio S 2 : Spessore della porzioe iferiore del solaio θ : Temperatura dell aria durate il correte time-step di calcolo [ C]; θ θ θ Q Q Q Q Air 1 Ceilig 1 Floor 1 Walls RadC RadF RadW Cov : Temperatura del soffitto durate il precedete time-step di calcolo [ C]; : Temperatura del pavimeto durate il precedete time-step di calcolo [ C]; : Temperatura delle pareti itere durate il precedete time-step di calcolo [ C]; : Flusso di calore radiativo icidete sul soffitto [W]; : Flusso di calore radiativo icidete sul pavimeto [W]; : Flusso di calore radiativo icidete sulle pareti itere [W]; : Flusso di calore covettivo agete sull aria [W]; RRFC: Resisteza termica radiativa tra pavimeto e soffitto [m 2 K/W]; RCAC: Resisteza termica covettiva tra aria e soffitto [m 2 K/W]; RRWC: Resisteza termica radiativa tra pareti e soffitto [m 2 K/W]; RCAF: Resisteza termica covettiva tra aria e pavimeto [m 2 K/W]; RRWF: Resisteza termica radiativa tra pareti e pavimeto [m 2 K/W];

12 RCAW: Resisteza termica covettiva tra aria e pareti [m 2 K/W]. RIFERIMENTI EN ISO 7730:1995 (1995), Moderate thermal eviromets. Determiatio of the PMV ad PPD idices ad specificatio of the coditios for thermal comfort. Bruello P., De Carli M., Too M., Zecchi R. (2002). Aspetti eergetici ed ecoomici el codizioameto co sistemi radiati ad attivazioe termica della massa. Covego AiCARR, 7-8 Marzo 2002, Milao. De Carli, M., Koschez, M., Scarpa, M., Zecchi, R. (2003), Metodologia semplificata per il dimesioameto di sistemi radiati ad alta ierzia termica. Cogresso ATI 2003, Padova. De Carli M., Felli F., Too M., Zarrella A., Zecchi R. (2004), Modellizzazioe e dimesioameto di sistemi radiati ad attivazioe termica della massa accoppiati a pompe di calore co sode geotermiche, Covego AiCARR, Marzo 2004, Milao. Hauser, G., Kempkes, Ch., Olese, B. W. (2000), Computer Simulatio of the Performace of a Hydroic Heatig ad Coolig System with Pipes Embedded ito the Cocrete Slab betwee Each Floor. ASHRAE Tras. V. 106, pt.1. Koschez, M., Lehma, B. (2000). Thermoaktive Bauteilsysteme TABS, ISBN Meierhas, R.A. (1993), Slab coolig ad earth couplig, ASHRAE Tras. V. 99, Pt 2. Meierhas, R. A. (1996), Room air coditioig by meas of overight coolig of the cocrete ceilig. ASHRAE Tras. V. 102, Pt. 2. Olese, B. W., Sommer, K. ad Düchtig, B. (2002), Cotrol of slab heatig ad coolig systems studied by dyamic computer simulatios, ASHRAE Tras. V.108, Pt.2. Olese, B.W., Dossi, F.C.(2004), Operatio ad Cotrol of Activated Slab Heatig ad Coolig Systems, CIB World Buildig Cogress 2004, May Kolarik, J., Olese, B.W., Toftum, J. ad Mattarolo, L. (2007), Thermal comfort, perceived air quality ad itesity of SBS symptoms durig exposure to moderate operative temperature ramps, Clima 2007 WellBeig Idoors. Scarpa, M. (2007), Coolig of Buildigs by Meas of Thermally Activated Buildig Systems, Tesi di Dottorato, Uiversitá degli Studi di Padova, 2007.

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