PIASTRE RADIANTI R PANEL

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1 MANUFACTURER: BGVM TYPE: R Panel R PIASTRE RADIANTI R PANEL APPROFONDIMENTI SCIENTIFICI

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3 APPROFONDIMENTI SCIENTIFICI

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6 LA TECNOLOGIA R PANEL La BGVM opera alla ricerca delle interazioni che in natura favoriscono la massima situazione di benessere termico per l uomo, nel pieno rispetto per l ambiente. In questo contesto si è avuta inequivocabile conferma che i parametri che più influenzano il comfort termico sono i seguenti: Temperatura delle strutture interne dell ambiente Temperatura dell aria Umidità relativa dell aria Velocità dell aria Intervenendo principalmente sul primo di questi parametri, che come vedremo contribuisce in modo principale nella definizione del comfort, R Panel propone un innovativo modo di climatizzare, ottenendo elevati risparmi energetici ed un salto qualitativo in termini di vivibilità e comfort! Gli R Panel si inseriscono nel settore degli impianti di riscaldamento ad irraggiamento ma rappresentano al tempo stesso una grande innovazione dal punto di vista della tecnologia e dei risultati ottenuti. Essi, grazie alle loro peculiarità, consentono di riprodurre negli ambienti condizioni naturali di comfort, associate ad un elevato risparmio energetico; gli R Panel - da ciò la compatibilità con le energie alternative - risultando eccellenti terminali anche per i più moderni impianti a pannelli solari. I vantaggi più evidenti per la salute ed il benessere offerti dalla tecnologia R Panel possono essere così riassunti: 1. RIDUZIONE DEI MOTI CONVETTIVI E TOTALE ASSENZA DI CORRENTI D ARIA; 2. ELIMINAZIONE DEI FENOMENI DI STRATIFICAZIONE DELL ARIA E CONSEGUENTE ASSENZA DI GRADIENTE TERMICO VERTICALE (CHE PROVOCA IL FENOMENO DEI PIEDI FREDDI ); 3. BASSA DEUMIDIFICAZIONE DELL ARIA (VENGONO EVITATE LE IRRITAZIONI ED I FASTIDI CAUSATI DALL ARIA TROPPO SECCA). Gli R Panel sono stati sottoposti ad una lunga e severa sperimentazione i cui esiti sono stati al tempo stesso straordinari e conformi alle nostre aspettative teoriche. Sottolineiamo, infine, che alla funzionalità degli impianti R Panel si abbina un'indiscussa gradevolezza estetica che, unita alla possibilità di personalizzare i pannelli con decorazioni di proprio gradimento, offre l'opportunità di trovare piacevoli soluzioni d'arredamento. 6

7 L IRRAGGIAMENO E IL CLIMA I parametri che concorrono a determinare il clima dell ambiente sono innumerevoli e dipendono da: posizione geografica, conformazione dell ambiente, irraggiamento solare, altitudine, piovosità, venti, livello termico, flora, umidità dell'aria e la non meno influente temperatura media ambientale. Anche l'architettura e i materiali impiegati per la costruzione degli edifici contribuiscono a determinare il microclima; così, le situazioni climatiche a cui possono essere esposte gli esseri umani sono molto diverse. Come mostreremo più in dettaglio in seguito, l energia radiante dell'ambiente ha la facoltà di interferire in modo diretto nei processi di termoregolazione del corpo (essa, come il vento, può modificare fortemente la percezione del caldo e del freddo a parità di temperatura dell aria). In particolare, il trasferimento di calore per energia radiante è funzione del coefficiente d'irraggiamento dei corpi; così accade che quando nevica e il suolo si copre di una coltre bianca, lo scambio termico radiante tra il soggetto e l ambiente diminuisce, perché il coefficiente di emissione del terreno innevato è minore di quello del terreno senza neve. Ciò si traduce in una minore percezione del freddo. All'aumentare dello scarto termico tra temperatura corporea e ambiente gli effetti indotti dall'irraggiamento assumono proporzioni molto ampie. L ARIA COME VETTORE TERMICO ED IL SUO RICAMBIO Nei sistemi di climatizzazione a convezione l aria è il vettore primario per il trasporto di calore verso l ambiente. Le portate necessarie non sono solo determinare dal ricambio per garantire la respirazione e la diluizione degli odori, ma soprattutto dall entità delle dispersioni termiche. Per tali sistemi, creare un ricambio d aria induce un evidente mutazione del livello termico all interno del locale ed implica forti costi energetici. Nei sistemi radianti, l aria non è il mezzo per l immissione d energia termica nell ambiente, in quanto il supporto energetico è fornito da un sistema radiante che interviene modificando la temperatura media ambientale (temperatura media delle strutture fisiche interne all ambiente); il calore si trasferisce direttamente ai soggetti da riscaldare, determinando la condizione globale di benessere. Risulta così chiaro come creare un moderato ricambio d aria non comporti particolari costi energetici. 7

8 RISCALDAMENTO DEGLI AMBIENTI I Sistemi di riscaldamento hanno lo scopo di compensare le dispersioni di calore del corpo umano al fine di mantenere un prefissato grado di benessere termico. Per questo scopo, si sono sviluppate due diverse tecniche di riscaldamento che utilizzano rispettivamente la trasmissione di calore per convezione e per irraggiamento. SISTEMI A CONVEZIONE NATURALE Nei sistemi a convezione naturale (impianti con caloriferi o corpi scaldanti statici in genere) il controllo della temperatura corporea si realizza modificando la temperatura dell'aria. Questa tecnica determina un'elevata dissimmetria termica verticale e un basso rendimento del trasporto di calore dal terminale ai soggetti che vi risiedono. SISTEMI A CONVEZIONE FORZATA Nei sistemi a convezione forzata il controllo della temperatura corporea si realizza ugualmente modificando la temperatura dell'aria di un locale. Rispetto agli altri sistemi convettivi si ottiene una migliore distribuzione del calore; di contro, si generano fastidiosi flussi d'aria nell'ambiente. I SISTEMI RADIANTI R PANEL T1 T1 T2 Il sistema radiante R Panel è stato progettato per regolare le dispersioni termiche dell uomo intervenendo sui parametri che ne determinano il benessere. Il calore si diffonde in modo uniforme nell'ambiente in quanto, utilizzando l irraggiamento si riducono fortemente i moti convettivi ed il gradiente termico. 8

9 DIFFUSIONE DEL CALORE PER IRRAGGIAMENTO Le frequenze più alte dell'infrarosso sono prodotte dai corpi ad alta temperatura; si trasmettono in condizioni di contatto visivo e determinano notevoli dissimmetrie termiche. La fascia intermedia dello spettro infrarosso presenta una minore penetrazione, il calore si trasferisce per contatto visivo, si determinano dissimmetrie termiche. Le frequenze più basse dello spettro sono prodotte dagli oggetti che ci circondano (pareti, finestre, arredamenti, ecc.); sono poco penetranti e si diffondono uniformemente nell'ambiente. 9

10 BILANCIO TERMICO E SITUAZIONE DI BENESSERE Il corpo dell'uomo è produttore di calore e, in quanto tale, deve disperdere una quantità prefissata di calore Q con l'ambiente per trovarsi in situazione di benessere termico. Come ordine di grandezza, la potenza termica prodotta dal corpo umano è di circa 70 W; tale calore deve essere disperso verso l esterno affinché ci sia equilibrio termico e, di conseguenza, benessere. Se le dispersioni superano tale valore, si registrano sensazioni di freddo; se sono inferiori, si registrano sensazioni di caldo. Energia dispersa per irraggiamento Lo scambio termico per radiazione nasce tra la superficie della persona (pelle - vestiti) e le superfici circostanti (finestre, muri, radiatori) Equazione del bilancio termico dell'uomo Prof. P. O. Fanger Energia dispersa per convezione La dispersione termica dovuta agli effetti convettivi e quella dovuta agli effetti radianti è indicata mediante due angoli a, b. La somma di a e b è costante. Se b>a l irraggiamento è il fattore predominante; se b<a la convezione è il fattore predominante. Nei locali climatizzati con R Panel, b>a. L angolo a dipende principalmente dalla temperatura dell aria mentre l angolo b dalle caratteristiche dell ambiente ovvero dalla T.M.R. 10

11 f= quantità di calore dispersa dal corpo per convezione r= quantità di calore dispersa dal corpo per irraggiamento a= angolo funzione dello scambio termico per convezione b= angolo funzione dello scambio termico per irraggiamento COMPARAZIONE ENERGETICA I sistemi di riscaldamento a convezione e ad irraggiamento si differenziano sia per i principi fisici cui fanno riferimento, sia per l'efficienza del trasporto di calore dal terminale all'ambiente, per questi motivi non è possibile ipotizzare un mero confronto energetico tra i sistemi sopra citati. In conseguenza di ciò, è di primaria importanza fare una netta distinzione tra le energie richieste (per unità di volume) nelle due diverse tecniche di riscaldamento. Scheda di Comparazione Radiatori RPanel Concentrazione energetica richiesta 35 W/m W/m 3 Temperatura d esercizio 80 C 50 C Nella tecnologia R Panel altre considerazioni che fanno riferimento sia all effetto scudo termico, sia al rapporto d interferenza con le superfici dell ambiente, possono determinare negli ambienti di ampia superficie una sensibile riduzione degli impegni energetici previsti per unità di volume. 11

12 LA SALUTE L uomo, pur essendo dotato di complessi sistemi per la regolazione della temperatura corporea, tollera poco gli sbalzi termici ambientali, per cui, anche modesti salti di temperatura, possono determinare disagio termico. E evidente quindi che i sistemi di condizionamento a convezione, poiché intervengono sulla temperatura dell aria, presentano dei limiti d'applicazione a tutela della salute. A tale scopo si consigliano: Salti termici interno/esterno non superiori a 10 C Tasso d umidità relativa compreso tra 40% e 70% Superando tali limiti, gli sbalzi termici prodotti ed i valori estremi d umidità, possono indurre infiammazioni nelle prime vie respiratorie e a livello bronchiale. Se si aggiungono i possibili danni derivanti dall elevato inquinamento e quelli prodotti da muffe e virus (che si concentrano enormemente negli ambienti privi di ricambi d'aria) i fattori di rischio raggiungono livelli non tollerabili. Gli effetti indesiderati dei sistemi ad aria sono diversi e variano dai mal di testa, mal di gola, raffreddori, bronchiti alle malattie più gravi come la legionella (batterio che si insedia negli impianti ad aria). Legionella pneumophila Nonostante i sistemi radianti a bassa temperatura siano il modo più naturale e meno invasivo per determinare il comfort termico degli ambienti, in alcune regioni, la maggior parte dei sistemi di climatizzazione operano per convezione. Dal punto di vista fisiologico ed igienico, i sistemi di riscaldamento per irraggiamento sono ritenuti i più salubri perché non sollevano polvere, non creano correnti e turbolenze d aria moleste, riscaldano ed asciugano i muri, consentono di mantenere l umidità relativa dell aria più alta e la sua temperatura più bassa, senza creare discomfort termico. Un elevato livello di salubrità negli ambienti viene assicurato predisponendo in alto una bocca di aerazione; in queste condizioni l assenza di stratificazione termica e di rimescolamenti d aria, favoriscono lo spostamento dell aria viziata e dei fumi verso l alto per essere espulsi in modo differenziato dalla presa d aerazione. 12

13 L auto-filtrazione dell aria ha dimostrato che, anche in presenza di fumatori negli ambienti, il livello d inquinamento si mantiene a livelli trascurabili. Nelle città l aria ha normalmente un tasso d'inquinamento elevato, se a questo sommiamo quello prodotto all interno dell'ambiente (per effetto della respirazione, delle combustioni, dei fumi e di altri agenti inquinanti), risulta evidente che, se non si opera un adeguato ricambio d aria, si raggiungono livelli d inquinamento molto elevati. 13

14 ANALISI DELLE MUTAZIONI CLIMATICHE PROCURATE DAL FUNZIONAMENTO DEGLI R PANEL IN UN AMBIENTE. TEMPERATURA MEDIA RADIANTE (T.M.R.) La Temperatura Media Radiante, esprime la quantità di calore che il corpo dell uomo scambia per irraggiamento con l ambiente. Questa assume una posizione di rilievo nel determinare il benessere termico dell uomo. Se si osserva che i coefficienti d irraggiamento dei materiali usualmente impiegati negli interni e l angolo d incidenza tra l uomo in posizione eretta e le pareti sono prossimi a uno, si può ragionevolmente assumere la temperatura media dell ambiente (pareti finestre arredi) come T.M.R. È utile inoltre evidenziare che la mutazione della T.M.R. non determina la variazione della temperatura dell ambiente, ma solo lo scambio di calore che si determinerebbe tra l ambiente ed un corpo a temperatura diversa (es. uomo - ambiente). Nello scambio di calore tra un corpo e l ambiente, la T.M.R. determina la quantità di calore trasferito e quindi la velocità con cui si realizza la condizione d equilibrio termico. Per determinare una mutazione della temperatura degli ambienti e di quanto in essi è contenuto, come avviene nei frigoriferi o nei forni, è necessario un intervento energetico. TEMPERATURA MEDIA RADIANTE ED EFFETTO SCUDO TERMICO Le piastre radianti R Panel, per la posizione assunta nell ambiente, hanno un effetto schermante nei confronti delle pareti (fredde) e si propongono a loro volta come porzione di parete a temperatura più elevata (effetto scudo termico). Questa situazione produce un immediata mutazione della temperatura media dell ambiente (T.M.R.) che, esulando dal calore irradiato, fa percepire una temperatura ambientale più mite. 14

15 EFFETTO SCUDO TERMICO Come già detto, la Temperatura Media Radiante esprime la quantità di calore che il corpo dell uomo scambia per irraggiamento con l ambiente. Eseguirne il calcolo, non è sempre maneggevole. Tuttavia in alcune condizioni è possibile approssimare la T.M.R. alla temperatura media delle pareti. Si considera, a titolo d esempio, una superficie di 24 mq, frazionata in quatto settori in due diverse situazioni: Temperatura uniforme e temperatura differenziata. PARETE A TEMPERATURA UNIFORME Poiché la superficie è a temperatura uniforme, la sua temperatura può essere assunta come T.M.R. T.M.R.= 10 C In questo caso, dato la piccola differenza termica tra i settori, si può approssimare la T.M.R. alla media pesata delle temperature. [( ) + (11 6) + (9 6) + (7.5 6) ] = 10 C EFFETTO SCUDO TERMICO Sovrapponendo alla parete a 10 C una piastra R Panel a 50 C, a prescindere dall energia immessa nell ambiente, si determina la mutazione della T.M.R. Che assume un valore di 14 C.Per effetto scudo termico la percezione termica della superficie si è spontaneamente elevata di 4 C. R 15

16 MAGGIORE EFFICIENZA E TEMPERATURE PIÙ UNIFORMI A differenza dei sistemi a convezione che utilizzano l aria come vettore termico, i sistemi radianti non utilizzano tramiti per il trasporto di calore verso l ambiente. In particolare, quelli a bassa temperatura generano radiazioni infrarosse alle frequenze minori dello spettro ed hanno la caratteristica di diffondersi in modo omogeneo negli ambienti (emissione diretta e riflessa). Secondo l equazione di Boltzmann, le pareti più fredde ricevono una maggiore quantità di calore e l ambiente tende ad assumere una temperatura omogenea. MINORI POTENZE IN GIOCO A PARITÀ DI COMFORT Un impianto che utilizza la tecnologia radiante R Panel necessita di minori potenze installate a parità di comfort. Ai 35 W/m 3 necessari ad un impianto convettivo si contrappongono i 17 W/m 3 della tecnologia R Panel. Ciò implica: - Una minore inerzia termica dell impianto. - Una minore temperatura d esercizio degli R Panel. - Minori dispersioni termiche. - Maggiore efficienza di trasporto termico (rif. sistemi radianti a bassa temperatura). - Temperatura dell aria inferiore. - Effetto scudo termico. L INERZIA TERMICA DELL IMPIANTO Un minor contenuto d acqua determina tempi di risposta più veloci. La capacità in litri delle piastre R Panel varia, per i modelli standard, da 3,5 lt a 7,75 lt. Confrontando tali valori con quelli dei normali caloriferi, si riscontra che gli R Panel hanno un contenuto d acqua notevolmente inferiore. Se a ciò si somma una temperatura di regime di 50 C (la temperatura di regime dei normali caloriferi è di 75 C 85 C) si verifica che, a parità di potenza installata, l impianto si porta a regime con l impiego di una minore quantità di calore (Potenza = Energia / Tempo) ed in tempi notevolmente inferiori. A conferma si osserva che, i tempi di regime di un impianto a radiatore sono nell ordine dell ora, mentre nella tecnologia R Panel nell ordine degli minuti. Anche i materiali impiegati per la realizzazione del circuito idraulico hanno un certo peso nel determinare l inerzia termica; di ciò si dovrebbe tenere conto in fase di progetto. 16

17 LA TEMPERATURA DELL ARIA Contrariamente a quanto avviene nei sistemi convettivi dove l aria deve essere riscaldata molto (essendo essa stessa il mezzo di trasporto del calore verso l ambiente), nella tecnologia R Panel la temperatura dell aria è un fattore indotto. Questa è, infatti, determinata sia dall irraggiamento che colpisce le particelle d acqua (in sospensione nell aria) riscaldandole, sia per il contatto dell aria con le pareti dell ambiente. Queste a regime si portano ad una temperatura di qualche grado superiore a quella dell aria. Ciò implica per i sistemi R Panel : - Maggiore velocità di risposta dell impianto; - Minori potenze in gioco a parità di comfort; - Temperatura dell aria più bassa a parità di comfort; - Minori dispersioni termiche; - Minore deumidificazione dell aria; - Ambienti più salubri; - Minor impegno energetico per i ricambi d aria. IL RICAMBIO D ARIA Calcolo dei costi energetici utili a riscaldare 1 m 3 d aria in un impianto a convezione ed in uno ad irraggiamento R Panel considerando mezzo volume/ora di ricambio come imposto nella Legge 10/91: IMPIANTO A CONVEZIONE Q = Cp (Ta Te) = 4,52 W/ m 3 Ove: Cp = Calore specifico 1299,46 J/m 3 C Ta = Temperatura aria (20 C) Te = Temperatura esterna (-5 C) IMPIANTO AD IRRAGGIAMENTO R PANEL Q = Cp (Ta Te) = 3,70 W/ m 3 Ove: Cp = Calore specifico 1299,46 J/m 3 C Ta = Temperatura aria (15,5 C) Te = Temperatura esterna (-5 C) Dunque, effettuare il ricambio d aria con la tecnologia R Panel richiede un impegno energetico inferiore del 20% rispetto agli impianti convettivi. La normativa vigente prevede un ricambio d aria di mezzo volume/ora per ogni ambiente. Nella tecnologia R Panel, il ricambio d aria può essere effettuato sfruttando i moti convettivi dell aria attraverso delle aperture poste nella parte superiore delle pareti. Considerando una velocità di fuoriuscita dell aria di 0,2 m/s, per creare un ricambio d aria di 1 m 3 /h occorre un apertura di 0,0014 m 2. Se si considera che l aria inquinata si stratifica quasi interamente in prossimità del soffitto, la quantità d aria da ricambiare a persona per ogni ora, può ulteriormente ridursi. 17

18 MINORI DISPERSIONI TERMICHE Nei sistemi convettivi l aria si mantiene ad una temperatura sensibilmente superiore a quella dell ambiente; ciò determina, anche a causa della fluidità dell aria e del salto di pressione tra il pavimento ed il tetto, notevoli dispersioni termiche ed elevati costi energetici. Allo scopo di ridurre gli sprechi energetici la normativa vigente impone severi parametri che favoriscano il raggiungimento del giusto compromesso tra salubrità degli ambienti, comfort e costi energetici. Nella climatizzazione ad irraggiamento, il calore irradiato dai terminali si trasferisce integralmente agli oggetti presenti nell ambiente. In pratica, a meno di finestre o porte aperte, le radiazioni infrarosse rimangono circoscritte nell ambiente. Per questa ragione, i sistemi radianti mostrano un alta efficienza rispetto a quelli ad aria. È utile sapere che i vetri delle finestre non sono attraversati dalle radiazioni infrarosse a bassa frequenza in quanto, l andamento del coefficiente monocromatico del vetro è funzione della lunghezza d'onda della radiazione: esso tende a zero per le lunghezze d onda inferiori a 2,7 µm, mentre tende a 0,9 per lunghezze d onda superiori. Lo scambio di calore per irraggiamento si realizza attraverso onde elettromagnetiche alla frequenza dell infrarosso. Come i raggi solari queste possono attraversare lo spazio (strati d atmosfera a bassissima temperatura) senza perdere d efficacia. Il fenomeno termico si realizza solo se queste intercettano un corpo. Con gli R Panel, le pareti e gli arredi si riscaldano ad una temperatura superiore a quella dell aria e divengono a loro volta sorgente di calore. Analizzando il comportamento della parete, si nota che essa cede all ambiente, come moto convettivo, la maggior parte del calore assorbito. (In effetti, nell equazione di bilancio, verso l interno il coefficiente globale di scambio termico diventa pari al coefficiente lineico α= 7 W/m 2 C, mentre verso l esterno il coefficiente diventa pari a quello della parete, che mediamente varia intorno ai 0,4 W/m 2 C). Effettuando un bilancio termico nelle seguenti condizioni: - Temperatura esterna: 5 C; - Parete con un buon isolamento (K=0,4 W/m 2 C); - Temperatura interna della parete: 21 C; - Temperatura dell aria: 18,5 C. si ha che il calore immesso dalla parete come moto convettivo è pari al 63%, mentre la dispersione termica è corrispondente al 37% del calore assorbito dalla parete. I moti convettivi generati dalle pareti e dagli oggetti presenti negli ambienti hanno entità minima e non equiparabile a quelli creati da un calorifero funzionante a 75 C. 18

19 MINORE DEUMIDIFICAZIONE DELL ARIA Riscaldando l aria, si diminuisce la sua umidità relativa. L uomo, per non avere disturbi all apparato respiratorio, deve respirare aria avente un tasso d umidità intorno al 50%. Per ogni grado d innalzamento della temperatura dell ambiente, il decremento percentuale dell umidità è circa del 5%. Da ciò deduciamo che, nei sistemi di riscaldamento R Panel, l umidità relativa si mantiene mediamente più alta del 22,5% rispetto ai sistemi a convezione. Ciò implica notevoli vantaggi in vivibilità e comfort, evitando situazioni di disturbo per l uomo e diminuendo il fenomeno di formazione di condensa nei muri. AMBIENTI PIÙ SALUBRI L assenza di moti convettivi evita che l aria, nel suo movimento indotto dalla differenza di temperatura, trascini con sé polveri o quanto altro possa infastidire l uomo nel normale svolgimento delle attività quotidiane. Questo aspetto risulta rilevante in presenza di allergie, ambienti che necessitano di particolari condizioni igieniche e negli asili, dove i moti convettivi favoriscono il diffondersi di malattie. SCHEDA COMPARATIVA DEI SISTEMI DI RISCALDAMENTO A CONVEZIONE ED A CONVEZIONE R PANEL IRRAGGIAMENTO R PANEL ENERGIA RICHIESTA PER UNITÀ DI VOLUME. 35 W/ m 3 17 W/m 3 TEMPERATURA AMBIENTE A REGIME (TA) 18 C (+2 C) 18,5 C** CALORE DISPERSO DALLA PERSONA PER IRRAGGIAMENTO (R). 46 W/m 2 27,3 W/m 2 CALORE DISPERSO DALLA PERSONA PER CONVEZIONE (C). 27,1 W/m 2 45,8 W/m 2 TEMPERATURA MEDIA DELLE PARETI (TP). 17 C C COSTI ENERGETICI PER EFFETTUARE IL RICAMBIO D ARIA. 4,52 W/ m 3 3,7 W/ m 3 STRATIFICAZIONE TERMICA 1,2 C / m 0,2 C/m - 0,5 C/m riferito ai valori medi che si riscontrano nei sistemi di riscaldamento a convezione. * Con une temperatura esterna di 5 C ** incremento di temperatura per ottenere il grado di deumidificazione dei sistemi a convezione. 19

20 FENOMENI RADIANTI E TEORIA DEL COMFORT La difficile percezione dei fenomeni radianti ed in particolare delle radiazioni a bassa temperatura, ha penalizzato la ricerca e la diffusione delle tecniche di climatizzazione ad irraggiamento e delle nuove tecnologie. La climatizzazione degli ambienti è per definizione un processo tecnologico diretto a condizionare la temperatura di un ambiente, per immissione o espulsione d aria calda o fredda. Senza dubbio, intervenire con una sorgente energetica esterna è l unico modo per mutare lo stato termico degli ambienti e/o degli oggetti in esso contenuti; risulta più difficoltoso, invece, affermare che questo sia l unico mezzo per mutare la condizione di benessere termico di chi vi soggiorna. Infatti, ignorare che l uomo possieda un sistema autonomo di termoregolazione e paragonarlo ad un semplice oggetto, porta a dimenticare che la situazione di benessere termico viene determinata dalla cessione di calore per convezione con l aria e per irraggiamento con l ambiente (pareti, finestre, arredi). IL BENESSERE TERMICO SECONDO IL PROF. FANGER Il comfort termico di un essere umano non dipende esclusivamente dalla temperatura dell aria, ma anche da altri cinque parametri meno evidenti che sono: la temperatura media radiante, la velocità relativa dell aria, l umidità, l attività fisica e la resistenza termica dei vestiti indossati. Le reciproche influenze di tutti questi parametri erano sconosciute prima della scoperta della relazione del comfort termico del Prof. P. O. Fanger: Quando una combinazione qualsiasi dei parametri citati soddisfa questa equazione, il comfort termico della maggior parte degli individui può considerarsi neutro Rif. Il benessere termico del prof. Fanger. Secondo questo principio, non considerando altre interazioni (umidità e velocità relativa dell aria), la quantità di calore scambiato dall uomo verso l ambiente è definita dalla relazione Q = C + R = Costante (C = scambio per convezione; R = scambio per irraggiamento). Dal punto di vista radiante, il livello di benessere termico godibile per l uomo è strettamente legato alla geometria, all ampiezza, ai materiali, alla temperatura, al coefficiente d irraggiamento delle superfici esposte e alla posizione relativa tra uomo ed ambiente. LA PERCEZIONE TERMICA Il vento ha la facoltà di incrementare lo scambio di calore per convezione. Nell uomo ciò si traduce in una maggiore percezione del freddo che può essere assimilata ad una temperatura dell aria più bassa. Allo stesso modo, secondo il principio dello scambio di calore per irraggiamento, l effetto scudo termico, l angolo d incidenza e il coefficiente d irraggiamento dei materiali, hanno la proprietà di far mutare lo scambio di calore tra due corpi a diversa temperatura. Anche in questo caso ciò induce una modifica della percezione termica nell uomo. 20

21 LA TEMPERATURA MEDIA DELL AMBIENTE La temperatura media dell ambiente, nella tecnologia R Panel, è condizionata dall interazione di due eventi: l effetto scudo termico ed il trasporto di calore verso l ambiente. In questa sede, si vuole dare il giusto rilievo alla sensibile riduzione della temperatura di benessere negli ambienti riscaldati con tecnologia R Panel, presentando due esempi di calcolo: - il primo dimostra l abbassamento della soglia termica di benessere di 1,65 C in un ambiente di 100 m² per l effetto scudo termico. - il secondo una riduzione di 6,6 C in un capannone industriale di m², riscaldato con tecnologia R Panel, integrata ad una tecnica di climatizzazione passiva. Operando con una temperatura dell aria più bassa, si determina una maggiore concentrazione d aria per unità di volume; ciò induce nell uomo una riduzione del ritmo di respiro e il rallentamento della frequenza cardiaca. Esulando da altre implicazioni, ciò risulta particolarmente vantaggioso negli ambienti dove si svolgono attività motorie. CALCOLO 1: CALCOLO DELLA TEMPERATURA AMBIENTALE RELATIVA AD UN LOCALE DI 100 m ² DATI LEGENDA s = 100 m² Superficie ambiente h = 2,80 m Altezza st = 320 m² Superficie totale ambiente v = 280 m³ Volume ambiente sr* = 9 m² Superficie R Panel s 1 * = 50 m² Superficie equivalente pavimento* s 2 = 50 m² Superficie equivalente soffitto* s 3 = 110 m² Superficie pareti st 1 = 220 m² Superficie equivalente totale* t 1 = 18,1 C Temperatura pavimento t 2 = 20,1 C Temperatura soffitto t 3 = 19,1 C Temperatura pareti tr 1 = 19,1 C Temperatura R Panel ad impianto spento tr 2 = 50 C Temperatura R Panel a regime Tc = 27,25 C Temperatura media del corpo con abbigliamento invernale ε = 0,9 Emissività dell ambiente σ = 5, W m -2 K -4 Costante di Boltzmann * Per semplicità di calcolo, si è assunto un coefficiente d incidenza radiante pari a 1 per le pareti (s 3 ), mentre un coefficiente pari a 0,5 per il soffitto (s 2 ) ed il pavimento (s 1 ). In funzione di ciò nella procedura di calcolo le superfici s 1 e s 2 sono state ridotte del 50%. 21

22 1. Temperatura media delle pareti ad impianto spento: t m1 = [(t 1 s 1 ) + (t 2 s 2 ) + (t 3 s 3 ) + (tr 1 sr)] / st 1 = 19,1 C Dalla formula generale per il ritrovamento delle dispersioni termiche per irraggiamento W = σ ε (T 1 4 T 2 4 ) con T = (t + 273) K Ricaviamo la dispersione termica dell uomo ad impianto spento. Sostituendo si ha: W1 = 5, ,9 (300, ,1 4 ) = 44 W/m² 2. Temperatura media percepita dall uomo ad impianto acceso: Tm 2 = [(t 1 s 1 ) + (t 2 s 2 ) + (t 3 s 3 ) + (tr 2 sr)] / st 1 = 20,36 C Si calcola la differenza di temperatura che si determina nelle due condizioni: t = tm 2 tm 1 = 1,26 C Calcolo dell energia dispersa dall uomo nell ambiente ad impianto acceso: Sostituendo si ottiene: W = σ ε (T 1 4 T 2 4 ) W2 = 5, ,9 (293, ,25 4 ) = 37,4 W/m² CONCLUSIONI Si è così mostrato che la temperatura media delle pareti aumenta di 1,26 C in seguito all attivazione dell impianto (effetto scudo termico). In conseguenza di ciò, il soggetto disperderà meno calore con l ambiente trovandosi in una condizione di maggiore benessere termico. In effetti, si è verificato che le dispersioni diminuiscono di 6,6 W/m 2. Ciò implica che, la condizione di benessere che ad impianto spento si raggiungeva con una temperatura dell aria di 19,1 C, adesso si raggiunge con una di 17,84 C (1,26 C in meno). Come indice dell efficacia del sistema R Panel si riporta la concentrazione energetica (ρ) con cui è stato dimensionato l impianto. ρ = P/V = 18,4 W/m³ Dove: P = Potenza installata R Panel V = Volume ambiente 22

23 CALCOLO 2: Si ripete la stessa procedura di calcolo in un impianto di riscaldamento con pannelli radianti a pavimento. Per offrire un termine di paragone si sono impostati gli stessi parametri dell ambiente di 100 m 2 del calcolo1. Dati: t 4 = temperatura di regime pavimento = 25 C s 1 3 = superficie delle pareti = 119 m 2 (s r + s 3 ) Nella procedura di calcolo è stato impostato un angolo d incidenza pavimento - uomo pari a Temperatura media delle pareti ad impianto spento: Tm 1 = [(t 1 s 1 ) + (t 2 S 2 ) + (t 1 3 s 1 3)] / St 1 = 19,1 C 2. Temperatura media percepita dall uomo ad impianto acceso: Tm 2 = [(t 1 s 1 ) + (t 2 s 2 ) + (t 4 s 3 )] / st 1 = 20,58 C Si dimostra che (a regime) la situazione di benessere di 19,1 C si raggiunge a 17,62 C. t = tm 2 tm 1 = 1,48 C La percezione termica per l uomo risulta superiore di 1,48 C rispetto alla temperatura letta da un termometro: Si calcola ora la potenza irradiata dal pavimento verso l ambiente: W4 = σ ε (T 1 4 T 2 4 ) St 1 = W Calcoliamo la potenza irradiata per unità di volume: Dove: W 4 = Potenza irradiata dal pavimento V = Volume ambiente CALCOLO 3 1 : ρ = W 4 /V = 11,25 Wm 3 PREMESSA Date le condizioni critiche con cui si è dovuto operare, l impianto è stato integrato con una tecnica di climatizzazione passiva, atta a ridurre le dispersioni radianti, tramite l applicazione sulle pareti di una pellicola a basso coefficiente d irraggiamento. (Vedi allegato 1) In questo caso il procedimento di calcolo terrà conto anche di questo fattore. 23

24 CALCOLO DELLA TEMPERATURA AMBIENTALE RELATIVA AD UN CAPANNONE DI m² REALIZZATO AD ENDINE GAIANO (BG). DATI LEGENDA s = 2000 m² Superficie ambiente st = 4.808,2 m² Superficie totale ambiente h = 4,50 m altezza ambiente sr = 147,9 m² Superficie R Panel s 1 = m² Superficie equivalente pavimento s 2 = m² Superficie equivalente soffitto s 3 = 660,3 m² Superficie pareti (senza R Panel ) st 1 = 2.808,5 m² Superficie equivalente totale s p = 400 m² Superficie della pellicola t 1 = 1,5 C Temperatura pavimento t 2 = 2,5 C Temperatura soffitto t 3 = 2 C Temperatura pareti t 4 = 25 C Temperatura pavimento** tr 1 = 2 C Temperatura R Panel tr 2 = 50 C Temperatura R Panel a regime tc = 27,25 C Temperatura media del corpo con abbigliamento invernale ε = 0,9 Emissività dell ambiente ε1 = 0,06 Emissività della pellicola ** Sistema radiante a pavimento 1. Temperatura media delle pareti ad impianto spento: Tm1 = [(t 1 s 1 ) + (t 2 s 2 ) + (t 3 s 3 ) + (tr 1 sr)] / st 1 = 2 C Dalla formula generale per il ritrovamento delle dispersioni termiche per irraggiamento W = σ ε (T 1 4 T 2 4 ) con T = (t + 273) K ricaviamo la dispersione termica dell uomo ad impianto spento. W 1 = 5, ,9 (300, ) = 125 W/m² 2. Temperatura percepita dall uomo, ad impianto acceso: Tm 2 = [(t 1 s 1 ) + (t 2 s 2 ) + (t 3 s 3 ) + (tr 2 sr)] / st 1 = 4,5 C Si calcola la differenza di temperatura ambientale che si determina nelle due condizioni: t = 4,5 C 2 C = 2,5 C In questo caso, la temperatura media ambientale equivalente s incrementa di 2,5 C. Calcolo dell energia dispersa nell ambiente dal corpo, ad impianto attivo: Sostituendo si ottiene: W = σ ε (T 1 4 T 2 4 ) W2 = 5, ,9 (300, ,5 4 ) = 114,1 W/m² Si dimostra che, ad impianto attivo, per la sola azione dell effetto scudo termico, l energia dispersa dall uomo è inferiore di 10,9 W/m². 24

25 CONCLUSIONI Si è così dimostrato come all attivazione dell impianto, per effetto scudo termico, la temperatura media dell ambiente aumenta di 2,6 C e l energia dispersa dall uomo per irraggiamento è inferiore di 10,9 W/m². IMPIANTO ATTIVO + CLIMATIZZAZIONE PASSIVA La Temperatura Media Radiante, meglio identificata come T.M.R., definisce lo scambio di calore per irraggiamento tra la superficie della persona e l ambiente, in particolare la quantità d energia scambiata è definita dalla temperatura e dal coefficiente d irraggiamento dell ambiente. Lo scambio termico uomo - ambiente è determinato dalla relazione di Boltzmann. Particolare interesse destano le acquisizioni sul rapporto d interferenza (rapporto tra la superficie radiante installata e le superfici dell ambiente), per effetto di questo, in ambienti di ampia superficie, si ottengono vantaggi energetici di rilievo. Calcolo dell emissività equivalente εt dell ambiente dopo l applicazione della pellicola riflettente: εt = (St 2 ε 1 ) + (S p ε 2 ) / St1 = 0,78 Calcolo dell energia irradiata dall uomo verso l ambiente: Sostituendo si ottiene: W3 = σ ε (T 1 4 T 2 4 ) W3 = 5, ,78 (300, ,5 4 ) = 98,9 W/m² Poiché la temperatura percepita dall uomo è identica negli ultimi due casi, mentre le dispersioni per irraggiamento tra uomo e ambiente sono diverse, possiamo calcolare la temperatura media ambientale che implica una dispersione di 98,9 W/m 2. Si trova che tale temperatura è 7,9 C. Concludendo, l applicazione della pellicola a basso coefficiente d irraggiamento, da un punto di vista energetico uomo ambiente, è equivalente ad incrementare la temperatura delle pareti da 4,5 C a 7,9 C. Nel complesso, i soli effetti scudo termico + climatizzazione passiva sono equivalenti ad un aumento della temperatura ambientale di 4,9 C. Ciò implica, che la condizione di benessere che prima si raggiungeva con una temperatura dell aria di 19,1 C, adesso si raggiunge con una di 14,2 C (4,9 C in meno). Come indice dell efficacia del sistema R Panel si riporta la concentrazione energetica (ρ) con cui è stato dimensionato l impianto ed i consumi giornalieri: ρ = P/V = 9,41 W/m³ Dove: P = Potenza installata R Panel V = Volume ambiente Si è verificato sperimentalmente che la situazione di benessere nel locale in oggetto, si è raggiunta a 13,5 C. 25

26 SCHEDA RIASSUNTIVA Calcolo 1 (amb. 100 m 2 ) R Panel Calcolo 2 (amb. 100 m 2 ) Pann. radianti pavimento Calcolo 3 (amb m 2 ) R Panel + climat. passiva PERCEZIONE TERMICA + 1,26 C + 1,48 C + 4,9 C ENERGIA IRRADIATA W* NELL AMBIENTE W* W CONCENTRAZIONE ENERGETICA PER m 3 (ρ) 18,4 W/m 3 11,25 W/m 3 9,41 W/m 3 POTERE SCALDANTE PER L UOMO W eff = 18,4 (senα = 1) W eff = 5,62 (senα = 0,5) * In base alla certificazione fornita dal Politecnico di Milano t = 30 W eff = 9,41 (senα = 1) Nel sistema radiante R Panel, l impegno energetico per portare a temperatura di regime i pannelli è notevolmente inferiore rispetto all energia richiesta dai sistemi a pavimento. Nella tecnologia R Panel, un ambiente di 100 m 2 che ha una potenza installata di W, va mediamente a regime in 20 min.; in questo caso lo sforzo energetico richiesto è di W. Lo stesso ambiente riscaldato con pannelli radianti a pavimento e con la stessa potenza installata, va a regime in un tempo medio di 12 ore. Calcolando che la caldaia rimane accesa per un tempo complessivo di 5 ore, la potenza richiesta è di circa W. Nell ambiente di m 2 con una potenza installata di W, per portare a regime l impianto occorrono circa 2 ore, per un impegno energetico di W. 26

27 SISTEMI RADIANTI A PAVIMENTO T' < T Essendo l'energia irradiata funzione della 4 a potenza della temperatura del corpo radiante, si evince come, sia le dispersioni termiche, sia i salti termici tra il liquido termovettore e la superficie radiante determinino una minore efficienza del sistema. I materiali con cui è realizzata la superficie radiante possono influenzare notevolmente il rendimento del sistema. SISTEMA RADIANTE R PANEL T T' Il sistema radiante R Panel si approssima notevolmente ai sistemi radianti puri. 27

28 PERCHÉ PREFERIRE R PANEL TRA I SISTEMI DI RISCALDAMENTO AD IRRAGGIAMENTO? Abbiamo trattato ormai ampiamente le caratteristiche della trasmissione del calore per irraggiamento ed i motivi per cui la stessa, possa essere considerata un utile mezzo per il riscaldamento delle persone. Gli impianti ad irraggiamento più diffusi sono: - Sistemi radianti a pavimento. - Sistemi radianti a parete. I primi riscaldano il pavimento che, successivamente, trasmette il calore all ambiente. Questo particolare tipo d impianto presenta però alcuni problemi di fondo: - Il riscaldamento dell ambiente avviene più lentamente rispetto ai sistemi che usano radiatori metallici. - L uso è sconsigliabile per pavimenti che possiedono caratteristiche termoisolanti (tappeti, moquette ) - Non possono essere superati i 25 C per evitare disagio termico ai piedi ed esistono limiti superiori nella potenza erogata, dettati da norme (EN 1264, maggio 1992), che ne condizionano l utilizzo. - I costi d impianto sono più elevati rispetto agli impianti a termosifoni. I sistemi a parete finora in commercio, inglobati nella struttura muraria come quelli a pavimento, diffondono l energia radiante attraverso le pareti dei locali. Ciò presenta dei vantaggi in termini di comfort termico rispetto ai sistemi a pavimento, ma i problemi relativi all inaccessibilità dei tubi e al costo dell impianto restano irrisolti. La BGVM ha realizzato un sistema radiante a parete non inglobato nelle strutture murarie. Gli elementi fondamentali di tale sistema radiante sono gli R Panel, pannelli radianti in alluminio, attraversati al loro interno da acqua calda ed additivo, distribuiti in maniera uniforme attraverso speciali canalette d irrigazione. La particolare struttura interna si coniuga alla superficie esterna, pensata per ridurre al minimo ogni effetto convettivo. Gli R Panel hanno uno spessore di 23 mm, forma rettangolare e dimensioni variabili sia in altezza sia in larghezza. Essi vengono installati ad una distanza di circa 25 mm dalle pareti con criteri analoghi a quelli dei radiatori comuni. Il sistema radiante a parete R Panel è più economico di qualsiasi altro sistema radiante in commercio e riesce a riunire la semplicità d utilizzo dei radiatori comuni, con i numerosi vantaggi in termini di comfort e risparmio energetico prima elencati in relazione agli impianti ad irraggiamento. L alta efficienza dell impianto fa sì che le superfici radianti necessarie siano di modesta entità, permettendo piena libertà nell arredamento degli ambienti. Inoltre, permettono di operare il ricambio d aria desiderato con l esterno senza apprezzabili costi energetici, poiché il calore si trasferisce velocemente e senza tramiti dalla superficie radiante a quanto è presente nell ambiente. Il sistema radiante a parete R Panel possiede un altra importante peculiarità: la pronta risposta termica. L impianto, correttamente dimensionato, riesce a creare le condizioni di comfort termico nell ambiente, in circa 10 minuti. 28

29 Il sistema radiante R Panel consente di ottenere un ulteriore risparmio energetico rispetto alle percentuali prima riportate per gli altri impianti radianti; ciò perché, alle caratteristiche comuni con altri impianti radianti, esso può aggiungere un importante effetto di scudo termico sulle pareti ove sono posizionati i terminali (rif. T.M.R.). R PANEL by BGVM Nota informativa! Gli R Panel sono tutelati da brevetti internazionali. Ogni diritto brevettuale deve essere riconosciuto ai legittimi intestatari. BGVM S.r.l. si riserva il diritto di modificare in qualunque momento, senza preavviso, il contenuto della presente. Dovranno essere seguite, in ogni caso, le normative vigenti nel paese di installazione. E' severamente vietata la riproduzione, se pur parziale, del presente, a meno di una autorizzazione scritta della BGVM S.r.l. 29

30 BGVM s.r.l. C/so dei Mille, Partinico (PA) tel fax e.mail 30