I sistemi radianti. Ing. Michele Vio

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1 I sistemi radianti Ing. Michele Vio 1

2 Interventi sull'involucro Un esempio: Frankfurt Germania (clima freddo) Riqualificazione con tecniche Passive House 87% 2

3 Interventi sull'involucro 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? 3

4 Interventi sull'involucro EFFETTI DELL ISOLAMENTO TERMICO DEGLI EDIFICI 4

5 Interventi sull'involucro EFFETTI DELL ISOLAMENTO TERMICO DEGLI EDIFICI Grande risparmio in inverno quando la temperatura dell aria esterna è bassa 5

6 Interventi sull'involucro EFFETTI DELL ISOLAMENTO TERMICO DEGLI EDIFICI Basso risparmio energetico in estate 6

7 Interventi sull'involucro EFFETTI DELL ISOLAMENTO TERMICO DEGLI EDIFICI Il passaggio da riscaldamento a condizionamento avviene ad una temperatura dell aria più bassa 7

8 Importanza del clima 88

9 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 di riportarle nel clima Italiano, molto particolare. Il clima italiano è un clima mediterraneo, molto diverso sia dal clima dell Europa del Nord, che è un clima freddo, che dal clima continentale, tipico degli stati centrali degli USA. Alcune considerazioni possono farsi usando il Bin Method, ovvero considerando la frequenza oraria con cui si verificano certe condizioni. 9

10 Anche per una valutazione sommaria, bisognerebbe avere i dati climatici per Bin divisi tra giorno e notte. Questo è importante soprattutto nella valutazione del carico latente, come si vedrà meglio più avanti. Infatti, se si considera un palazzo per uffici, che lavora solamente di giorno, è sbagliato sporcare i dati considerando anche le ore notturne. AiCARR, fornisce dei software di calcolo che permettono di calcolare questi dati a partire dall anno medio tipo, per ogni provincia italiana. Per qualunque altra località mondiale, AiCARR fornisce un software in grado di calcolare gli stessi dati a partire da alcuni parametri medi mensili, ricavabili dal sito weatherbase.com. La figura mostra la frequenza oraria di Milano. 10

11 Tutte le città italiane sono caratterizzate da profili tra loro simili. Le temperature che si verificano con maggiore frequenza sono quelle comprese tra 5 C e 25 C, con code verso il basso per le città del nord e verso l alto nelle città del sud. La figura riporta somma delle temperature diurne e temperature notturne. 11

12 Completamente diverso è il clima delle città del nord Europa, caratterizzate da un clima freddo. La figura mostra la frequenza oraria annuale di Berlino: si può notare quanto maggior peso abbiano le basse temperature. 12

13 Completamente diverso è anche il clima delle città degli USA, altro riferimento storico per i nostri progetti. La figura riporta il clima di Minneapolis (clima continentale freddo) e Phoenix (clima continentale caldo). I profili sono completamente diversi rispetto alle nostre città.. 13

14 Anche New York, che pure è una città di mare alla stessa latitudine di Napoli, presenta delle importanti differenze climatiche con le nostre città.. 14

15 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 e 15 C c è bisogno di riscaldamento solo negli edifici poco isolati del terziario o nel residenziale, ma con una spesa energetica più contenuta. Negli edifici molto isolati del terziario c è già bisogno di raffreddamento. Oltre i16 C e 25 C c è sempre bisogno di raffreddare gli ambienti. 15

16 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 ad Ancona 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 basse temperature. E logico che le strategie di utilizzo dei recuperatori devono essere necessariamente diverse 16

17 Interventi sull'involucro TIPOLOGIA DEGLI EDIFICI TERZIARIO RESIDENZIALE 17

18 Interventi sull'involucro In inverno la differenza è dovuta al minor carico endogeno TERZIARIO RESIDENZIALE 18

19 Interventi sull'involucro In estate la differenza è dovuta ai minori carichi endogeni e al diverso utilizzo dell impianto TERZIARIO RESIDENZIALE 19

20 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 20

21 Interventi sull'involucro Comunque, anche nel residenziale, il maggior isolamento richiede di iniziare prima l uso del condizionamento Scarso isolamento Alto isolamento 21

22 I sistemi radianti mirano a massimizzare il benessere ambientale, riducendo nel contempo il consumo energetico 22

23 Sono sistemi COMPLESSI Vanno compresi molto bene 23

24 SISTEMI RADIANTI Impianti radianti connessi a una rete idraulica con una loro regolazione GF Ambiente da climatizzare Ambiente da climatizzare supportati da canali d aria collegati a una CTA con regolazione L energia è prodotta da gruppi frigoriferi 24

25 1^ COMPLESSITA Interazione in ambiente tra sistema radiante e aria GF Ambiente da climatizzare Ambiente da climatizzare 25

26 AMBIENTE da CLIMATIZZARE Un ambiente da climatizzare è caratterizzato da una potenza sensibile PS e da una potenza latente PL ovvero la potenza di deumidificazione 26

27 AMBIENTE da CLIMATIZZARE Nell ambiente da climatizzare agisce sia il sistema radiante che l aria 27

28 COMPITO DELL ARIA La portata d aria deve essere tale da soddisfare totalmente la potenza latente PL 28

29 COMPITO DELL ARIA Se l aria è immessa a una temperatura inferiore a quella dell ambiente l aria fornisce anche parte della potenza sensibile PSA 29

30 Caso: Ristorante Potenza latente 10kW 5 kw endogeni 5 kw per ricambi d aria 30

31 Senza trattamento aria esterna L aria deve fornire 10 kw. La portata è m 3 /h 31

32 Con trattamento aria esterna L aria deve fornire solo 5 kw. La portata è m 3 /h 32

33 DIMENSIONAMENTO SISTEMA RADIANTE La potenza richiesta al sistema radiante dipende anche dalla temperatura dell aria PSR = PS - PSA E tutto ciò influisce sul BENESSERE 33

34 2^ complessità SCAMBI TERMICI Un sistema radiante scambia calore in 2 modi per IRRAGGIAMENTO per CONVEZIONE sia con le persone che con l ambiente 34

35 SCAMBI TERMICI Vi sono alcune differenze fondamentali tra come il sistema radiante interagisce con l ambiente e con le persone: comprenderle bene è fondamentale 35

36 1^ differenza L ambiente scambia calore solo per irraggiamento e convezione Le persone scambiano calore in modo più complesso (anche per sudorazione e respirazione) 36

37 2^ differenza I parametri in gioco sono diversi perché le persone si trovano a temperatura diversa dalle pareti e dal sistema radiante 37

38 3^ differenza Le persone vedono l ambiente in modo diverso dal sistema radiante 38

39 SCAMBIO TERMICO CON L AMBIENTE 39

40 IRRAGGIAMENTO TPELLE TPARETI Lo scambio per irraggiamento raffredda solamente le pareti e lascia inalterata la temperatura ambiente 40

41 CONVEZIONE TPELLE TARIA La convezione viene attivata dalla temperatura di pelle del sistema inferiore a quella dell aria 41

42 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 42

43 SCAMBIO TERMICO CON LE PERSONE 43

44 IRRAGGIAMENTO TPELLE TPARETI TSup Persone Le persone cedono calore a tutto l ambiente 44

45 CONVEZIONE TARIA TSup Persone Le persone cedono calore per convezione all aria che è più fredda 45

46 DIFFERENZE 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 46

47 DIFFERENZE Le persone vedono tutto l ambiente, mentre il soffitto radiante non vede se stesso 47

48 SCAMBIO TERMICO CON LE PERSONE BENESSERE TERMOIGROMETRICO 48

49 PARAMETRI 2 parametri sono strettamente riferiti all'uomo: il metabolismo energetico e le proprietà termo fisica dell'abbigliamento 4 parametri sono di tipo ambientale: temperatura, velocità, umidità dell'aria e temperatura media radiante delle pareti dell'ambiente 49

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: S = M W E res C res C R K 50

51 S = M W BILANCIO ENERGETICO E res C S accumulo di energia termica nell'unità di tempo o variazione di energia interna del corpo umano nell'unità di tempo M metabolismo energetico, W Potenza meccanica che il corpo umano cede all'ambiente E res Potenza termica scambiata nella respirazione come calore latente C res Potenza termica scambiata nella respirazione come calore sensibile C Potenza termica scambiata per convezione R Potenza termica scambiata per irraggiamento E Potenza termica scambiata per evaporazione della pelle K Potenza termica scambiata per conduzione res C R E K 51

52 BILANCIO ENERGETICO S = M W E res C res C R E K W e K possono considerarsi nulli 52

53 BILANCIO ENERGETICO S = M W E res C res C R E K Funzione prevalentemente del metabolismo 53

54 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 54

55 METABOLISMO ENERGETICO 55

56 BILANCIO ENERGETICO Funzione metabolismo, abbigliamento, temperatura OPERATIVA S = M W E res C res C R E K Funzione metabolismo 56

57 COEFFICIENTE ABBIGLIAMENTO Tabella 3: resistenza termica dell'abbigliamento e coefficienti d area fcl per uomini e donne in estate, mezza stagione, e d'inverno 57

58 TEMPERATURA OPERATIVA La temperatura OPERATIVA o temperatura OPERATIVA t O è sostanzialmente la temperatura avvertita dall'occupante dell'ambiente. Si può scrivere: t O = h R t h MR R + + h h c c t a 58

59 TEMPERATURA MEDIA RADIANTE t MR n = 1 dove F n sono i fattori di vista t n F n 59

60 FATTORI DI VISTA ambiente 10*5*3 m 60

61 TEMPERATURA OPERATIVA La temperatura OPERATIVA o temperatura OPERATIVA t O è sostanzialmente la temperatura avvertita dall'occupante dell'ambiente. Si può scrivere: t O = h R t h MR R + + h h c c t a 61

62 TEMPERATURA OPERATIVA per soggetti a riposo la conduttanza termica convettiva h c e la conduttanza termica per irraggiamento h R sono molto simili 62

63 TEMPERATURA OPERATIVA La formula si può semplificare in t O = t MR 2 + t a 63

64 64

65 65

66 COMFORT TERMICO NORMA UNI EN

67 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 Potenza termica dispersa per sudorazione) 67

68 INDICE PMV L indice PMV (Predicted Mean Vote, o in italiano Voto Medio Previsto) è attualmente normato dalla UNI EN

69 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 69

70 INDICE PMV L indice PMV dipende solamente da: METABOLISMO ABBIGLIAMENTO TEMPERATURA OPERATIVA 70

71 INDICE PPD Il PMV rappresenta il voto di un individuo medio, ovvero la media dei voti espressi da un gran numero di persone poste nelle stesse condizioni. Sperimentalmente si è visto che i voti dei singoli individui presentano con una certa dispersione intorno al valore medio. Fanger ha quindi definito un altro indice, il PPD (Predict Percentage of Dissatisfied), che rappresenta la percentuale prevista di insoddisfatti, dove per insoddisfatti si intendono coloro che votano +- 2 o +-3. L'equazione utilizzata è: PPD = exp ( 4 2 0,03353 PMV 0,2179 PMV ) 71

72 INDICE PPD PPD = exp ( 4 2 0,03353 PMV 0,2179 PMV ) 72

73 DISCOMFORT TERMICO LOCALIZZATO Le causa che portano a un discomfort termico localizzato 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 73

74 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 le tre classi di ambiente, ma varia il campo accettabile di scostamento. La temperatura OPERATIVA dovrebbe essere sempre all'interno della campo accettabile in ogni posizioni all'interno della zona occupata dell ambiente. Questo significa il campo accettabile dovrebbe coprire variazioni sia spaziali che temporali, tra cui fluttuazioni causate dal sistema di controllo 74

75 INFLUENZA ABBIGLIAMENTO 75

76 INFLUENZA ABBIGLIAMENTO 76

77 INFLUENZA ABBIGLIAMENTO 77

78 INFLUENZA UR L'umidità relativa dell'ambiente influisce molto poco sul valore della sensazione termica, come dimostrò Fanger nei suoi studi negli anni 70. Ciò è vero negli ambienti moderati. Per le normali applicazioni civili, in condizioni di benessere con temperatura dell'aria con prese tra 19 C e 28 C, il peso dell'umidità relativa può considerarsi irrilevante. 78

79 INFLUENZA UR 79

80 80

81 81

82 PARETE CALDA 82

83 PARETE FREDDA 83

84 SOFFITTO CALDO 84

85 SOFFITTO FREDDO 85

86 CLASSI DI COMFORT 86

87 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 87

88 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 88

89 Donna abbigliamento leggero Influenza abbigliamento Uomo abbigliamento leggero Donna abbigliamento medio Uomo abbigliamento medio Uomo in giacca e cravatta 89

90 Influenza temperature superficiali 90

91 Correzione PMV mediante velocità dell aria 91

92 SCAMBIO TERMICO CON LE PARETI PRESTAZIONI DEI SISTEMI RADIANTI 92

93 IRRAGGIAMENTO TPELLE TPARETI Lo scambio per irraggiamento raffredda solamente le pareti e lascia inalterata la temperatura ambiente 93

94 CONVEZIONE TPELLE TARIA La convezione viene attivata dalla temperatura di pelle del sistema superiore a quella dell aria 94

95 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 95

96 CONSIDERAZIONE La Temperatura di Pelle del sistema è molto importante nella climatizzazione estiva, perché deve rimanere almeno 3 C al di sopra della temperatura di rugiada 96

97 IRRAGGIAMENTO Lo scambio tra 2 superfici è dato da: 97

98 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 98

99 Influenza della temperatura radiante 99

100 Influenza della temperatura radiante 100

101 Influenza della temperatura del sistema sulle pareti 101

102 Influenza della temperatura del sistema sulle pareti 102

103 Più superfici attive 103

104 Più superfici attive 104

105 Ripartizione della potenza scambiata p Ra da a = p In da n 105

106 Ripartizione della potenza scambiata 106

107 Ripartizione della potenza scambiata 107

108 potenza scambiata da parete 108

109 109

110 110

111 TEMPERATURA DI PELLE 111

112 INFLUENZA TEMPERATURA DI PELLE 112

113 Temperature interne pareti e vetri Dipendono dall irraggiamento (quindi dall orientamento), dalla temperatura dell aria e dall isolamento 113

114 Pareti k = 0,4 114

115 Vetri normali k = 1,5 schermi FS = 0,5 115

116 Vetri assorbenti k = 1,5 FS = 0,5 116

117 Prestazioni reali vs norme/formule semplificate Pavimento Inverno 117

118 Prestazioni reali vs norme/formule semplificate Pavimento Estate 118

119 Prestazioni reali vs norme/formule semplificate Soffitto Inverno 119

120 Prestazioni reali vs norme/formule semplificate Soffitto estate Bisogna prima spiegare la norma

121 NORME PRESTAZIONALI La NORMA prevede prove in un ambiente in cui la Temperatura Media Radiante delle pareti inattive è uguale alla Temperatura dell aria Superficie attiva 121

122 Perché la norma è carente La NORMA non può dare le prestazioni in funzione della Temperatura Media Radiante 122

123 Perché la norma è carente 123

124 Perché la norma è carente Non considera la temperatura di pelle Sembra che i soffitti metallici rendano di più 124

125 Perché la norma è carente 125

126 Perché la norma è carente Ma non è vero, perché la norma rende cieco il progettista rispetto al pericolo di formazione della condensa 126

127 Perché la norma è carente 127

128 Perché la norma è carente 128

129 Perché la norma è carente Punto da test norma

130 LIMITI DI UTILIZZO DEI DATI DELLA NORMA Utilizzare i dati della curva prestazionale fornita dalla Norma UNI EN 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) 130

131 Perché la norma è carente Norma sottostima Tmr > 26 C Norma sovrastima Tmr < 26 C 131

132 ESEMPIO 1 Richiesta 75 W/m 2 Taria = 26 C 19,3 C Dato di norma 132

133 ESEMPIO 1 Richiesta 75 W/m 2 Taria = 26 C Tmr = 28,5 C 20,4 C Dato di norma 133

134 ESEMPIO 2 MEZZA STAGIONE Open space in seminterrato Tutte pareti tranne il tetto hanno una T = 20 C 134

135 ESEMPIO 2 MEZZA STAGIONE T ambiente = 24 C Potenza richiesta al soffitto = W Potenza specifica = 55 W/m 2 Tpelle secondo UNI EN = 19,7 C Andamento reale T media radiante sup inattive = 20 C Tpelle = 17,2 C 135

136 Confronto in estate radiante a pavimento vs radiante a soffitto vs aria 136

137 137

138 138

139 139

140 140

141 Ombre termiche dovute all arredo 141

142 Pavimento 142

143 Pavimento 143

144 Pavimento 144

145 Pavimento 145

146 Pavimento 146

147 Pavimento 147

148 Pavimento 148

149 Influenza su PMV 149

150 150

151 Camera da letto 151

152 Ufficio 152

153 Abitazione 153

154 SOFFITTO METALLICO 154

155 SOFFITTO CARTONGESSO 155

156 SOFFITTO CARTONGESSO 156

157 SOFFITTO CARTONGESSO 157

158 SOFFITTO CARTONGESSO 158

159 Influenza superficie 159

160 Influenza superficie 160

161 Tempo messa a regime albergo inverno 161

162 Tempo messa a regime albergo inverno 162

163 Tempo messa a regime albergo estate 163

164 Tempo messa a regime albergo estate 164

165 Influenza inerzia sulla regolazione 165