Sistemi impiantistici e ponti termici: analisi delle normative e proposta di una metodologia di confronto

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1 analisi delle normative e proposta di una metodologia di confronto Ing. Clara Peretti, Segretario Generale Consorzio Q-RAD e Libera professionista Dicembre 2016 Giovanni Ferrarini, DII Università degli Studi di Padova e ITC-CNR Padova Il presente articolo approfondisce e analizza l attuale panorama normativo e i relativi approcci di calcolo per tenere in considerazione il fenomeno dei ponti termici legato ai sistemi impiantistici (di emissione e di distribuzione). Il lavoro propone inoltre una metodologia di confronto numerico su differenti terminali di emissione. Introduzione Il concetto di ponte termico è legato alle dispersioni di calore dell involucro edilizio. Le tipologie più frequenti sono i ponti termici strutturali e quelli geometrici. Nel primo caso la presenza di elementi eterogenei di diversa conduttività termica incrementa il flusso termico, nel secondo la presenza di spigoli provoca un addensamento delle isoterme con un aumento del flusso termico. 1a 1b Le conseguenze dell eterogeneità del flusso sono di tipologia diversa, tra queste: Aumento del flusso energetico Riduzione della temperatura superficiale delle parti interne dell involucro e formazione di condensa superficiale Riduzione della temperatura interna di pareti, solai, coperture confinanti con l esterno e formazione di condensa interstiziale Variazione della temperatura superficiale esterna. Esempi di ponti termici strutturali e geometrici sono riportati in Figura 1: Figura 1. Esempi di ponti termici in sezioni di muratura perimetrale. 1a ponte termico strutturale (muratura interrotta da pilastro in calcestruzzo) 1b ponte termico geometrico (angolo). Le analisi agli elementi finiti mediante software mostrano le distribuzioni di temperatura

2 Oltre alle due tipologie descritte negli edifici si possono verificare dispersioni di calore nell involucro edilizio causate dalla presenza di sistemi impiantistici, quali ad esempio radiatori installati sulle pareti perimetrali, tubazioni e canalizzazioni. La presenza di tali contributi aumenta la dispersione di calore verso l esterno e, parallelamente, diminuisce le prestazioni dei sistemi impiantistici. Un esempio di tali dispersioni è rappresentato in Figura 2. Figura 2. Esempio di ponti termici generati da radiatori in nicchia: immagini termografiche. Si nota l incremento di temperatura superficiale esterna in corrispondenza ai radiatori posizionati sotto le finestre. L attuale panorama normativo Le metodologie di calcolo dei ponti termici strutturali e geometrici sono definite da standard internazionali recepiti a livello europeo ed italiano: i principali sono la norma UNI EN ISO e la norma UNI EN ISO Le principali grandezze coinvolte nei calcolo dei ponti termici sono riportate in Tabella 1: Simbolo Unità di misura Trasmittanza termica lineica ψ W/(m K) trasmittanza termica puntuale χ W/K coefficiente di accoppiamento termico coefficiente di accoppiamento termico lineico L L 2D W/K W/(m K) resistenza termica R m 2 K/W coefficiente di scambio termico superficiale h α W/(m 2 K) Tabella 1. Ponti termici: grandezze, simboli e unità di misura

3 Per quanto riguarda i sistemi impiantistici gli standard di riferimento sui rendimenti sono: UNI EN UNI/TS Lo standard europeo UNI EN è attualmente in revisione. La principale novità riguarda la modifica della metodologia di calcolo: non vengono più riportati i rendimenti (metodo tedesco), bensì le differenze di temperatura Δ ϑ (metodo francese). A gennaio di quest anno è stato inoltre creato un nuovo gruppo di lavoro all interno della commissione tecnica TC 130. Si tratta del gruppo di lavoro WG13 dal titolo Determination of parameters for the efficiency of heating and cooling emission products in relation to pren Tali standard e attività dei gruppo di lavoro non sono descritti nel presente articolo perché ancora non definitivi: saranno oggetto di approfondimenti futuri. A livello italiano, le metodologie di calcolo per la determinazione del fabbisogno di energia termica dell edificio per la climatizzazione invernale sono riportate nella norma UNI/TS La norma suggerisce quale metodologia adottare per la valutazione della trasmittanza termica lineica espressa in W/(m K). La norma riporta che i valori di trasmittanza termica lineare devono essere determinati: nella valutazione di progetto: - attraverso il calcolo secondo la UNI EN ISO attraverso l uso di atlanti di ponti termici conformi alla UNI EN ISO per gli edifici esistenti: - in aggiunta ai metodi di cui sopra, con metodi di calcolo manuale conformi alla UNI EN ISO La norma specifica inoltre che è sempre da escludersi l utilizzo del valori di progetto della trasmittanza termica lineare dell Allegato A della UNI EN ISO Per quanto riguarda i sistemi impiantistici lo standard di riferimento italiano è la UNI/TS , che fornisce le metodologie per la determinazione del fabbisogno di energia termica dell edificio per la climatizzazione estiva ed invernale. Nello standard sono riportati i metodi per la valutazione delle perdite collegate a sistemi impiantistici che possono incrementare le dispersioni verso l esterno. Queste sono descritte di seguito: Sistemi di emissione: radiatori su parete esterna. In questa configurazione il rendimento base di emissione viene ridotto di Ad esempio si passa da 0.98 a 0.94 per carico termico medio annuo inferiore a 4 W/m 3. Sistemi di emissione: sistemi radianti. Per sistemi radianti a pavimento, a parete o a soffitto, annegati nelle strutture disperdenti è prevista una correzione dei rendimenti di emissione attraverso una la seguente formula: dove: Uint è la trasmittanza termica della parte di struttura dal lato interno rispetto all asse dei tubi; Uest è la trasmittanza termica della parte di struttura dal lato esterno rispetto all asse dei tubi.

4 Sistemi di distribuzione: interruzioni dell isolamento della tubazione: - per staffaggi di linea non isolati (con interruzione dell isolamento, scoperti), maggiorare del 10% la lunghezza totale della tubazione; - per singolarità in centrale termica: lunghezza equivalente di tubazione non isolata dello stesso diametro del componente scoperto. Un ulteriore aspetto che concorre nella valutazione dell entità del ponte termico collegato ai sistemi impiantistici è la temperatura del fluido termovettore. Lo standard UNI/TS prevede una riduzione del rendimento in funzione della temperatura nei seguenti casi: Riduzione del rendimento di emissione per radiatori installati su parete esterna quando la temperatura dell acqua è superiore a 55 C Variazione del rendimento di distruzione per t Temperature di mandata e ritorno di progetto di differenti da 80/60 C per radiatori, ventilconvettori e sistemi radianti. Si può notare che per le tipologie di sistemi di emissione (radiatori e sistemi radianti) sopra descritti le metodologie di calcolo si differenziano e provocano quindi riduzioni diverse. A titolo di esempio si riportano di seguito in Tabella 2 alcuni dati di confronto derivanti dall applicazione dello standard UNI/TS Sistema radiante a parete Radiatore su parete esterna non isolata Isolante in polistirene, 5 cm λλ = W/(m K) Intonaco esterno λλ = 0.9 W/(m K) Esterno Parete in laterizio Ambiente interno Esterno Parete in laterizio Interno Muratura esterna in blocchi di laterizio, cm 25, λλ = 0.43 W/(m K) Strato a base di gesso con tubazioni Muratura esterna in blocchi di laterizio, cm 25, λλ = 0.43 W/(m K) U est U int Nota: lo spessore dell isolante segue le indicazioni dello standard UNI EN 1264: Resistenza dell isolante superiore a 1.5 m 2 K/W se la temperatura esterna è compresa tra -5 e -15 C. Nota: si ipotizza che la temperatura di mandata sia più elevata perché l ambiente è molto disperdente (Temperatura di mandata = 85 C). Rendimento di emissione = 0.90 Rendimento di emissione = 0.90 Figura 2. Confronto rendimenti di emissione per sistema radiante a parete e radiatore su parete esterna.

5 Dal confronto emerge che il rendimento di emissione di sistema radianti a bassa differenza di temperatura risulta inferiore, nonostante la presenza di isolante (conforme ad UNI EN 1264), ovvero con strato isolante dietro alle tubazioni con resistenza termica superiore a 1.5 m 2 K/W. Si evidenzia inoltre che la temperatura del fluido termovettore nel caso di sistemi radianti non viene mai considerata. Il minimo rendimento di emissione che si ottiene per radiatori ad alta temperatura su parete non isolata è 0.92, valore sempre superiore ai rendimenti di emissione dei sistemi radianti installati su parete a contatto con l esterno. Alla luce di tali considerazioni emerge la necessità di un approfondimento della fenomenologia dei diversi sistemi. Una proposta di procedura di analisi viene descritta di seguito. Analisi e confronto di sistemi di emissione idronici: proposta di una metodologia di studio L analisi intende sfruttare la modellazione numerica (con l utilizzo del software Comsol Multiphysics) per confrontare due sistemi di emissione: radiatore e pavimento radiante. Entrambi i terminali sono posizionati all interno di una stanza che ha due pareti disperdenti verso l ambiente esterno, rappresentando la condizione tipica di un angolo in un edificio multipiano. Il confronto viene effettuato in regime di riscaldamento, con temperatura dell aria interna pari a 20 C e temperatura dell ambiente esterno pari a 0 C. Entrambi i sistemi emettono in ambiente la stessa potenza termica. Figura 3. Posizionamento dei terminali, evidenziati in colore violetto, all interno della stanza. Nel Caso 1 la stanza è dotata di un radiatore (immagine a sinistra) mentre nel Caso 2 è dotata di un pavimento radiante (immagine a destra) Il modello prevede alcune assunzioni, derivate da un impostazione analitica, che permettono di ridurre il carico computazionale. La principale è la valutazione di un singolo nodo aria interno, per cui gli scambi convettivi interni vengono calcolati tramite una relazione lineare che utilizza i coefficienti convettivi presenti in letteratura. Lo scambio termico globale tra le superfici esterne della stanza e gli ambienti adiacenti o esterni è valutato anch esso con una relazione lineare, utilizzando i coefficienti liminari secondo normativa o letteratura. Lo scambio termico radiante all interno della cella è calcolato dal software tenendo in considerazione l emissività delle superfici e la loro reciproca orientazione. Queste assunzioni permettono di eseguire rapidamente i processi di calcolo, con un accurata modellazione dello scambio radiante, a fronte di una limitazione nella valutazione dello scambio convettivo. Le caratteristiche principali della stanza e della simulazione sono descritte nella tabella seguente.

6 Caratteristiche della camera Lunghezza interna [m] 3.5 Altezza interna [m] 3 Profondità interna [m] 3.5 Spessore delle pareti [m] 0.1 Emissività delle superfici 0.9 Trasmittanza delle pareti [W/(m 2 K) 0.7 Parametri per la modellazione termica Potenza termica sistema [W] 700 Temperatura aria interna [ C] 20 Coefficiente convettivo per superfici interne passive [W/(m 2 K)] 2.5 Coefficiente convettivo per radiatore superficie superiore [W/(m 2 K)] 6.1 Coefficiente convettivo per radiatore superfici laterali [W/(m 2 K)] 5.6 Coefficiente convettivo per radiatore superficie inferiore [W/(m 2 K)] 1.9 Coefficiente convettivo per pavimento radiante [W/(m 2 K)] 4.5 Temperatura degli ambienti interni adiacenti [ C] 20 Coefficiente liminare globale verso gli ambienti adiacenti [W/(m 2 K)] 7.7 Temperatura ambiente esterno [ C] 0 Tabella 3. Caratteristiche e parametri per la simulazione Coefficiente liminare globale verso gli ambienti esterni [W/(m 2 K)] 25 I risultati del confronto sulla parete disperdente dietro il radiatore mostrano un incremento del flusso termico del 6.5% nel Caso 1 (radiatore) rispetto al Caso 2 (pavimento radiante). I principali dati ottenuti dalle simulazioni sono riportati nella tabella e nella figura seguente. Risultati Parametro Caso 1 Caso 1 Temperatura media parete esterna (lato radiatore) [ C] Flusso termico medio parete esterna (lato radiatore) [W/m 2 ] Temperatura media superficiale del radiatore [ C] Temperatura media pavimento [ C] Figura 4. Distribuzione di temperatura superficiale sulla parete esterna nel Caso 1 (radiatore). L impronta termica del radiatore è chiaramente visibile sulla superficie.

7 Conclusioni e prospettive Nell attuale contesto normativo il livello di prestazione energetica richiesta agli edifici è sempre crescente: l importanza dei ponti termici assume quindi un importanza primaria. Alla luce delle recenti evoluzioni normative risulta fondamentale approfondire il fenomeno dei ponti termici collegato ai sistemi impiantistici. L analisi della normativa tecnica vigente presenta infatti diversi approcci a seconda del metodo di riferimento che viene utilizzato. In questo articolo viene proposta una metodologia di analisi numerica per il confronto tra diversi sistemi di emissione. Il metodo si dimostra in grado di quantificare le anomalie termiche legate alla presenza e al posizionamento dei sistemi. Il lavoro futuro estenderà questa procedura ad altri casi studio, che verranno anche supportati da indagini strumentali sul campo. Bibliografia Comsol Multphysics Version 4.4, EN ISO 6946:2007, Building components and building elements - Thermal resistance and thermal transmittance - Calculation method Khalifa, A.-J.N. Natural convective heat transfer coefficient - a review II. Surfaces in two- and three-dimensional enclosures, Energy Conversion and Management, 42 (4), UNI EN 1264:2009. Sistemi radianti alimentati ad acqua per il riscaldamento e il raffrescamento integrati nelle strutture UNI EN :2008. Impianti di riscaldamento degli edifici - Metodo per il calcolo dei requisiti energetici e dei rendimenti dell impianto - Parte 2-1: Sistemi di emissione del calore negli ambienti UNI EN ISO 10211:2008. Ponti termici in edilizia - Flussi termici e temperature superficiali - Calcoli dettagliati UNI EN ISO 14683:2008. Ponti termici in edilizia - Coefficiente di trasmissione termica lineica - Metodi semplificati e valori di riferimento UNI/TS :2014. Prestazioni energetiche degli edifici - Parte 1: Determinazione del fabbisogno di energia termica dell edificio per la climatizzazione estiva ed invernale UNI/TS : Prestazioni energetiche degli edifici - Parte 2: Determinazione del fabbisogno di energia primaria e dei rendimenti per la climatizzazione invernale, per la produzione di acqua calda sanitaria, per la ventilazione e per l illuminazione in edifici non residenziali