Pannelli radianti: comportamento termico e prestazioni

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1 Pannelli radianti: comportamento termico e prestazioni ing. Stefano Paolo Corgnati, Ph.D. POLITECNICO DI TORINO Dipartimento di Energetica stefano.corgnati@polito.it 1

2 Pannelli radianti: comportamento termico e prestazioni Stefano Corgnati, maggio 2007 Indice delle tematiche Comfort termoigrometrico Tipologie di pannelli radianti Dinamiche di asportazione dei carichi termici Prestazioni (in riscaldamento e raffrescamento) dei pannelli radianti Accoppiamento dei pannelli radianti con le strategie di ventilazione (miscelazione e dislocamento) 2

3 Pannelli radianti: comportamento termico e prestazioni Stefano Corgnati, maggio 2007 Comfort termoigrometrico Teoria di Fanger e norma ISO 7730 Comfort globale Discomfort locale 3

4 Pannelli radianti: comportamento termico e prestazioni Stefano Corgnati, maggio 2007 Comfort termoigrometrico Comfort globale parametri ambientali: Temperatura dell aria Temperatura media radiante Umidità relativa dell aria Velocità dell aria convezione irraggiamento Pannello radiante 4

5 Pannelli radianti: comportamento termico e prestazioni Stefano Corgnati, maggio 2007 Comfort termoigrometrico Comfort globale parametri soggettivi: Attività metabolica Resistenza dell abbigliamento Indici di comfort globale (Fanger): Voto Medio Previsto: -0,5<PMV<+0,5 % Prevista di Insoddisfatti: PPD < 10% 5

6 Pannelli radianti: comportamento termico e prestazioni Stefano Corgnati, maggio 2007 Comfort termoigrometrico Comfort globale PMV e PPD 6

7 Pannelli radianti: comportamento termico e prestazioni Stefano Corgnati, maggio 2007 Comfort termoigrometrico Discomfort locale aspetti: Correnti d aria (draft( risk,, DR) Temperatura pavimento Gradiente verticale temperatura dell aria Asimmetria radiante Pannello radiante 7

8 Pannelli radianti: comportamento termico e prestazioni Stefano Corgnati, maggio 2007 Comfort termoigrometrico Discomfort locale: Draft risk (rischio di correnti d aria, ISO 7730) dovuta alla caduta del getto nella zona occupata PD DR = DR = (34-T a ) (V-0.05) 0.62 (0.37 V Tu ) 8

9 Pannelli radianti: comportamento termico e prestazioni Stefano Corgnati, maggio 2007 Comfort termoigrometrico Discomfort locale: Temperatura del pavimento Livelli di temperatura superficiale del pavimento: accettabile una temperatura del pavimento compresa tra 18 C C e 30 C (ottima intorno a 25 C), limiti ai quali corrisponde una percentuale prevista di insoddisfatti di circa il 10%. Questi limiti di comfort influenzano direttamente la resa in raffrescamento e 9 riscaldamento del pavimento radiante.

10 Pannelli radianti: comportamento termico e prestazioni Stefano Corgnati, maggio 2007 Comfort termoigrometrico Temperatura del pavimento 10

11 Pannelli radianti: comportamento termico e prestazioni Stefano Corgnati, maggio 2007 Comfort termoigrometrico Temperatura del soffitto Livelli di temperatura superficiale del soffitto: la massima temperatura accettabile è influenzata numerosi fattori, tra i quali il più significativo è l altezza del soffitto. Nell edilizia edilizia residenziale, con una tipica altezza di 3 metri e temperatura dell aria a 20 C, la pratica consiglia di non superare temperature di 35 C. 11

12 Pannelli radianti: comportamento termico e prestazioni Stefano Corgnati, maggio 2007 Comfort termoigrometrico Temperatura del soffitto la minima temperatura non è legata a problemi di benessere, abbondantemente soddisfatto con le usuali temperature di esercizio. Il vincolo è legato ai problemi di condensa superficiale,, quando la sua temperatura scende al di sotto di quella di rugiada dell aria ambiente. Indicativamente, con una temperatura dell aria di 26 C C la temperatura di rugiada varia da 12 C C per U.R. del 40% a 18 C 12 per U.R. del 60%.

13 Pannelli radianti: comportamento termico e prestazioni Stefano Corgnati, maggio 2007 Comfort termoigrometrico Asimmetria Radiante 13

14 Tipologie di pannelli radianti I Sistemi Radianti Scambio di calore con l ambiente circostante avviene in larga misura per radiazione per riscaldamento ELEMENTI RADIANTI (piastre,termostrisce termostrisce, ) per raffrescamento PANNELLI RADIANTI Sistemi a basso differenziale di temperatura e grandi superfici di scambio termico 14

15 Tipologie di Pannelli Radianti Pannelli a capacità termica trascurabile (p.es. serpentina su pannello metallico) Pannelli con capacità termica (serpentina annegata nelle strutture) Soffitti Pareti Pavimento con moderata attivazione termica della massa con elevata attivazione termica della massa 15

16 Dinamiche di asportazione dei carichi termici direttamente asportati Carico asportato dall'acqua circolante nelle serpentine Apporti radiativi convettivi si "trasformano" in carico Carico asportato dall'azione raffrescante sull'ambiente superficiale Carico asportato dall'aria primaria 16

17 Dinamiche di asportazione dei carichi termici α c (F f-c ρ f F w-f Q & sol ) ρ c (F f-c ρ f F w-f Q & ) sol F f-c (ρ f F w-f Q & ) sol ρ s (F f-s ρ f F w-f Q & sol ) Q & sol α s (F f-s ρ f F w-f Q & sol ) ρ f (F w-f Q & sol ) F f-s (ρ f F w-f Q & sol ) F w-f Q & sol α f (F w-f Q & sol ) 17

18 Dinamiche di asportazione dei carichi termici Convective and Latent Gains Heat Gains Radiative Gains Room Load Cooling Load Structure heat storage capacity Direct Load Radiant Panel 18

19 Dinamiche di asportazione dei carichi termici Convective Gains Sensible Heat Gains Radiative Gains Room Load (RL) Room Transfer Function 1- F Air Load (AL) Surface Load (SL) Direct Load (DL) F Cooling Load (CL) Panel Load (PL) 19

20 Dinamiche di asportazione carichi 0.20 Controsoffitto Radiante-Locale Intermedio 0.19 Proprietà ottiche ρ w = Tipo di pannello ρ 0.17 c = 0.8 delle pareti Carico direttamente rimosso DL ρ ρ = f = 0.6 ρ = 0.5 Posizione del locale Fsol F sol Tipo di apporto Geometria del locale ρ = 0.4 ρ = L / h L eq / h 20

21 Prestazione dei pannelli radianti Componenti di carico termico da rimuovere 180 HG CL RL DL Pavimento Radiante Potenza Termica [W/m 2 ] Thermal power [W/m 2 ] Heat Gain Cooling Load Room Load Direct Load Time [h] Tempo [h] 21

22 Prestazione dei pannelli radianti Componenti di carico termico da rimuovere 180 HG CL RL DL Controsoffitto Radiante Potenza Termica [W/m 2 ] Thermal power [W/m 2 ] Heat Gain Cooling Load Room Load Direct Load Tempo Time [h] 22

23 Prestazione dei pannelli radianti Confronto potenze termiche di progetto Potenza Termica [W/m 2 ] Thermal power [W/m 2 ] Pavimento Radiante Controsoffitto Radiante Tutt aria Heat Gain Cooling Load Room Load Direct Load HG CL RL DL Floor Panel Ceiling Panel All-Air

24 Prestazioni dei pannelli radianti Pavimento Soffitto (h=3m) Resa [W/m 2 ] Riscadamento Raffrescamento (con T = 6 C) Emissiva Superficiale Totale T=9 C ordine dei 100, in funzione dell' T=20 C ammontare degli apporti radiativi Circa 90 W/m 2 con T = 15 C Pannelli radianti: comportamento termico e prestazioni Stefano Corgnati, maggio

25 Dimensionamento del sistema misto pannelli radianti e aria primaria Grandezza vincolante: temperatura superficiale del pannello (media e minima) Limitazione della potenzialità raffrescante superficiale del pannello quando Carico Ambiente (RL) > Capacità Raffrescante Superficiale del pannello (SL) il carico residuo deve essere rimosso dall aria primaria 25

26 Dimensionamento del sistema misto pannelli radianti e aria primaria Pannelli a capacità termica trascurabile e non Il carico sul pannello si traduce istantaneamente in carico sull acqua (p.es. controsoffitto radiante) Esiste uno sfasamento tra carico sul pannello e quello sull acqua (p.es pavimento radiante) Pannelli radianti: comportamento termico e prestazioni Stefano Corgnati, maggio

27 Considerazioni economiche COSTO D INVESTIMENTO Tutt aria VAV = 120 Euro/m2 Misto (CC+MV) = 150 Euro/m2 Sovra-costo Investimento = + 30 Euro /m2 COSTO DI GESTIONE/ESERCIZIO Sovra-costo Gestione/Esercizio = - 5 Euro /m2 PAY-BACK PERIOD Semplice PB = 6 anni (nota: appalto di gestione di un Ospedale = 20 anni) Pannelli radianti: comportamento termico e prestazioni Stefano Corgnati, maggio

28 Impianti ad aria: strategie di ventilazione Dislocamento (DV) Miscelazione (MV) Problematiche di comfort in presenza di elevati carichi termici Gradiente verticale di temperatura Velocità dell aria a pavimento Correnti d aria Soluzione: Controsoffitti Radianti (CC) 28 Soluzione: Controsoffitti Radianti (CC)

29 Impianti ad aria: strategie di ventilazione Miscelazione (MV) Obiettivo: Rendere uniformi le condizioni termoigrometriche e la concentrazione di contaminati in tutto il locale. La distribuzione dell aria è guidata dalle proprietà termofluidodinamiche del getto d aria immesso per miscelare l aria ambiente. Pannelli radianti: comportamento termico e prestazioni Stefano Corgnati, maggio

30 Impianti ad aria: strategie di ventilazione Miscelazione (MV) T o, c o T oc = T R c oc = c R T R, c R Pannelli radianti: comportamento termico e prestazioni Stefano Corgnati, maggio

31 Impianti ad aria: strategie di ventilazione Dislocamento (DV) Obiettivo: Creare un gradiente positivo (al crescere dell altezza) sia di temperatura che di concentrazione di contaminanti nel locale. La distribuzione dell aria è guidata dai pennacchi termici delle sorgenti termiche presenti nel locale. Pannelli radianti: comportamento termico e prestazioni Stefano Corgnati, maggio

32 Impianti ad aria: strategie di ventilazione Dislocamento (DV) T R, c R T oc < T R c oc < c R T o, c o Pannelli radianti: comportamento termico e prestazioni Stefano Corgnati, maggio

33 Impianti ad aria: strategie di ventilazione Dislocamento (DV) pennacchio termico OUT T aria C contaminante IN Pannelli radianti: comportamento termico e prestazioni Stefano Corgnati, maggio

34 Sistemi ad aria primaria: strategie di ventilazione Mixing Ventilation Displacement Ventilation Problematiche di comfort in presenza di elevati carichi termici Controsoffitti Radianti Pannelli radianti: comportamento termico e prestazioni Stefano Corgnati, maggio

35 Ventilazione a miscelazione (MV) problema: caduta del getto IN x s Lunghezza di penetrazione del getto OUT caduta del getto Discomfort per correnti zona occupata fredde d aria Y X Problema: elevate velocità e/o basse temperature Pannelli radianti: comportamento termico e prestazioni Stefano Corgnati, maggio

36 Displacement Ventilation (DV) DV : immissione di aria leggermente sottoraffreddata a livello del pavimento DV + riscaldamento: accoppiamento con pavimento caldo (soluzione ideale) DV + raffrescamento: accoppiamento con soffitto freddo (soluzione ideale) o pavimento freddo Pannelli radianti: comportamento termico e prestazioni Stefano Corgnati, maggio

37 Pannelli radianti: comportamento termico e prestazioni Stefano Corgnati, maggio 2007 Displacement Ventilation (DV) mixed-flow region h air h y s t wall T C MAX Q tot = W/m 2 Problema con alti carichi: alto gradiente verticale di 37 temperatura o bassa temperatura a pavimento

38 Pannelli radianti: comportamento termico e prestazioni Stefano Corgnati, maggio 2007 DV + Controsoffitto Radiante mixed-flow region h h air y st wall T C MAX Q pannello = 50 W/m 2 (fino a Q tot 100 W/m 2 ) Problema se Q pan /Q tot > 0,5 : estensione della mixed-region 38

39 Pannelli radianti Conclusioni Nel caso dei pannelli radianti gli aspetti di comfort legati alle temperature superficiali ammissibili sono inscindibilmente connessi alle prestazioni (in riscaldamento e raffrescamento) del sistema I pannelli radianti presentano una singolare peculiarità nella dinamica di rimozione dei carichi termici (p.s. in presenza di carichi solari la resa di rimozione del carico cresce sensibilmente per la presenza di un alto carico diretto) ) ciò deve essere attentamente valutato in fase di progetto Pannelli radianti: comportamento termico e prestazioni Stefano Corgnati, maggio

40 Pannelli radianti Conclusioni I pannelli radianti presentano delle capacità superficiali di cessione e asportazione dei carichi termici ben definite ed eslusivamente legate alla temperatura superficiale imposta L accoppiamento tra pannelli radianti e sistemi di distribuzione dell aria (sia MV e DV) ) permette di coprire un elevato numero di casistiche progettuali anche in presenza di elevati carichi, garantendo contemporaneamente un elevato livello di comfort e qualità dell aria Pannelli radianti: comportamento termico e prestazioni Stefano Corgnati, maggio