Impianti di riscaldamento

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1 Impianti di riscaldamento Fluidi termovettori Per fluido termovettore si intende il fluido che, attraverso una opportuna rete di distribuzione, trasporta l'energia termica che viene fornita agli ambienti mediante i terminali. Il fluido termovettore più frequentemente impiegato negli impianti di riscaldamento è l acqua, che può essere distribuita nei seguenti modi: acqua calda in fase liquida - a pressione ambiente e temperatura inferiore a quella di ebollizione; acqua in fase liquida - a pressione superiore a quella ambiente e temperatura inferiore a quella di ebollizione, impropriamente detta "acqua surriscaldata"; acqua in fase vapore - a temperatura maggiore di quella di ebollizione (si osservi che in questo caso il fluido termovettore torna dai terminali sotto forma di acqua condensata).

2 Generatori di energia termica In questa sede non saranno analizzati i sistemi di produzione a pompa di calore, mentre si prenderanno in esame solo le principali caratteristiche di generatori a combustione. il generatore di energia termica, o caldaia, trasferisce all acqua l energia termica fornita dalla combustione di un combustibile solido, liquido o gassoso. Attualmente il combustibile solido è quasi inutilizzato, quello gassoso è impiegato più frequentemente di quello liquido.

3 Generatori di energia termica Il fluido a cui il generatore cede energia termica segue comunque un circuito chiuso in cui si individua convenzionalmente un tratto di mandata, in uscita dalla caldaia, ed uno di ritorno in ingresso alla caldaia. L energia termica prodotta dalla combustione viene ceduta al fluido in parte nella camera di combustione o focolare, in parte lungo il successivo percorso dei prodotti della combustione, anche detto giri di fumo L involucro (mantello) della caldaia è rivestito di materiale isolante, per ridurre le dispersioni di calore verso l esterno, protetto con lamiera.

4 Generatori di energia termica I generatori di energia termica possono essere a servizio di una pluralità di utenze (impianti di riscaldamento centralizzati), o a servizio di una singola utenza (impianti di riscaldamento autonomi). La caldaia autonoma, generalmente alimentata con combustibile gassoso, può essere di tipo combinato, atta cioè anche alla produzione di acqua calda sanitaria (caldaia combinata). Essa ha potenzialità inferiore a 35 kw e generalmente comprende anche il bruciatore, l elettropompa di circolazione, il vaso d espansione e l insieme degli organi di sicurezza, protezione e controllo

5 Caratteristiche principali dei generatori di energia termica a combustione

6 Classificazione dei generatori di energia termica a combustione Parametro combustibile fluido in uscita dalla caldaia volume d acqua pressione in camera di combustione temperatura dei fumi in uscita materiale di costruzione - caldaie a combustibile solido - caldaie a combustibile liquido - caldaie a combustibile gassoso - caldaie ad acqua calda in fase liquida - caldaie ad acqua surriscaldata - caldaie a vapore - caldaie ad olio diatermico - generatori di aria calda - caldaie a grande volume d acqua - caldaie a piccolo volume d acqua - caldaie con focolare in depressione (anche dette di tipo atmosferico o ad aria aspirata) - caldaie con focolare pressurizzato (anche dette pressurizzate o ad aria soffiata) - caldaie tradizionali ad alto rendimento - caldaie a condensazione - caldaie in ghisa - caldaie in acciaio Classificazione

7 Classificazione energetica Direttiva 92/42 La direttiva europea 92/42 stabilisce i requisiti minimi di efficienza dei generatori di calore. I generatori di calore sono caratterizzati dalle seguenti definizioni di classificazione energetica: Standard efficienza minima - caldaia a 1 stella (*) o a due stelle (**) Bassa temperatura efficienza media caldaie a tre stelle (***); Condensazione alta efficienza caldaie a 4 stelle (****);

8 CALDAIA A CONDENSAZIONE Sono caldaie in cui la temperatura dei fumi è inferiore (circa C, più bassa della temperatura di rugiada) rispetto alle caldaie tradizionali, in modo da ridurre le perdite energetiche dovute ai fumi e recuperare energia dalla condensazione del vapore acqueo contenuto nei fumi stessi: si aumenta così il rendimento termico utile; è possibile abbassare la temperatura dei fumi fino a valori di poco superiori a quelli della temperatura dell acqua di ritorno; sono caratterizzate da una maggiore resa se abbinate ad un impianto a bassa temperatura (per un installazione in zona climatica E lavora in condensazione per oltre l 80% del periodo di riscaldamento). Verificandosi però il fenomeno della condensa degli acidi, tali caldaie sono realizzate con materiali più pregiati e costosi e con una configurazione tali da ridurre al minimo il deterioramento della caldaia stessa.

9 Corpi scaldanti I corpi scaldanti più frequentemente utilizzati sono i seguenti: radiatori; piastre radianti; pannelli radianti; termoconvettori; ventilconvettori; aerotermi.

10 Corpi scaldanti In generale, il dimensionamento di un corpo scaldante si effettua mediante la seguente relazione: Q = K S (Tmedia - Ta) in cui: Q = potenza termica fornita dal corpo scaldante, anche detta resa termica, W; K = conduttanza unitaria globale o coefficiente globale di scambio termico tra il fluido termovettore e l'ambiente, W/m 2 K; S = area della superficie di scambio tra il fluido termovettore e l'ambiente, m 2 ; Tmedia = temperatura media del fluido termovettore, K; Ta = temperatura dell'aria in ambiente, K. Stante la difficoltà di valutare il coefficiente di scambio K, le case costruttrici spesso preferiscono riportare direttamente per ogni modello e taglia di corpo scaldante la relativa resa termica.

11 Descrizione dei corpi scaldanti più frequentemente utilizzati Radiatori I radiatori sono costituiti da elementi verticali uguali, tipicamente in ghisa, in lamiera d'acciaio o in lega di alluminio, che vengono assemblati tra loro, ed al cui interno scorre il fluido temovettore che, nella maggior parte dei casi, è acqua. Ciascun elemento può essere ad una o più colonne (ranghi), oppure può essere piano con o senza nervature. I radiatori sono collegati alle tubazioni di mandata e di ritorno mediante opportune valvole di intercettazione.

12 Descrizione dei corpi scaldanti più frequentemente utilizzati Radiatori Le prestazioni dei radiatori dipendono da molteplici fattori, tra i quali: il posizionamento; i valori delle temperature di mandata e di ritorno dell'acqua; la scelta della vernice di finitura ed il tipo di pittura; la differenza tra la temperatura media dell'acqua all'interno del corpo scaldante e l'ambiente. I radiatori in ghisa sono caratterizzati da una durata pressoché illimitata e da un'elevata inerzia termica. I radiatori in acciaio, disponibili anche in modelli più gradevoli dal punto di vista estetico, sono soggetti al pericolo della corrosione che ne limita la durata. I radiatori in alluminio, benché il loro impiego sia relativamente recente, sembrano avere non solo una buona resistenza alla corrosione, ma anche elevate rese termiche, con minore ingombro e minore inerzia termica.

13 Descrizione dei corpi scaldanti più frequentemente utilizzati Radiatori Posizionamento Il corretto posizionamento dei radiatori in ambiente dipende da molteplici aspetti, tra i quali: geometria del locale (planimetria ed altezza); rapporto tra le superfici vetrate ed opache; temperatura minima esterna; scelta della rete distributiva del calore (due tubi, monotubo); esigenze architettoniche e di arredo; fabbricato nuovo o esistente.

14 Descrizione dei corpi scaldanti più frequentemente utilizzati Radiatori E' buona norma collocare i radiatori sotto le finestre o lungo le pareti perimetrali per contrastare l'effetto delle correnti fredde e per ridurre al massimo la differenza di temperatura tra il soffitto ed il pavimento Nelle installazioni in edifici già esistenti può risultare necessario, posizionare i radiatori lungo le pareti interne.

15 Caratteristiche tecniche principali di un modello di radiatore a ranghi Tipo Descrizione dei corpi scaldanti più frequentemente utilizzati Radiatori Dimensioni A (mm) B (mm) C (mm) D (mm) Filettatura giunzioni q n (W) q ( T=50 C) ,3 56,2 1,31 0, ,6 68,9 1,32 0, ,3 1,33 0, ,5 77,1 1,29 0, ,2 1,28 0, ,28 0, ,32 0, ,31 1, ,30 0, ,34 1, ,34 1,32 (W) n c (l)

16 Descrizione dei corpi scaldanti più frequentemente utilizzati Piastre radianti Le principali caratteristiche coincidono con quelle dei radiatori. A differenza di questi le piastre radianti non sono costituite da elementi modulari, ma da un unico blocco, in genere in acciaio o talvolta in ghisa. Rispetto ai radiatori sono inoltre caratterizzate da un minore ingombro e da un minor contenuto d'acqua a parità di superficie radiante. sono adatte per impieghi quali scuole, palestre, ospedali, ed in tutti gli ambienti che richiedono la massima pulizia con un limitato ingombro. La resa termica è più contenuta, sempre rispetto ai radiatori, soprattutto per basse temperature dell'acqua; in compenso sono caratterizzate da costi limitati.

17 Descrizione dei corpi scaldanti più frequentemente utilizzati Pannelli radianti I pannelli radianti sono corpi scaldanti di elevata superficie di scambio, costituiti da ampie superfici del solaio, del pavimento o, più raramente, delle pareti laterali di un ambiente, che vengono opportunamente scaldate mediante serpentine di tubi di diametro da 1/2 ad 1 in cui viene fatto circolare il fluido termovettore (acqua). Il riscaldamento mediante pannelli radianti avviene prevalentemente mediante scambio termico per irraggiamento ed in parte per convezione. Lo scambio convettivo è favorito nel caso di pannelli a pavimento. Mediante tale sistema si ha un incremento della temperatura media radiante, per garantire le condizioni di benessere la temperatura dell aria può essere ridotta di 1 2 C rispetto agli altri casi. L impiego di pannelli radianti è particolarmente consigliato in ambienti di grande altezza (capannoni industriali, chiese, ecc.).

18 Descrizione dei corpi scaldanti più frequentemente utilizzati Pannelli radianti I materiali utilizzati per le serpentine sono l acciaio, il rame e più frequentemente i materiali plastici (polipropilene, polietilene e polietilene reticolato); con questi ultimi possono essere realizzati dei tubi sintetici flessibili caratterizzati da elevata resistenza alla corrosione e all invecchiamento. La resa termica di tali unità terminali dipende da: temperatura di ingresso dell acqua; temperatura di uscita dell acqua; temperatura dell aria; diametro e natura dei tubi; spessore e conduttività termica degli strati di ricoprimento dei tubi.

19 Descrizione dei corpi scaldanti più frequentemente utilizzati Pannelli radianti Nella maggior parte dei casi la temperatura di ingresso dell acqua è di circa 45 C, affinché la temperatura superficiale massima non superi i seguenti valori: C per pannelli a pavimento; C per pannelli a soffitto; C per pannelli a parete.

20 Descrizione dei corpi scaldanti più frequentemente utilizzati Pannelli radianti L esigenza di disporre di acqua a livelli termici medio bassi rende questi sistemi adatti ad essere accoppiati alle caldaie a condensazione od anche a fonti energetiche alternative, come pompe di calore ed impianti solari. Mediante il sistema di pannelli a pavimento la distribuzione di temperatura all interno dell ambiente risulta più uniforme rispetto ad altri sistemi; d altronde, poiché la temperatura del pavimento non può raggiungere valori elevati, può risultare necessaria la presenza di sistemi integrativi. In ogni caso l impiego dei pannelli radianti è particolarmente indicato in presenza di clima esterno poco variabile e di edifici dotati di elevata inerzia termica.

21 Descrizione dei corpi scaldanti più frequentemente utilizzati Pannelli radianti Quando il fluido termovettore è fornito da un sistema tradizionale e la sua temperatura è regolata da valvole miscelatrici, è consigliabile prevedere un termostato di sicurezza che arresti la circolazione del fluido in caso di temperature troppo elevate dovute a cattivo funzionamento. E necessario che al di sotto (nel caso di pannelli a pavimento) o al di sopra (nel caso di pannelli a soffitto) dello strato destinato ad alloggiare i tubi, venga disposto un opportuno strato di materiale coibente, in modo da limitare le dispersioni termiche verso gli ambienti confinanti e ridurre l inerzia termica del sistema. In ogni caso l impiego dei pannelli radianti è particolarmente indicato in presenza di clima esterno poco variabile e di edifici dotati di elevata inerzia termica.

22 Descrizione dei corpi scaldanti più frequentemente utilizzati Pannelli radianti

23 Descrizione dei corpi scaldanti più frequentemente utilizzati Strisce radianti Un particolare tipo di sistema appartenente alla famiglia dei pannelli radianti è quello delle strisce radianti, simili ai pannelli, ma di estensione più limitata, in genere sospese a soffitto, in cui il fluido termovettore (solitamente vapore d acqua o oli diatermici) è introdotto ad alte temperature (fino a 200 C), in modo da consentire scambi termici più efficaci. Le strisce radianti sono realizzate mediante una piastra sagomata di materiale ad elevata conduttività termica, in genere acciaio o alluminio, dello spessore di mm, che supporta le tubazioni in cui scorre il fluido termovettore. Questo sistema, caratterizzato da inerzia termica molto bassa, è particolarmente indicato per locali di grandi dimensioni, quali officine, capannoni industriali ed anche palestre, piscine, saloni, ecc.

24 Descrizione dei corpi scaldanti più frequentemente utilizzati Strisce radianti Le strisce radianti sono realizzate mediante una piastra sagomata di materiale ad elevata conduttività termica, in genere acciaio o alluminio, dello spessore di mm, che supporta le tubazioni in cui scorre il fluido termovettore.

25 Descrizione dei corpi scaldanti più frequentemente utilizzati Termoconvettori I termoconvettori, in cui lo scambio avviene essenzialmente per convezione, sono realizzati mediante batterie di scambio termico costituite da tubi alettati in cui scorre il fluido termovettore, in genere collocate in mobiletti metallici o in opportune nicchie in parete dotate di un pannello di chiusura frontale. La batteria alettata è alimentata di solito con acqua calda alla temperatura di C, talvolta con acqua surriscaldata. I materiali impiegati sono generalmente ferro e rame per i tubi, rame e bronzo per le testate collettrici, acciaio ed alluminio per le alette.

26 Descrizione dei corpi scaldanti più frequentemente utilizzati Termoconvettori I termoconvettori sono caratterizzati da una inerzia termica molto bassa rispetto ai radiatori ed alle piastre radianti e si prestano ad applicazioni di tipo civile, in particolare scuole, uffici, ecc. Sono adatti a qualunque sistema di termoregolazione. Per evitare l'insorgenza di problemi dovuti all'accumulo di polvere sulle alette (riduzione della resa termica), è necessario effettuare una frequente manutenzione.

27 Descrizione dei corpi scaldanti più frequentemente utilizzati Termoconvettori

28 Descrizione dei corpi scaldanti più frequentemente utilizzati Ventilconvettori I ventilconvettori sono anche detti fan-coil, dall inglese fan (ventilatore) e coil (batteria); sono simili ai termoconvettori, in quanto sono costituti da un mobiletto con due aperture per il passaggio dell'aria, contenente una batteria alettata ed un filtro, ma differiscono da essi per la presenza di un ventilatore dotato di regolatore di velocità a comando manuale (la selezione di una delle tre velocità minima, media e massima si effettua manualmente, mentre un eventuale regolazione automatica sul ventilatore è del tipo on-off. Rispetto ai corpi scaldanti tradizionali, le dimensioni di questi apparecchi sono molto ridotte, a parità di potenza termica fornita all'ambiente.

29 Descrizione dei corpi scaldanti più frequentemente utilizzati Ventilconvettori Nella scelta degli apparecchi occorre, pertanto, porre particolare attenzione al livello di rumorosità prodotto dai ventilatori: per contenere tale rumorosità sono particolarmente adatti i ventilconvettori dotati di ventilatore tangenziale. I ventilconvettori sono impiegati soprattutto negli impianti di climatizzazione, in quanto possono non solo riscaldare l'aria, ma anche raffreddarla e talvolta deumidificarla (per cui è necessaria una bacinella di raccolta dell acqua condensata. La loro installazione è consigliata in ambienti in cui è necessario il controllo automatico ed individuale della temperatura, al variare del carico termico.

30 Descrizione dei corpi scaldanti più frequentemente utilizzati Ventilconvettori In genere ai ventilconvettori è associato un sistema di ventilazione meccanica che consenta il ricambio dell aria (impianto ad aria primaria). Se tale ricambio è necessario ma non è possibile installare un impianto di aria primaria, si possono talvolta utilizzare, come alternativa di minor pregio, ventilconvettori dotati di presa di aria esterna. In sostanza un ventilconvettore è costituito da: batteria dell aria; filtro dell aria; ventilatore; bacinella di raccolta condensa (solo nel caso di funzionamento anche in regime di raffrescamento); custodia dell apparato.

31 Descrizione dei corpi scaldanti più frequentemente utilizzati Ventilconvettori

32 Descrizione dei corpi scaldanti più frequentemente utilizzati Ventilconvettori

33 Descrizione dei corpi scaldanti più frequentemente utilizzati Aerotermi Gli aerotermi, detti anche termoareatori, sono costituiti da un involucro che racchiude una batteria alettata in cui scorre il fluido termovettore (nella maggior parte dei casi acqua calda a bassa pressione), sulla quale viene fatta circolare una portata d aria prelevata dall ambiente, mediante un ventilatore elicoidale L aria, dopo essere stata riscaldata, viene immessa nuovamente in ambiente. I rendimenti massimi si ottengono se come fluido termovettore si impiega vapore a bassa pressione, sovente disponibile nelle industrie.

34 Descrizione dei corpi scaldanti più frequentemente utilizzati Aerotermi Gli aerotermi si distinguono in apparecchi a proiezione o lancio orizzontale (o a parete) ed apparecchi a proiezione o lancio verticale (o pensili). I primi, essendo il flusso d aria diretto orizzontalmente, sono adottati in ambienti di non elevata altezza, mentre i secondi sono indicati per ambienti in cui le altezze di installazione possono raggiungere anche i m, come ad esempio gli ambienti industriali. L altezza di montaggio ed il raggio d azione sono in genere forniti dalle ditte costruttrici; tali parametri dipendono strettamente dalla temperatura, velocità e portata del flusso d aria. Uno dei principali difetti degli aerotermi è la rumorosità, dovuta all impatto dei filetti fluidi d aria forzati dal ventilatore

35 Descrizione dei corpi scaldanti più frequentemente utilizzati Aerotermi Data la bassa inerzia del sistema e la possibilità di trattare notevoli portate d aria con un piccolo ingombro, tali apparecchi sono particolarmente indicati per il riscaldamento di locali molto ampi in cui è necessario installare un numero limitato di unità e che, a causa del funzionamento intermittente dell impianto, necessitano di una rapida messa a regime, quali officine, capannoni, palestre, saloni per esposizione, autorimesse, ecc. E importante effettuare con accuratezza la scelta della collocazione degli aerotermi in ambiente, al fine di orientare i getti in modo tale da ottenere una distribuzione uniforme della temperatura in ambiente e da non creare disagio agli occupanti investendoli con getti d aria calda. A tal fine gli aerotermi sono corredati di diffusori o di alette deflettrici orientabili.

36 Descrizione dei corpi scaldanti più frequentemente utilizzati: Aerotermi

37 Materiali impiegati per le tubazioni Le tubazioni utilizzate negli impianti di riscaldamento sono in acciaio ed in rame; oggi si vanno sempre più diffondendo tubazioni in materiale plastico, soprattutto per impianti autonomi. I tubi di rame, rispetto a quelli in acciaio, sono più costosi ma più adatti per l installazione sotto pavimento e, per diametri fino a 22 mm, più comodi da installare, giacché è disponibile il tipo flessibile già coibentato: per questi diametri le curve si fanno a mano e senza la necessità di pezzi speciali. Per tale ragione i tubi di rame si utilizzano per piccoli diametri, quindi per i tronchi secondari di tubazione (quelli più a ridosso dei corpi scaldanti), mentre i tubi in acciaio sono impiegati per i circuiti principali di distribuzione: un classico esempio di applicazione di tale logica è quello di un impianto a radiatori con rete di distribuzione dotata di collettori complanari, in cui le tubazioni principali fino ai collettori complanari sono in acciaio, mentre i successivi tratti sono in rame flessibile coibentato.

38 Materiali impiegati per le tubazioni Recentemente sono state proposte anche per gli impianti di riscaldamento tubazioni di materiale plastico, più comunemente usate per la distribuzione di acqua calda sanitaria e per gli scarichi (polipropilene PP, polietilene ad alta densità PEAD, cloruro di polivinile PVC). In particolare, per impianti di riscaldamento a bassa temperatura come quelli con serpentina a pavimento (pannelli radianti), si sta affermando l impiego di polietilene reticolato PE-X.

39 Compensazione delle dilatazioni termiche Affinché le dilatazioni dei tubi, dovute agli aumenti di temperatura, non comportino danni meccanici ai tubi stessi ed alle apparecchiature connesse, sono necessari compensatori di dilatazione lungo la rete. Le tubazioni sotto traccia vanno rivestite con materiali che permettano lo scorrimento dei tubi rispetto alla muratura, mentre i tratti di attraversamento di solai o di muri spessi vanno inseriti in tubi di guaina più larghi delle tubazioni. Per i tubi installati in vista bisogna prevedere delle staffe di sostegno che ne permettano la dilatazione; le colonne montanti vanno installate in cavedi ispezionabili.

40 Compensazione delle dilatazioni termiche

41 Dimensionamento delle tubazioni dell acqua I circuiti idraulici possono essere del tipo a ricircolo, nel senso che il fluido veicolato parte da un punto, attraversa una rete di tubazioni e ritorna al punto di partenza, o con acqua a perdere, detti anche ad acqua fluente, cioè non dotati di ritorno. Inoltre, i circuiti idraulici possono essere di tipo aperto o di tipo chiuso: nei primi l acqua viene in intimo contatto con l aria in almeno un punto del circuito, nei secondi ciò non avviene. Si osservi che la presenza di un vaso di espansione aperto non individua un circuito aperto giacché è limitata la superficie di contatto tra acqua e aria. I circuiti idraulici a servizio degli impianti di riscaldamento sono quasi sempre del tipo chiuso a ricircolo. Dato un certo circuito di tubazioni veicolanti acqua calda per un impianto di riscaldamento, la perdita di carico di tale circuito è somma delle perdite di carico distribuite e di quelle concentrate.

42 Dimensionamento delle tubazioni dell acqua Esaminate le modalità con cui valutare i vari parametri che entrano in gioco nel dimensionamento delle tubazioni, è necessario ricordare che tale dimensionamento va effettuato rispettando contemporaneamente i vincoli di seguito riportati: La velocità dell acqua nelle tubazioni non deve superare all incirca 1,5 m/s. Per velocità maggiori diventa significativa la rumorosità del fluido in moto ed aumentano troppo le perdite di carico. Sia le perdite distribuite che quelle concentrate aumentano con il quadrato della velocità del fluido, in quanto il coefficiente di attrito per flusso turbolento è, con buona approssimazione, funzione della sola scabrezza relativa del condotto).

43 Dimensionamento delle tubazioni dell acqua La velocità non deve scendere al di sotto di 0,5 m/s nelle tubazioni principali e di 0,3 m/s per le derivazioni ai terminali, per evitare di avere tubazioni di diametro troppo grande (il che comporterebbe un inutile aumento dei costi d impianto) e per consentire il trascinamento dell aria nelle tubazioni. Per le tubazioni principali la perdita di carico distribuita unitaria deve essere mediamente compresa nell intervallo Pa/m (20-35 mm c.a./m), mentre per i tronchi secondari e per le diramazioni ai corpi scaldanti è preferibile contenerne il valore nell intervallo Pa/m (10-35 mm c.a./m), pur essendo talvolta necessario arrivare anche a perdite di Pa/m (50-60 mm c.a./m) nei tronchi secondari per bilanciare i circuiti dal punto di vista idraulico (tale esigenza si comprenderà meglio più avanti, soprattutto nell esame dell esempio di applicazione).

44 Dimensionamento delle tubazioni dell acqua

45 Reti di distribuzione dell acqua ai corpi scaldanti Con riferimento ad impianti con circolazione forzata mediante pompa, una possibile classificazione degli schemi più utilizzati è la seguente: a) reti in cui i corpi scaldanti sono disposti in serie: a1) distribuzione monotubo b) reti in cui i corpi scaldanti sono disposti in parallelo (sistemi bitubo): b1) circuiti a ritorno diretto b1.1) distribuzione senza collettori complanari b1.2) distribuzione a collettori complanari b2) circuiti a ritorno inverso c) reti di distribuzione per impianti a pannelli radianti.

46 Reti di distribuzione dell acqua ai corpi scaldanti Distribuzione monotubo Per questo tipo di distribuzione i corpi scaldanti sono disposti in serie, nel senso che il fluido termovettore li attraversa uno dopo l'altro. Pertanto la portata è la stessa per tutti i corpi scaldanti, mentre la temperatura dell'acqua in ingresso diminuisce durante il percorso.

47 Reti di distribuzione dell acqua ai corpi scaldanti Reti in cui i corpi scaldanti sono disposti in parallelo (sistemi bitubo) I sistemi bitubo sono caratterizzati dalla presenza di due tubazioni separate per la mandata e per il ritorno dell'acqua: pertanto la temperatura d'ingresso è all'incirca la stessa per tutti i corpi scaldanti e quasi coincidente con quella all'uscita dalla caldaia.

48 Reti di distribuzione dell acqua ai corpi scaldanti Circuiti a ritorno diretto con collettori complanari

49 Reti di distribuzione dell acqua ai corpi scaldanti Circuiti a ritorno inverso Tale circuito si distingue da quello a ritorno diretto per il fatto che la lunghezza dell'intero percorso di mandata e ritorno relativo ad un corpo scaldante è uguale a quella del percorso relativo a qualsiasi altro corpo scaldante. Ciò garantisce un ottimo bilanciamento idraulico della rete, per quanto i costi d'impianto siano più elevati a causa di una maggiore quantità di tubazioni.

50 Reti di distribuzione dell acqua ai corpi scaldanti Distribuzione per impianti a pannelli radianti

51 Reti di distribuzione dell acqua ai corpi scaldanti Distribuzione in parallelo per impianti a pannelli radianti

52 ELEMENTI DI IMPIANTI TERMOTECNICI 80 p tot caduta di pressione totale ai capi della pompa di circolazione, (Pa), ρ massa volumica del fluido, (kg/m³), mɺ portata massica del fluido, (m/s), rendimento isoentropico di compressione della pompa. η p Essendo ρ per l acqua pari a 1000 kg/m³ (numero magico da ricordare sempre!) contro 1.27 kg/m³ dell aria si giustifica quanto sopra detto. Anche le dimensioni delle pompe sono inferiori rispetto alle soffianti per l aria. Inoltre la circolazione dell acqua, se la rete è stata correttamente progettata mantenendo le velocità del fluido basse (dell ordine di 1 2 m/s), è anche meno rumorosa della circolazione dell aria nei canali, soprattutto per effetto della non eccessiva rigidità dei canali rispetto a quella dei tubi in acciaio CORPI SCALDANTI Radiatori Sono gli elementi terminali più utilizzati e possono essere in ghisa, in alluminio o leghe di acciaio. Essi sono alimentati con acqua a temperatura di entrata C e di uscita di C. La loro selezione 28 deve tenere conto di vari criteri e fattori progettuali quali, la resa termica (solitamente certificata dal costruttore), l estetica, il costo, la durata, l affidabilità. Una cattiva abitudine che l ignoranza alimenta è quella di rendere le superfici dei radiatori speculari mediante vernici metalliche (ciò abbassa l emissività della superficie) o di racchiuderli in cassonetti con piccolissime fessure di aerazione o addirittura annegarli in vere e proprie nicchie murarie e murarli con pannelli trapuntati di stile arabeggiante: il riscaldamento ambientale non è più dovuto, in questi casi, a fatti fisici ma a fenomeni psicofisici. I radiatori vanno posti, per il miglior rendimento termico e per il miglior comfort ambientale, nelle pareti interne e non sotto le finestre come spesso viene fatto. La loro collocazione in pianta deve essere ben studiata in funzione dell arredamento, del senso di apertura delle porte e della disponibilità di allacciamento alla rete di distribuzione dell acqua calda. In ogni caso si tratta di elemento terminali di tecnologia diffusa, affidabili, economici e facilmente manutenzionabili. Le capacità di scambio termico dell acqua sono elevate e certamente superiori a quelle dell aria. Basti pensare che il coefficiente di convezione termica per l acqua risulta notevolmente più elevato rispetto a quello per l aria. Ne consegue che le superfici di scambio termico sono inferiori, a parità di potenza scambiata, rispetto a quelle per l aria. La relazione di scambio è, infatti: Q = K S T F [40] ml ove è: K trasmittanza termica di scambio fra fluido interno (acqua e quindi più elevato rispetto a quello corrispondente con l aria) e l aria ambiente, (W/m²K); S superficie di scambio termico, (m²); T differenza di temperatura media logaritmica fra le condizioni di ingresso e uscita del ml fluido primario e quella del fluido secondario, θ θ 1 2 Tml = con: θ =tf t 1 f, (K); 2 θ1 ln θ 2 28 Normalmente in fase di progetto dell impianto si selezionano i componenti dai cataloghi commerciali. Così avviene per i generatori di calore, per le pompe e le soffianti, per le tubazioni e per i terminali. Non è pensabile costruire un radiatore di superficie qualunque poiché avrebbe costi elevatissimi. Meglio selezionare i radiatori dai cataloghi commerciali dei vari fornitori. Questo fatto introduce tutta una serie di problemi per via della discretizzazione delle serie commerciali dei prodotti: se occorre un radiatore da 454 W occorre selezionare fra i due della serie commerciale disponibili di 400 e 500 W.

53 ELEMENTI DI IMPIANTI TERMOTECNICI 81 F fattore di configurazione per il tipo di scambiatore considerato (F=1 per scambiatori ideali in controcorrente). I valori di F sono dati dai manuali specializzati per le varie geometrie degli scambiatori di calore. A parità di tutto, se K è maggiore risulta S minore ed è quello che succede quando si utilizza l acqua come fluido primario, cioè fluido termovettore. La selezione dei corpi scaldanti viene effettuata mediante cataloghi commerciali a seconda delle tipologie disponibili. Queste sono: in ghisa in acciaio in alluminio Figura 62: Schema di collegamento di un terminale Di solito si pone lo scambio termico nella forma: n Q = C T CS ove si ha: - Tcs amb differenza di temperatura fra la T media del corpo scaldante e l aria ambiente; - C coefficiente di scambio termico; - n esponente che dipende dal corpo scaldante. L esponente n è fornito dai Costruttori dei corpi scaldanti con riferimento ad uno scambio nominale (EN 442) di 50 C fra corpo scaldante ed ambiente. Se, ad esempio, si ha una temperatura di mandata di 80 C e di ritorno di 60 C si ha una temperatura media del corpo scaldante di T media = (80+60)/2= 70 C. Pertanto la differenza di temperatura fra il corpo riscaldante e l ambiente (supposto a 20 C) è pari a T=70 20 = 50 C. In queste condizioni la potenza ceduto dal corpo scaldante è quella nominale. Nel caso in cui si abbia un T fra corpo scaldante ed ambiente diversa da 50 C (valore nominale) allora occorre apportare la correzione seguente: Q Nom cs amb 50 = QEff Treale per calcolare l effettiva potenza ceduta dal corpo scaldante. n

54 ELEMENTI DI IMPIANTI TERMOTECNICI 82 Tabella 18: Dati di libreria di radiatori commerciali Modello Resa T=50 EN442 [W] Tabella 19: Dati di libreria di fan coil commerciali n Cont. acqua [L] Prof. Alt. Inter. Lungh. Φ attacco [pollici] Massa [kg] TEMA ,288 0, ,40 TEMA ,287 0, ,90 TEMA ,3 0, ,00 TEMA ,295 0, ,70 TEMA ,295 0, ,80 TEMA ,3 0, ,30 TEMA ,3 0, ,8

55 ELEMENTI DI IMPIANTI TERMOTECNICI 83 TEMA ,305 0, ,5 TEMA , ,80 TEMA ,299 0, ,80 TEMA ,276 1, ,90 TEMA ,331 1, ,60 TEMA ,312 1, ,30 TEMA ,322 1, ,00 TEMA ,324 1, ,00 TEMA ,326 1, ,70 NEOCLASSIC ,295 0, ,65 NEOCLASSIC ,309 0, ,25 NEOCLASSIC ,345 0, ,89 NEOCLASSIC ,3 0, /4 8,30 NEOCLASSIC ,32 1, /4 10,80 Tabella 20: Esempio di dati per radiatori commerciali Così, ad esempio, se si alimenta un radiatore a 70 C e la temperatura di ritorno è 60 C risulta la T media = 65 C e quindi la T CS-amb = = 45 C. In base ai dati, ad esempio, si avrebbe per il TEMA (prima riga) n= ed una variazione di potenza ceduta pari a: Q Q Nom Eff = = E quindi Q Eff =Q Nom / In definitiva l avere ridotto il T fra radiatore e ambiente comporta una perdita del 14,5% di potenza termica ceduta. Ciò significa anche che occorre selezionare un corpo scaldante di maggiori dimensioni per ottenere la potenza nominale di 55 W/elemento. Oltre al comportamento del corpo scaldante occorre anche verificare che la portata che ad esso perviene sia quella di progetto e cioè che sia verificata la relazione: Tm + Tr Q = mc ɺ p ( Tm Tr ) = C Tcs amb = C Tamb 2 Figura 63: Esempio di installazione di un radiatore Ne consegue che non basta indicare, nel calcolo della rete di distribuzione, la sola T fra mandata e ritorno del fluido per avere la suddetta congruenza ma occorre anche verificare che T cs-amb sia quello desiderato (50 C nel caso di valore nominale) o che si sia scelto il corpo scaldante con superfice corretta per i valori effettivi di scambio.

56 ELEMENTI DI IMPIANTI TERMOTECNICI 84 Secondo la recente norma EN442 la potenzialità viene fornita con t=50 C. Valgono le relazioni e quant altro detto in precedenza per il calcolo della potenzialità nominale con salti termici diversi. In Figura 63 si ha un esempio di installazione di un radiatore (nel caso particolare in ghisa, modello TEMA Ideal Standard). Sono visibili i tubi di adduzione dell acqua calda, la valvola di sfiato aria (in alto) e la valvola di chiusura (in secondo piano sul lato opposto). In particolare nei moderni radiatori si hanno direttamente montate le valvole termostatiche per la regolazione ambientale. Figura 64: Valvola termostatica per radiatore e valvola di sfogo aria Nei radiatori sono anche montate le valvole automatiche di sfogo aria, come rappresentato in figura. Figura 65: dati caratteristici per radiatori in alluminio

57 ELEMENTI DI IMPIANTI TERMOTECNICI 85 In Figura 65 si hanno i dati caratteristici per radiatori in alluminio (rese termiche a 60 C e 50 C) e le curve per la correzione della resa termica al variare della differenza di temperatura di progetto. Pannelli Radianti In questi ultimi anni si stanno diffondendo gli impianti di riscaldamento e di raffrescamento a pannelli radianti. In pratica gli elementi terminali usuali vengono sostituiti da pannelli costruiti mediante tubazioni opportunamente inserite nei pavimenti in modo da formare un pannello radiante. Figura 66: Schema di posa dei pannelli radianti Le tubazioni utilizzate, usualmente in rame o in plastica incrudita, hanno geometrie ben determinate da esigenze di trasmissione del calore. Al di sotto delle tubazioni si pone uno spessore di isolante (variabile da 45 a 60 mm) per evitare che il calore fornito dai tubi si propaghi al di sotto del pavimento. Il dimensionamento dei pannelli radianti è complesso è regolato dalla norma EN 1264 e, recentemente, dalla UNI-CEN 130. In sintesi si procede così. Dal calcolo dei carichi termici dei singoli ambienti di un edificio si calcola il carico specifico per metro quadro di pavimento (W/m²) e si applica la relazione, indicata dalla UNI-CEN 130: ( ) max 8.92 p max a 1.1 q = t t [41] ove si ha: q max calore specifico massimo ceduto da un metro quadro di pavimenti, (W/m²); t pmax temperatura massima del pavimento, C; t a temperatura dell aria ambiente, C. La temperatura massima del pavimento dipende, ovviamente, dalle condizione di benessere ambientale e devono essere: t pmax =29 C per zone di normale residenza; t pmax =35 C per zone con residenza saltuaria. Figura 67: Schema tipo di montaggio di un pannello radiante Assumendo il valore di 29 C per residenze civili e sostituendo questo valore nella precedente relazione si ottiene la regola:

58 ELEMENTI DI IMPIANTI TERMOTECNICI 86 ( ) 1.1 qmax = = 100 W / m² [42] Pertanto, se si vuole mantenere le condizioni di comfort termico, la potenza specifica massima che un metro quadro di pavimento può cedere deve essere non superiore a 100 W/m². Da questa osservazione scaturisce la regola pratica che ogni m² di superficie destinata a pannello radiante cede 100 W/m². Le caratteristiche di un pannello radiante tipo sono qui brevemente riassunte: Tubazione Conducibilità: W/mK (tubo in plastica tipo Pex) Diametro interno 16.0 mm Diametro esterno 20.0 mm Interasse di posa 7.5 cm Massetto Conducibilità 1.0 W/mK Spessore sopra i tubi 4.5 cm Figura 68: Particolare di montaggio dei pannelli radianti Pavimento Non esistente (si considera come piano di calpestio quello del massetto) Per questo pannello tipo si ha la resa data dalla relazione: Q = 6.7 S t [43] tipo con: Q tipo calore emesso verso l alto dal pannello, W S superficie del pannello, m² t temperatura media logaritmica fra la temperatura del fluido e l aria ambiente data da: tm tr t = [44] tm t a ln tr ta con t m e t r temperature di mandata e di ritorno del fluido nel pannello radiante. Alla resa teorica data dalla precedente relazione si applicano opportuni fattori correttivi per ottenere la resa effettiva del pannello reale si deve tenere conto del tipo di tubo, della resistenza termica del pavimento, dello spessore di massetto sopra i tubi, del diametro esterno dei tubi. Tali fattori correttivi sono dati in manuali specializzati e dalle case costruttrici dei materiali di base.

59 ELEMENTI DI IMPIANTI TERMOTECNICI 87 I pannelli radianti risultano comodi nei casi in cui non si ha disponibilità di spazio per i radiatori o altre tipologie di terminali. In Figura 69 si ha un esempio di applicazione della tecnica a pannelli radianti in appartamenti per civile abitazioni. Si può osservare come per ogni ambiente si abbia un pannello costruito con tubazioni avvolte in modo da riempire uniformemente i pavimenti e pertanto a geometria variabile. L alimentazione dei singoli pannelli viene sempre effettuata tramite collettore complanare dotato di valvole di controllo della temperatura di uscita. I pannelli radianti sono spesso utilizzati in luoghi di particolare pregio quali i teatri, le chiese e in genere in tutti quei luoghi di difficile soddisfacimento con i terminali classici. In Figura 70 si ha un esempio di applicazione dei pannelli radianti in una chiesa. In questo caso occorre ristrutturare i pavimenti in modo da posare alla perfezione le tubazioni che formano i pannelli radianti. E possibile osservare come la geometria dei pavimenti possa essere bene seguita dall inviluppo delle tubazioni. I pannelli radianti possono essere utilizzati anche per il raffrescamento estivo inviando acqua refrigerata ad opportuna temperatura. E da ricordare, infatti, che le superfici fredde possono provocare fenomeni di condensa che avrebbero effetti deleteri sui pavimenti. Per un maggior controllo della distribuzione le tubazioni dei pannelli radianti si dipartono da collettori complanari e pertanto si possono intercettare singolarmente. Figura 69: Esempio di applicazione in civili abitazioni dei pannelli radianti

60 ELEMENTI DI IMPIANTI TERMOTECNICI 88 Figura 70: esempio di applicazione dei pannelli radianti in una chiesa Figura 71: Esempio di utilizzo dei collettori complanari per pannelli radianti Il massetto al di sopra delle tubazioni è di solito reso più fluido mediante speciali additivi. Si ottiene una massa più fluida che può riempire meglio gli spazi fra le tubazioni e formare una superficie più uniforme e compatta. I pannelli radianti sono caratterizzati da una notevole inerzia termica e pertanto la loro regolazione risulta difficoltosa per via dei tempi di intervento necessari. Di solito la regolazione viene fatta cercando di anticipare gli effetti termici. In genere questi impianti non accettano variazioni notevoli delle temperature. A causa dell inerzia termica si hanno tempi di avviamento e di spegnimento notevolmente lunghi (alcune ore) e pertanto gli impianti a pannelli radianti hanno funzionamento continuo con attenuazione notturna e messa a regime con aumento della temperatura anticipata di un paio d ore rispetto all ora di utilizzo degli ambienti.