FACOLTÁ DI INGEGNERIA E ARCHITETTURA

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1 UNIVERSITA DEGLI STUDI DI CAGLIARI FACOLTÁ DI INGEGNERIA E ARCHITETTURA Laurea Magistrale in Archite>ura L. I. di Modulo Impianti a.a RISCALDAMENTO Docente: Ing. ROBERTO RICCIU 1

2 RISCALDAMENTO: Introduzione 1. Tipologia e prestazioni; 2. Elementi costitutivi;

3 RISCALDAMENTO: Introduzione Trasmissione del calore Lo scambio di calore avviene attraverso i seguenti fenomeni: - per conduzione, ossia trasporto di energia attraverso materiali inerti; - per convezione, l energia termica viene trasportata da fluidi in movimento; - per irraggiamento in cui la trasmissione di calore avviene mediante onde elettromagnetiche che ciascun corpo a temperatura superiore di 0 K emette. 3

4 RISCALDAMENTO: Introduzione Parametri ambientali che influiscono sulla sensazione di benessere 1. Temperatura dell aria; 2. Temperatura media radiante; 3. Umidità relativa; 4. Velocità dell aria. 4

5 RISCALDAMENTO: Introduzione Lo scopo degli impianti è garantire all interno degli ambienti serviti adeguate condizioni termoigrometriche, consone alla destinazione d uso e all attività che vi si svolge. Tali impianti possono essere classificati come: 1. Impianti di riscaldamento: controllo della temperatura dell aria in condizioni invernali; 2. Impianti di climatizzazione: controllo della temperatura dell aria in condizioni invernali e estive; 3. Impianti di condizionamento: controllo di temperatura, umidità relativa, velocità e purezza dell aria in condizioni invernali e estive. 5

6 RISCALDAMENTO: Introduzione Impianto di riscaldamento Un impianto di riscaldamento è un sistema complesso di elementi e di apparecchiature atti a realizzare e mantenere la temperatura interna dell edificio superiore a quella esterna. Questo sistema svolge solamente la funzione di controllo della temperatura dell aria interna. Non esercita alcun controllo dell umidità relativa (che tende a diminuire all aumentare della temperatura dell aria), della temperatura radiante e della velocità dell aria. 6

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8 CLASSIFICAZIONE IN BASE ALL UTENZA SERVITA Autonomi : servono una sola unità abitativa. Centralizzati : servono più unità abitative, possono essere: - condominiali - per quartiere o comprensorio (es. teleriscaldamento) Gli impianti centralizzati comportano un rendimento globale più elevato rispetto a quelli autonomi. Di contro, presentano lo svantaggio che la regolazione non può essere effettuata in base alle esigenze specifiche di ogni singola utenza. Localizzati : servono un solo locale. 8

9 CLASSIFICAZIONE IN BASE AL FLUIDO TERMOVETTORE Aria : distribuita negli impianti di termoventilazione e di condizionamento. Acqua : distribuita a sua volta sotto diverse forme: - acqua calda a bassa pressione, fatta circolare a temperatura inferiore a quella di ebollizione alla pressione atmosferica; - acqua calda a pressione media o alta, in questo caso l acqua si trova sempre al di sotto del suo punto di ebollizione, ma a temperatura più elevata del caso precedente, grazie alla pressione più elevata del sistema; - vapore, l acqua ha temperatura superiore a quella di ebollizione, viene distribuita sotto forma di vapore e ritorna sotto forma di acqua condensata. Oli diatermici 9

10 CLASSIFICAZIONE IN BASE AL FLUIDO TERMOVETTORE Gli impianti ad acqua calda a pressione superiore a quella atmosferica e quelli a vapore, così come quelli con oli diatermici, richiedono una progettazione abbastanza complessa, redatta da tecnici specializzati; trattandosi di soluzioni di impiego non frequente, si evita in questa sede di approfondire l argomento. Mentre per la distribuzione dell aria si rimanda alla lezione relativa al condizionamento, si trattano qui gli impianti di riscaldamento ad acqua calda a bassa pressione. 10

11 CLASSIFICAZIONE IN BASE AL FLUIDO TERMOVETTORE Riscaldamento con impianti ad acqua calda a bassa pressione In questi impianti l acqua circola ad una temperatura in genere non superiore a 90 C e nelle unità terminali viene imposto un salto termico di C, variabile in funzione del tipo di elemento terminale e delle esigenze di benessere. L acqua calda viene generalmente distribuita nella rete per circolazione forzata, ottenuta mediante elettropompe centrifughe. Le soluzioni impiantistiche possono essere classificate attraverso la distinzione tra circuiti monotubo e circuiti bitubo. 11

12 CLASSIFICAZIONE IN BASE AL FLUIDO TERMOVETTORE Riscaldamento con impianti ad acqua calda a bassa pressione : circuiti monotubo I corpi scaldanti sono allacciati in serie, il ritorno di un elemento diventa la mandata per il successivo. SVANTAGGI: il raffreddamento dell acqua nel passaggio attraverso ogni unità terminale fa sì che i corpi scaldanti posti in successione nel circuito siano via via più freddi di quelli posti all inizio. 12

13 CLASSIFICAZIONE IN BASE AL FLUIDO TERMOVETTORE Riscaldamento con impianti ad acqua calda a bassa pressione : tipologie circuiti monotubo CIRCUITO MONOTUBO AD ANELLO Adatto per piccoli edifici monopiano; se il circuito è a circolazione forzata i corpi scaldanti possono essere posti alla stessa quota della caldaia. 13

14 CLASSIFICAZIONE IN BASE AL FLUIDO TERMOVETTORE Riscaldamento con impianti ad acqua calda a bassa pressione : tipologie circuiti monotubo CIRCUITO MONOTUBO A SCALA Adatto quando è possibile realizzare percorsi orizzontali sia in vista che incassati nei pavimenti dei locali. 14

15 CLASSIFICAZIONE IN BASE AL FLUIDO TERMOVETTORE Riscaldamento con impianti ad acqua calda a bassa pressione : tipologie circuiti monotubo CIRCUITO MONOTUBO A PIOGGIA Richiede che possano essere realizzati sia un collettore principale di distribuzione nella parte più alta del fabbricato che un collettore principale di raccolta nello scantinato. Si tratta di un circuito adatto per uffici, ospedali e altri edifici che abbiano locali corrispondenti a tutti i piani e pareti che possono essere attraversate dalle tubazioni verticali; ha il vantaggio di favorire la raccolta e lo svuotamento dell aria. 15

16 CLASSIFICAZIONE IN BASE AL FLUIDO TERMOVETTORE Riscaldamento con impianti ad acqua calda a bassa pressione : tipologie circuiti monotubo CIRCUITO MONOTUBO IN PARALLELO Simile al circuito a scala, viene impiegato quando non è possibile installare più tubazioni di ritorno verticali. 16

17 CLASSIFICAZIONE IN BASE AL FLUIDO TERMOVETTORE Riscaldamento con impianti ad acqua calda a bassa pressione : circuiti bitubo I corpi scaldanti sono allacciati in parallelo, ognuno di essi viene ad essere collegato direttamente con il generatore di calore. Il sistema bitubo richiede una quantità maggiore di tubazioni ma diametri minori. 17

18 CLASSIFICAZIONE IN BASE AL FLUIDO TERMOVETTORE Riscaldamento con impianti ad acqua calda a bassa pressione : tipologie circuiti bitubo CIRCUITO BITUBO IN PARALLELO Ancora simile al circuito a scala, ma dotato dei vantaggi del circuito bitubo. 18

19 CLASSIFICAZIONE IN BASE AL FLUIDO TERMOVETTORE Riscaldamento con impianti ad acqua calda a bassa pressione : tipologie circuiti bitubo CIRCUITO BITUBO CON MANDATA DAL BASSO Adatto per edifici dotati di piani posti ad altezze diverse, oppure per gruppi di edifici. Alla sommità di ogni tubazione di mandata deve essere posta una valvola automatica di scarico dell aria; il sistema viene impiegato spesso per il riscaldamento a pannelli radianti, sostituendo i radiatori con reti di tubazioni inglobate nel pavimento o nel soffitto. 19

20 CLASSIFICAZIONE IN BASE AL FLUIDO TERMOVETTORE Riscaldamento con impianti ad acqua calda a bassa pressione : tipologie circuiti bitubo CIRCUITO BITUBO CON RITORNO DALL ALTO Usato quando è impossibile installare un collettore principale di raccolta, questo sistema è molto adatto nei casi in cui si debba introdurre il riscaldamento in edifici esistenti dotati di un piano terra privo di piano scantinato. 20

21 CLASSIFICAZIONE IN BASE AL FLUIDO TERMOVETTORE Riscaldamento con impianti ad acqua calda a bassa pressione : tipologie circuiti bitubo CIRCUITO BITUBO A RITORNO INVERSO La caratteristica principale di questo sistema è la uguale distanza di ogni corpo scaldante dalla centrale termica, che provvede automaticamente al bilanciamento idraulico della rete. Si osservi infatti come la lunghezza del circuito relativo al corpo scaldante A sia uguale a quella del corpo scaldante B. 21

22 CLASSIFICAZIONE IN BASE AL FLUIDO TERMOVETTORE Riscaldamento con impianti ad acqua calda a bassa pressione : tipologie circuiti bitubo CIRCUITO BITUBO A PIOGGIA Adatto per edifici dove sia possibile installare un collettore principale di distribuzione nella parte più alta del fabbricato e un collettore principale di raccolta nello scantinato; il sistema consente lo svuotamento automatico dell aria. 22

23 CLASSIFICAZIONE IN BASE AL PRINCIPIO DI DIFFUSIONE DEL VAPORE Unità terminali Le unità terminali trasferiscono all ambiente l energia prodotta nella centrale e costituiscono il mezzo di interazione tra uomo, edificio ed impianti. In base al loro comportamento si possono distinguere: - corpi scaldanti a prevalente convezione naturale (radiatori, piastre radianti, termoconvettori ecc.); - corpi scaldanti a prevalente convezione forzata (aerotermi, ventilconvettori ecc.) - corpi scaldanti a prevalente scambio termico radiativo (pannelli radianti a pavimento, a soffitto, strisce radianti ecc.); 23

24 UNITÀ A PREVALENTE CONVEZIONE NATURALE Radiatori I radiatori sono unità terminali costituite da singoli elementi realizzati con tubi collegati in parallelo tra loro, entro cui scorre il fluido termovettore. I materiali maggiormente utilizzati sono la ghisa, l acciaio e l alluminio che hanno permesso la realizzazione di sezioni dei tubi dotate di alette esterne, aumentando la superficie del radiatore. Attraverso questa superficie il radiatore scambia calore con l aria ambiente, riscaldandola e costituendo uno scambiatore acqua-aria in cui prevale lo scambio termico convettivo, anche se vi è un contributo radiativo non trascurabile (20-30%). 24

25 UNITÀ A PREVALENTE CONVEZIONE NATURALE Riscaldamento a bassa temperatura In questi ultimi anni, ed in misura ancora più marcata dall entrata in vigore del Dlgs. 311/2006, le temperature di funzionamento (più correttamente le temperature di ritorno in caldaia) degli impianti di riscaldamento vanno via via abbassandosi. Si è passati infatti, da temperature di mandata/ritorno in caldaia di C con ΔT 60 K fino agli anni 90, a temperature di C con ΔT 50 K dalla seconda metà degli anni 90 in poi. Ultimamente il trend di riduzione delle temperature medie di funzionamento sta sempre più aumentando grazie alla diffusione di caldaie a condensazione, pompe di calore, pannelli solari. Di conseguenza è sempre più frequente il funzionamento degli impianti con temperature medie nell ordine dei 50 C o meno. I sistemi di riscaldamento a bassa temperatura che prevedono come unità terminali i radiatori, utilizzano elementi in alluminio molto sottile, a bassissima inerzia termica. 25

26 UNITÀ A PREVALENTE CONVEZIONE NATURALE Radiatori posizionamento ideale - Il posizionamento ottimale dei radiatori è in una rientranza della parete, o sotto una piccola mensola, in modo che la turbolenza dell aria venga aumentata nella zona sopra al radiatore stesso, aumentando così lo scambio termico, e le linee di flusso vengano piegate verso il centro della stanza. RADIATORE POSTO SOTTO IL DAVANZALE - Il radiatore sotto la finestra inoltre irradia verso il centro della stanza e la parete opposta, e produce un circolo d aria benefico. RADIATORE POSTOSULLA PARETE OPPOSTA ALLA FINESTRA 26

27 UNITÀ A PREVALENTE CONVEZIONE NATURALE Radiatori materiali : GHISA - I radiatori in ghisa, essendo facilmente componibili, si possono facilmente ampliare o ridurre aggiungendo o togliendo elementi. Inoltre non sono soggetti a corrosione e non fanno rumore mentre si dilatano. - Per contro sono fragili, pesanti e hanno minor resa termica, ovvero a parità di calore ceduto sono più ingombranti perché necessitano di una maggiore superficie di scambio. - Hanno inoltre un elevata inerzia termica che comporta un tempo maggiore di messa a regime della temperatura interna. 27

28 UNITÀ A PREVALENTE CONVEZIONE NATURALE Radiatori materiali : ACCIAIO - I radiatori in acciaio sono meno pesanti di quelli in ghisa e hanno un design che ne consente una facile adattabilità ambientale visti i vari colori, forme e finiture con cui sono costruiti. - Poiché sono venduti già assemblati e verniciati non risulta né agevolata né conveniente la riduzione o l aumento degli elementi. - Altro svantaggio è dato dal rischio di corrosione (soprattutto esterna). 28

29 UNITÀ A PREVALENTE CONVEZIONE NATURALE Radiatori materiali : ALLUMINIO - I radiatori in alluminio sono i più leggeri in assoluto, hanno minimi ingombri data l elevata resa termica unita a un costo contenuto. - La loro bassa inerzia termica gli consente di scaldarsi velocemente, ma di raffreddarsi altrettanto presto. - Presentano inoltre rischi di corrosione interna, specie in presenza di acqua eccessivamente addolcita. 29

30 UNITÀ A PREVALENTE CONVEZIONE NATURALE Termoconvettori I termoconvettori sono unità terminali a prevalente scambio termico convettivo, costituite da una batteria alettata di scambio termico, alloggiata in un contenitore di foggia tale da innescare un fenomeno di tiraggio naturale. 30

31 UNITÀ A PREVALENTE CONVEZIONE NATURALE Termoconvettori L aria entra attraverso aperture poste sul fondo o nella parte bassa del frontale dell apparato e lambisce la batteria riscaldata dal fluido termovettore, innalzando la sua temperatura rispetto a quella dell aria ambiente; al termine di tale riscaldamento l aria presenta una densità minore di quella dell ambiente e ciò consente l innesco di un moto ascensionale per differenza di densità, guidato dal contenitore, che funziona da camino. 31

32 UNITÀ A PREVALENTE CONVEZIONE NATURALE Termoconvettori - L alimentazione della batteria alettata viene realizzata di solito con acqua calda alla temperatura di ingresso di C, oppure con acqua surriscaldata. - Il termoconvettore è un corpo scaldante dall inerzia molto bassa, grazie al modesto contenuto d acqua, adatto, in linea teorica, a seguire variazioni anche rapide dei carichi termici. - Attualmente l impiego di tali elementi non è frequente, spesso sostituiti dai radiatori, meno ingombranti. - Per la posizione del corpo scaldante all interno dei locali vale quanto già visto per i radiatori. 32

33 UNITÀ A PREVALENTE CONVEZIONE NATURALE Piastre radianti - Le piastre radianti sono unità terminali costituite da piastre metalliche saldate fra di loro, in modo da costituire una rete di piccoli condotti entro cui viene fatto circolare il fluido termovettore, di solito acqua calda o più raramente vapore. - Lo scambio termico avviene prevalentemente per la convezione naturale prodotta dal riscaldamento dell aria che ne lambisce le pareti, innescando così una circolazione d aria nell ambiente. - Vengono installate a parete mediante staffe murarie. Per la loro facile pulibilità sono adatte all impiego negli ospedali o negli ambienti dove le esigenze di igiene sono più elevate. 33

34 UNITÀ A PREVALENTE CONVEZIONE NATURALE Tubi alettati - I tubi alettati sono unità terminali al cui interno scorre un fluido termovettore, dotati di alette che ne aumentano la superficie di scambio termico con l aria. - Possono essere alimentati con acqua calda a bassa pressione o a vapore. - Per fornire la potenza necessaria i tubi alettati richiedono grandi lunghezze; per questo motivo vengono poco impiegati nelle utenze civili, mentre si incontrano più di frequente nelle utenze industrialie per il riscaldamento di serre o ricoveri zootecnici. 34

35 UNITÀ A PREVALENTE CONVEZIONE FORZATA Ventilconvettori fan coils - I ventilconvettori sono unità terminali simili ai termoconvettori ma con l aggiunta di un ventilatore che, in questo caso, forza lo scambio termico dell aria sulla batteria alettata. - L aria viene riscaldata per convezione forzata e immessa nell ambiente. - Questo tipo di unità terminale consente di ottenere anche il raffrescamento estivo realizzato facendo circolare acqua refrigerata nella batteria alettata. 35

36 UNITÀ A PREVALENTE CONVEZIONE FORZATA Ventilconvettori - In genere i ventilconvettori sono predisposti per essere installati a terra, in posizione verticale, a ridosso delle pareti esterne, come i radiatori e i termoconvettori. La ripresa dell aria può avvenire dal fondo, oppure dal fronte dell apparato. - Esistono anche versioni predisposte per essere installate sospese al soffitto, in posizione orizzontale; in questo caso occorre prestare attenzione alla stratificazione dell aria, in quanto l aria calda lanciata verso il basso può non arrivare nella zona occupata dalle persone. INSTALLAZIONE A SOFFITTO CON RIPRESA DELL ARIA DAL FRONTE CON RIPRESA DELL ARIA DAL BASSO 36

37 UNITÀ A PREVALENTE CONVEZIONE FORZATA Ventilconvettori I ventilconvettori sono corpi scaldanti di inerzia termica modesta, il cui impiego è opportuno in edifici aventi la stessa caratteristica. Questo significa che i locali dotati di tali unità terminali possono essere portati molto rapidamente alla temperatura voluta, ma che altrettanto rapidamente tornano alla temperatura iniziale. Per questo i ventilconvettori si prestano molto bene a essere impiegati in edifici a occupazione limitata nel tempo nell arco della giornata, quali per esempio gli edifici per uffici e, più in generale, gli edifici aperti al pubblico. 37

38 UNITÀ A PREVALENTE CONVEZIONE FORZATA Mobiletti a induzione I mobiletti a induzione sono unità terminali in cui lo scambio termico tra aria ambiente e fluido termovettore avviene per convezione forzata su di una batteria alettata. L aria primaria, prodotta in un apposita centrale, viene portata ad alta velocità fino ai mobiletti e fatta effluire per mezzo di una serie di appositi ugelli. La loro particolare conformazione genera una depressione che richiama aria dall ambiente (fenomeno dell induzione) e la costringe ad attraversare la batteria di scambio termico, dove si riscalda o si raffresca, prima di essere miscelata con quella primaria. Viene poi lanciata nell ambiente attraverso una griglia posta sulla sommità del mobiletto. 38

39 UNITÀ A PREVALENTE CONVEZIONE FORZATA Aerotermi Gli aerotermi sono corpi scaldanti costituiti da una batteria alettata su cui un ventilatore elicoidale fa circolare una adeguata portata d aria prelevata dal locale da riscaldare. Poiché con dimensioni ridotte trattano grandi portate d aria, gli aerotermi vengono impiegati prevalentemente per il riscaldamento di locali molto ampi, quali palestre, magazzini e, più in generale, ambienti industriali. 39

40 UNITÀ A PREVALENTE CONVEZIONE FORZATA La rumorosità negli impianti a convezione forzata Il ventilatore è la sorgente di rumore più comune in un impianto di riscaldamento a convezione forzata. Normalmente la rumorosità aumenta alle portate d aria più elevate. Nella scelta di tali corpi scaldanti occorre prestare grande attenzione alle indicazioni fornite dai produttori sul livello di rumore generato. Il problema della rumorosità degli impianti verrà approfondito nella lezione dedicata al condizionamento. 40

41 UNITÀ A PREVALENTE SCAMBIO TERMICO RADIATIVO Lo scambio termico per irraggiamento offre alcuni vantaggi: - Il corpo umano cede circa il 35% del calore per irraggiamento, così il contributo alla sensazione di calore derivata dallo scambio termico radiativo è maggiore di quello dovuto alla convezione; - la distribuzione della temperatura è molto uniforme e il suo gradiente nella direzione verticale molto contenuto; - il riscaldamento per irraggiamento fornisce una sensazione di benessere a temperature dell aria inferiori e consente un risparmio nelle spese; - le correnti d aria e la polvere trascinata in circolo sono ridotte al minimo. 41

42 UNITÀ A PREVALENTE SCAMBIO TERMICO RADIATIVO Pannelli radianti Il riscaldamento a pannelli radianti viene realizzato riscaldando ampie superfici del pavimento, del solaio o, più raramente, delle pareti, fino a una temperatura superiore a quella dell ambiente. Ciò si ottiene disponendo le tubazioni, entro cui viene fatto circolare il fluido termovettore, al di sopra o direttamente dentro tali superfici. Lo scambio termico avviene per irraggiamento fra utenti e superfici circostanti dell ambiente. 42

43 UNITÀ A PREVALENTE SCAMBIO TERMICO RADIATIVO Pannelli radianti La soluzione più diffusa, perché presenta costi contenuti e minori difficoltà tecnologiche, è quella che vede le tubazioni inserite nelle strutture del pavimento. I materiali utilizzati per le tubazioni sono l acciaio, il rame e, sempre più di frequente, i materiali plastici. Di solito, sotto o sopra lo strato destinato ad alloggiare i tubi, viene posto uno strato consistente di isolante termico, al fine di evitare dispersioni di calore verso l esterno o verso locali diversi da quelli prefissati. A PAVIMENTO A PARETE A SOFFITTO 43

44 UNITÀ A PREVALENTE SCAMBIO TERMICO RADIATIVO Pannelli radianti La temperatura di ingresso del fluido termovettore, in questo caso quasi esclusivamente acqua, non deve superare i C. La necessità di mantenere l acqua a temperature medio-basse rende questa soluzione adatta a essere accoppiata anche a fonti energetiche alternative, quali impianti a pannelli solari o a pompa di calore. Una temperatura dell acqua troppo elevata produce fenomeni negativi, in particolare effetti sul benessere e sulla salute degli utenti, e pericolose sollecitazioni nelle strutture portanti dell edificio. Il salto termico fra ingresso e uscita viene contenuto di solito entro 4-8 C. La temperatura superficiale massima dovrà essere inferiore ai seguenti valori: - pannelli a pavimento, C; - pannelli a soffitto, C; - pannelli a parete, C. Questo sistema presenta un inerzia termica molto elevata. 44

45 UNITÀ A PREVALENTE SCAMBIO TERMICO RADIATIVO Strisce radianti Le strisce radianti sono simili ai pannelli ma di estensione ridotta, di solito da sospendere al soffitto, funzionanti sullo stesso principio ma a temperature più elevate. In essi il fluido termovettore può essere introdotto anche ad alta temperatura, fino a 200 C, rendendo possibile il ricorso a fluidi, quali il vapore d acqua e gli oli diatermici, che consentono scambi termici più efficaci. L inerzia termica di questa soluzione impiantistica è molto bassa. 45