Sistemi radianti TABS: attivazione termica della massa

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1 Ing. Clara Peretti Libera professionista, Segretario Generale Consorzio Q-RAD Agosto 2017 Applicazioni TABS (Fonte: Rehau - a sinistra e Uponor - a destra) Introduzione I sistemi con solai termoattivi (o ad attivazione termica della massa) sono generalmente definiti TABS (Thermo-Active Building Systems) e rappresentano uno standard nel mercato dell Europa centrale per il raffrescamento e il riscaldamento degli ambienti. Sono sistemi in utilizzo da diversi anni, tuttavia la loro applicazione è più diffusa nel nord Europa che in Italia. Tale tecnologia, utilizzata per il raffrescamento e il riscaldamento degli edifici si sta diffondendo in Europa centrale, principalmente Germania, Austria, Svizzera e Olanda. Il nome TABS - Thermo-Active Building Systems descrive la principale caratteristica di funzionamento: sono infatti sistemi radianti che sfruttano l inerzia termica della struttura edilizia. Le prime applicazioni di sistemi TABS risalgono ai primi anni novanta in Svizzera; l elevata inerzia termica caratterizzante i solai di calcestruzzo interposti tra un piano e l altro veniva sfruttata al fine di provvedere sia al raffrescamento che al riscaldamento di edifici multipiano, generalmente del terziario. Esempi di edifici nei quali sono installati i TABS sono le biblioteche, università e scuole, edifici per uffici e, in generale, edifici con medesime destinazioni d uso nei diversi piani.

2 Le tipologie di TABS Diverse sono le tipologie di TABS, alcune di queste sono descritte a livello normativo, alcune sono tipologie disponibili in commercio altre infine sono sistemi adattati a tipologie costruttive particolari. Di seguito queste vengono descritte. La prima tipologia riportata nella norma UNI EN ISO consiste nell alloggiamento delle tubazioni all interno del solaio in calcestruzzo armato (Figura 1). Le superfici attive sono due: il soffitto e il pavimento. Legenda 1 alcestruzzo 2 calcestruzzo rinforzato Regione conduttiva: Materiale 1 e Materiale 2 Numero di superfici attive: 2 Figura 1. Tipologia 1 TABS (Fonte: UNI EN ISO ) Nella seconda tipologia riportata nelle norma UNI EN ISO le tubazioni sono inserito nel calcestruzzo armato sopra il quale vi è un intercapedine di aria. La strato superiore è costituito da legno (Figura 2). In questo caso la superficie attiva è solamente una, ovvero il soffitto dell ambiente sottostante il solaio termoattivo. Legenda 1 legno 2 aria 3 calcestruzzo rinforzato Regione conduttiva: 3 Materiali Numero di superfici attive: 1 Figura 2. Tipologia 2 TABS (Fonte: UNI EN ISO )

3 Nella terza tipologia secondo UNI EN ISO vi è un ulteriore strato costituito da un materiale isolante. Anche in questo caso la superficie attiva è una sola. Legenda 1 legno 2 calcestruzzo 3 lana di vetro 4 calcestruzzo rinforzato Regione conduttiva: 4 Materiali Numero di superfici attive: 1 Figura 3. Tipologia 3 TABS (Fonte: UNI EN ISO ) Tra i sistemi proposti a livello europeo vi sono diverse tipologie. Queste sono descritte di seguito. del solaio (soletta in calcestruzzo armata), copertura con massetto e pavimentazione (Fonte: Rehau). del solaio (soletta in calcestruzzo armata) (Fonte: Uponor). del solaio (soletta in calcestruzzo armata), pavimentazione sopraelevata (Fonte: Rehau).

4 del solaio (soletta in calcestruzzo armata), isolamento acustico (3 cm), massetto e pavimentazione (Fonte: Rehau). - bassa del solaio (soletta in calcestruzzo armata), isolamento acustico (3 cm), massetto e pavimentazione (Fonte: Rehau). TABS con tubazioni inserite nella parte bassa del solaio (soletta in calcestruzzo armata), isolamento acustico (3 cm), massetto e pavimentazione (Fonte: Rehau). -bassa del solaio (soletta in calcestruzzo armata), (Fonte: Uponor). TABS con tubazioni inserite nella lastre predalle. Tra un traliccio e l altro viene collocata la tubazione, sulla quale viene poi sovrapposto il materiale isolante di alleggerimento. Il sistema viene poi coperto da una gettata di calcestruzzo. TABS composto da una lamiera grecata sopra la quale viene collocata una rete elettrosaldata. A quest ultima sono poi vincolate tramite clips le tubazioni in materiale plastico.

5 Il funzionamento dei TABS Come descritto nel paragrafo precedente, il circuito radiante, realizzato in tubazioni in materiali plastico, viene alloggiato al centro della struttura, nel cuore del solaio, così da sfruttarne l intero volume per accumulare energia. In tal modo, l intera struttura del solaio diviene un terminale d impianto caratterizzato da elevata capacità termica e quindi in grado di accumulare energia frigorifera (in regime estivo) o termica (in funzionamento invernale), per poi rilasciarla in modo graduale e autoregolante nell arco della giornata, permettendo una leggera fluttuazione delle grandezze interne di benessere (principalmente temperatura dell aria e temperatura media radiante), rimanendo all interno del campo di comfort termico. Nell immagine in Figura 4 è riportata la distribuzione delle temperature in un TABS in una simulazione agli elementi finiti. Il trasferimento di calore non è lineare, in quanto la prestazione del sistema (in particolare la sua prontezza nel rispondere alle sollecitazioni termiche esterne) dipende in modo particolare dall inerzia termica del sistema stesso. La capacità termica del sistema permette di sfruttare il solaio come un serbatoio termico e quindi di accumulare energia con acqua a temperature di mandata vicine alla temperatura di comfort, consentendo in modo vantaggioso lo sfruttamento di fonti energetiche rinnovabili e l utilizzo di macchine ad elevata efficienza di produzione, quali le pompe di calore geotermiche. Tuttavia, la presenza di inerzia termica tra il circuito e la stanza implica una maggiore complessità della fase progettuale. Il trasferimento di calore viene fortemente influenzato dagli spessori di solaio posti sopra e sotto il piano tubi, nonché dalla presenza o meno di strati isolanti al di sopra o al disotto del solaio. A livello intuitivo, si può pensare che il flusso di energia termica (sia essa frigorifera o meno) interessi dapprima la regione circostante i tubi, per poi estendersi coinvolgendo il resto della parte strutturale del solaio, fino a raggiungere le superfici del solaio stesso, cioè il soffitto ed eventualmente il pavimento, e da qui l ambiente. Il tempo che un sistema impiega per raggiungere le temperature di set-point varia in funzione della stratigrafia, ma generalmente risulta intorno alle 12 ore. Figura 4. Simulazione agli elementi finiti di un TABS (Fonte: De Carli et al.) Il dimensionamento dei TABS Nel dimensionamento dei classici impianti di raffrescamento ad aria, la potenza frigorifera viene calcolata effettuando una simulazione sulla giornata di progetto estivo, considerando i carichi interni dovuti a persone e apparecchiature elettriche, nonché i carichi solari e il clima esterno. Nel caso di sistemi a bassa inerzia termica, quali gli impianti convettivi e i sistemi radianti a basso spessore, il carico cui il sistema deve far fronte corrisponde alla potenza frigorifera necessaria a mantenere una temperatura operativa interna alla stanza pari, per esempio, a 26 C nel momento di massimo fabbisogno frigorifero. Nei sistemi ad, invece, l inerzia termica del solaio attenua il carico frigorifero delle macchine refrigeranti e ne ritarda il picco (fenomeno di peak shaving) - Figura 5. Di conseguenza, si rende necessario un diverso approccio nella progettazione del dimensionamento di sistemi con solaio termoattivo.

6 Figura 5. Esempio dell effetto di attenuazione del picco di carico (Fonte: De Carli et al.) La norma sui TABS: UNI EN ISO La progettazione di sistemi radianti con solai termoattivi è laboriosa poiché, a causa dell elevata capacità termica del solaio, bisogna ricorrere a simulazioni termiche dinamiche con codici di calcolo dedicati. E importante sottolineare che proprio l elevata inerzia termica ne determina i principali vantaggi, primi fra tutti l attenuazione dei picchi di carico rispetto a un sistema convettivo tradizionale e il conseguente ricorso a chiller di taglie limitate. Per il dimensionamento dei TABS non risulta sufficiente il calcolo dei soli carichi termici, in quanto il loro profilo non corrisponde al profilo di carico che deve essere asportato dalla macchina refrigerante. Per un corretto dimensionamento si può ricorrere ai codici per la simulazione dettagliata del complesso edificio-impianto. Tuttavia, tali codici, che risultano spesso complessi, sono piuttosto costosi e richiedono tempo. La norma UNI EN ISO propone quattro metodi di calcolo semplificato, di precisione crescente. Questi sono di seguito descritti. Metodo di dimensionamento grossolano, basato su un calcolo standard del carico di raffrescamento (errore: 20 30%). Da utilizzare a partire dalla conoscenza dei apporti giornalieri di calore nell ambiente. Metodo semplificato che utilizza diagrammi per il dimensionamento, sulla base della conoscenza dell energia totale da asportare quotidianamente per garantire condizioni di comfort (errore: 15 20%). Modello semplificato basato sul metodo alle differenze finite (FDM) (errore: 10 15%). Consiste in simulazioni dinamiche dettagliate che determinano i trasferimenti di calore nel solaio e nell ambiente tramite FDM. Basato sulla conoscenza dei valori dei carichi variabili di raffrescamento dell ambiente durante ogni ora del giorno. Modelli di simulazione dettagliati (errore: 6 10%). Consiste in un modello complessivo di simulazione dinamica del sistema radiante e dell ambiente attraverso un software di simulazione dettagliato del sistema edificio. Riferimenti UNI EN ISO Progettazione dell ambiente costruito - Progettazione, dimensionamento, installazione e controllo dei sistemi di riscaldamento e raffreddamento radianti integrati Parte 4: Dimensionamento e calcolo della potenza dinamica di riscaldamento e raffrescamento dei sistemi termo-attivi dell edificio (TABS) De Carli M, Peretti C Impianti radianti a bassa differenza di temperatura. Approfondimenti per l installazione. EdicomEdizioni ISBN: UNI EN ISO 7730:2006. Ergonomia degli ambienti termici - Determinazione analitica e interpretazione del benessere termico mediante il calcolo degli indici PMV e PPD e dei criteri di benessere termico locale. M. De Carli, M. Koschenz, B. Olesen, M. Scarpa Valutazione delle prestazioni termiche di sistemi con solai termoattivi in regime non stazionario. 46 Convegno Internazionale AICARR, Milano, Marzo 2008.