Il calcolo della resa termica, dei sistemi radianti, secondo le nuove normative (Gianni Lungarini Direttore Tecnico Velta Italia)

Transcript

1 Il calcolo della resa termica, dei sistemi radianti, secondo le nuove normative (Gianni Lungarini Direttore Tecnico Velta Italia) Quadro normativo La prima norma che trattava il dimensionamento di sistemi radianti, denominata DIN 4725, è stata pubblicata in Germania nel 1992, riguardava esclusivamente i sistemi a per uso civile, con massetto in cemento, funzionanti in riscaldamento. Tale norma è poi divenuta uno standard europeo con la pubblicazione nel 1999 della norma EN 1264, recepita poi dalla UNI composta dalle parti 1, 2 e 3. Si è completata successivamente con la pubblicazione della parte 4, nel 2003, inerente la messa in opera dei sistemi e le prescrizioni relative ai materiali da impiegare. La grande diffusione che hanno avuto questi sistemi negli ultimi anni e la comparsa di sistemi radianti a parete e soffitto, nonché l utilizzo di impianti di attivazione termica della massa (TABS Thermo Active Buildings System), hanno richiesto una profonda revisione delle norme esistenti e la pubblicazione di nuovi standard che trattino anche queste possibilità. Il comitato tecnico CEN TC228 WG 5, nel 2008, ha pubblicato la nuova norma UNI EN composta da 3 parti e successivamente il comitato tecnico CEN TC130 WG 9 si è occupato della revisione della EN 1264 pubblicando una nuova versione delle parti 2, 3 e 4 e aggiungendo anche una nuova parte 5 inerente il funzionamento dei sistemi in raffrescamento. In dettaglio, allo stato attuale, le norme che regolano il dimensionamento e la posa in opera dei sistemi radianti sono: UNI EN Impianti di riscaldamento negli edifici - Progettazione degli impianti di riscaldamento e raffrescamento, alimentati ad acqua integrati in pavimenti, pareti e soffitti. parte 1 Determinazione della potenza termica di progetto per il riscaldamento e raffrescamento parte 2 Ritirata parte 3 Ottimizzazione per l utilizzo di fonti di energia rinnovabile UNI EN 1264 Sistemi radianti alimentati ad acqua per il riscaldamento e il raffrescamento integrati nelle strutture. parte 1 Definizioni e simboli parte 2 Riscaldamento a : metodi per determinazione della potenza termica mediante metodi di calcolo e prove parte 3 Dimensionamento parte 4 Installazione parte 5 Superfici per il riscaldamento e il raffrescamento integrate nei pavimenti, nei soffitti e nelle pareti determinazione della potenza termica

2 Il calcolo della resa termica specifica di un sistema radiante viene trattato, seppur in modo diverso in più parti delle 2 norme come è possibile notare dalla tabella A. Norma Regime Tipo Campo Stazionario Computazionale: Pavimento Caldo - Algoritmo semplificato Tipo A B C - D UNI EN UNI EN UNI EN UNI EN Tabella A Stazionario Caldo Stazionario Freddo Stazionario Caldo Stazionario Caldo/Freddo Non stazionario Caldo/Freddo Sperimentale: - Con scambiatori Computazionale: - Conversione calcolo parte 2 Computazionale: - Metodo delle resistenze termiche Computazionale: Software FEM o FDM Computazionale: Diagrammi, algoritmi e software Tutti Pavimento/parete/soffitto Tipo A B C - D Pavimento/parete/soffitto Tipo E F - G Tutti Attivazione termica della massa (TABS) Tralasciando il metodo sperimentale della e il calcolo dell energia scambiata dai sistemi ad attivazione termica della massa trattato nella parte 3 della per i sistemi radianti tradizionali si possono individuare 2 diverse logiche per determinare la resa termica specifica di un sistema: 1) Metodo di calcolo secondo UNI EN 1264 Il metodo di calcolo previsto nella parte 2 della norma viene definito come metodo semplificato perché presuppone che il sistema da calcolare corrisponda ad una delle 4 tipologie previste e rientri in una serie di condizioni prestabilite. Per ogni tipologia viene indicato un algoritmo che mette in relazione la resa termica specifica q (w/m 2 ) con la differenza di temperatura (scarto medio differenziale) fra acqua e ambiente Δθ H (K) secondo la relazione: q = K H * Δθ H dove K H () è definito come coefficiente caratteristico del sistema ed è un fattore dipendente dal tipo di sistema e da una serie di coefficienti che tengono conto di tutte le variabili in gioco quali: diametro, spessore e materiale della tubazione, interasse, spessore e conduttività del massetto, resistenza termica del rivestimento del ed efficacia di eventuali elementi conduttivi addizionali. 2) Metodo di calcolo secondo UNI EN Nella parte 1 della norma è previsto un metodo di calcolo generale per i vari sistemi radianti, infatti quando un sistema non rientra fra le tipologie previste dalla norma UNI EN 1264 l unica possibilità è ricorrere ad un calcolo mediante un software che utilizza il Metodo degli Elementi Finiti (FEM) o Metodo delle Differenze Finite (FDM). In questo modo è possibile determinare la resa di un qualsiasi sistema radiante, funzionante in riscaldamento o raffrescamento, con un qualsiasi orientamento (parete, soffitto o ) e con qualsiasi geometria. L unica limitazione riguarda i sistemi che presentano camere d aria nella stratigrafia dei quali non è possibile valutarne il funzionamento. I due metodi di calcolo, pur trattando il medesimo fenomeno hanno caratteristiche diverse, il sistema della UNI EN 1264 è semplice e può essere applicato senza particolari strumenti e conoscenze, inoltre risulta facile la valutazione di più varianti e condizioni per lo stesso sistema. Un limite è costituito dal fatto che il sistema da esaminare deve rientrare nelle tipologie e nei limiti di validità previsti.

3 Il metodo previsto dalla UNI EN richiede strumenti e conoscenze più complessi ma permette di valutare il funzionamento di un sistema qualsiasi nelle condizioni più disparate; sarà necessario però creare un modello per ogni variante da esaminare e di conseguenza rende più complessa la valutazione di molte varianti nei casi standard. Sistemi a confronto Può risultare interessante valutare le differenze dei risultati, impiegando i due diversi sistemi di calcolo, per gli stessi sistemi, al fine di valutarne la validità. Sono stati presi come campioni, i sistemi più diffusi attualmente in commercio, che si differenziano per il sistema di fissaggio della tubazione e per la posizione della stessa all interno del massetto o dello strato isolante. Sistemi presi in esame: 1 Sistema a rete rialzata che corrisponde al sistema Velta Calore (figura A) 2 Sistema Tucker (figura B) 3 Sistema presagomato che corrisponde al sistema Velta Multitec 3P 17 (figura C) 4 Sistema a basso spessore che corrisponde al sistema Velta Siccus (figura D) 1 Sistema a rete rialzata 2 Sistema Tucker Figura A Figura B 3 Sistema presagomato 4 Sistema a basso spessore Figura C Figura D

4 Per tutti i sistemi sono state ipotizzate caratteristiche geometriche e condizioni simili, in particolare per il calcolo secondo la norma 1264 i valori assunti sono: Interasse della tubazione 150 mm Spessore massetto sopra tubo 30 mm Conduttività massetto 1,20 w/mk Materiale tubazione Velta PE-Xa Conduttività tubazione 0,35 w/mk Diametro tubazione 17 x 2 mm (solo per 4 Sistema a basso spessore) 14 x 2 mm Oltre a questi dati, per il calcolo secondo 15377, dovendo simulare tutta la stratigrafia del sistema, sono stati assunti: Spessore isolamento sotto il tubo 30 mm Conduttività isolamento sotto il tubo 0,033 w/mk Spessore solaio 240 mm Conduttività media solaio 0,65 w/mk Spessore intonaco sotto il solaio 30 mm Conduttività intonaco 0,8 w/mk Temperatura ambiente sottostante e sovrastante 20 K Per ogni sistema sono stati calcolati i valori di K H () coefficiente caratteristico del sistema con 3 diversi valori di resistenza termica della pavimentazione: 0,05, 0,10 e 0,15 m 2 K/W. Tale valore rappresenta la resa termica specifica del sistema per ogni grado di differenza fra la temperatura ambiente e la temperatura media dell acqua (vedi Metodo di calcolo secondo UNI EN 1264 ). Calcolo secondo Per sapere quale algoritmo impiegare nel calcolo si deve individuare a quale tipologia di sistema, prevista dalla norma, appartengono i sistemi in esame. La tipologia A è definita come Sistemi con tubo all interno del massetto ed è rappresentata come in figura E. In questo tipo rientrano i sistemi 1 - a rete rialzata, 2 - tucker e 3 - presagomato perché in tutti questi casi il tubo è all interno del massetto. La tipologia B invece è definita come Sistemi con tubo sotto il massetto ed è rappresentata come in figura F. In questa tipologia rientra il sistema 4 a basso spessore. Figura E Figura F

5 Risultati calcolo semplificato secondo UNI EN 1264 Per ogni sistema sono indicati (in tabella) i valori di K H calcolati e la curva caratteristica corrispondente. 1 - Sistema a rete rialzata Curva caratteristica 180,0 0,05 4,4954 0,10 3,5720 0,15 2,9826 Resa termica (W/mq) 160,0 0,05 140,0 0,10 120,0 0,15 100,0 80,0 60,0 40,0 20,0 0, Sovratemperatura ( C) 2 - Sistema tucker 180,0 Curva caratteristica 0,05 4,4954 0,10 3,5720 0,15 2,9826 Resa termica (W/mq) 160,0 0,05 140,0 0,10 120,0 0,15 100,0 80,0 60,0 40,0 20,0 0, Sovratemperatura ( C) 3 - Sistema presagomato Curva caratteristica 180,0 0,05 4,4057 0,10 3,5159 0,15 2,9441 Resa termica (W/mq) 160,0 0,05 140,0 0,10 120,0 0,15 100,0 80,0 60,0 40,0 20,0 0, Sovratemperatura ( C)

6 4 - Sistema a basso spessore Curva caratteristica 180,0 0,05 4,6940 0,10 3,6800 0,15 3,0250 Resa termica (W/mq) 160,0 0,05 140,0 0,10 120,0 0,15 100,0 80,0 60,0 40,0 20,0 0, Sovratemperatura ( C) Nella tabella sottostante sono riepilogati i valori dei quattro sistemi e viene esposta la differenza percentuale (Δ%) di resa rispetto al sistema 1 a rete rialzata preso come paragone. Resistenza termica Sistema 0,05 0,10 0,15 K H () Δ% K H () Δ% K H () Δ% 1 - rete rialzata 4,4954-3,5720-2, tucker 4, % 3, % 2, % 3 - presagomato 4, % 3, % 2, % 4 - basso spessore 4, % 3, % 3, % Come è possibile notare i sistemi 1 e 2 hanno lo stesso valore, perché l algoritmo di calcolo dei sistemi tipo A prende in considerazione solo quanto sta al di sopra della tubazione e quindi i due sistemi, per il metodo proposto dalla UNI 1264 sono equivalenti. Il sistema 3 - presagomato ha una resa K H () leggermente inferiore perché, per i sistemi che 5 hanno degli inserti di isolante nel massetto, la norma 1264 prevede di considerare una conduttività del massetto ridotta a 4,5 compensazione di tale caratteristica. E chiaro che un tale metodo aggiusta il 4 valore, ma senza considerare effettivamente il diverso scambio termico fra tubazione e 3,5 massetto a causa del contatto tra le pareti del tubo e l isolamento (sotto e sui fianchi in prossimità dell inserto). 3 Le differenze sono evidenziate nel diagramma. 2,5 1 Rete rialzata 2 Tucker Sistemi 3 Presagomato 4 Basso spessore 0,05 0,10 0,15 Resistenza ()

7 Calcolo software FDM secondo Per effettuare il calcolo con il Metodo delle Differenze Finite (FDM) ci si è avvalsi del software Heat 2 versione 7.0 creato da Blocon, azienda specializzata in questo settore. Per ogni caso è stato creato un modello geometrico (vedi figura G), sono state definite le caratteristiche termiche dei vari materiali (vedi figura H) e le condizioni al contorno. E stato poi avviato il calcolo che fornisce i dati di resa termica scambiata e la rappresentazione grafica della distribuzione delle temperature all interno della sezione (vedi figura I). Figura G Figura H Figura I Risultati calcolo FDM secondo UNI EN Per ogni sistema sono indicati (in tabella) i valori di K H calcolati e le immagini della distribuzione della temperatura all interno della sezione. 1 - Sistema a rete rialzata 0,05 4,4168 0,10 3,5942 0,15 3,0297

8 2 - Sistema tucker 0,05 4,1536 0,10 3,4121 0,15 2, Sistema presagomato In questo caso la sezione del sistema non è costante perché per alcuni tratti la tubazione è aderente su un fianco alle colonnette dell isolante (vedi figura L sezione B-B) mentre in altri tratti è libera (vedi figura L sezione A-A). Sezione A-A Figura L Sezione B-B Pertanto per poter determinare la resa del sistema si è provveduto a calcolarla separatamente per le due sezioni e poi si è fatta una media ponderale sulla lunghezza della sezione: K H = K H(A-A) * (L TOT / L A-A ) + K H(A-A) * (L TOT / L B-B ) Dove: K H(A-A) è il valore di K H per la sezione A-A K H(B-B) è il valore di K H per la sezione B-B L TOT è la lunghezza complessiva della sezione pari a 50 mm L A-A è la lunghezza della sezione A-A pari a 15 mm L B-B è la lunghezza della sezione B-B pari a 35 mm

9 0,05 3,7813 0,10 3,1478 0,15 2, Sistema a basso spessore 0,05 4,5580 0,10 3,6892 0,15 3,0992

10 Nella tabella sottostante sono riepilogati i valori dei quattro sistemi e viene esposta la differenza percentuale di resa rispetto al sistema 1 a rete rialzata preso come paragone. Resistenza termica Sistema 0,05 0,10 0,15 K H () Δ% K H () Δ% K H () Δ% 1 - rete rialzata 4,4168-3,5942-3, tucker 4,1536-6,0% 3,4121-5,1% 2,8965-4,4% 3 - presagomato 3, % 3, % 2, % 4 - basso spessore 4, ,2% 3, % 3, % In questo caso appaiono molto più marcate le differenze di resa fra i vari sistemi, come evidenziato anche nel grafico, il 2 sistema tucker che prima rendeva quanto il sistema 1 a rete rialzata, a causa del contatto della tubazione con l isolante nella parte inferiore perde mediamente un 5%. Il sistema 3 presagomato che secondo il calcolo della 1264 rendeva poco meno, con questa valutazione ha una resa inferiore anche del 14% con rivestimenti del poco isolanti. Al contrario il sistema a basso spessore presenta una resa leggermente superiore come già calcolato precedentemente. Dall esame dell andamento delle temperature all interno della sezioni si può K H () 5 4,5 4 3,5 3 2,5 1 Rete rialzata 2 Tucker Sistemi 3 Presagomato 4 Basso spessore 0,05 0,10 0,15 Resistenza () notare che la parte di tubazione a contatto con l isolamento non contribuisce allo scambio termico penalizzando di fatto la resa a parità di temperatura del fluido termovettore. E evidente anche l importanza degli elementi conduttivi addizionali nei sistemi a basso spessore che provvedono alla diffusione del calore avvolgendo la tubazione che si trova altrimenti annegata nell isolamento. Raffronto Se confrontiamo i valori calcolati con i due metodi di calcolo (vedi tabella B) si possono fare alcune considerazioni. Mentre per i sistemi 1 e 4 i due metodi portano a risultati molto simili, per i sistemi 2 e 3 le differenze sono evidenti. Tale discrepanza nei risultati è dovuta al fatto che il sistema 1 e 4 aderiscono perfettamente al tipo di sistema previsto dalla norma 1264 e quindi anche il relativo calcolo semplificato risulta corretto, i sistemi 2 e 3 invece pur rientrando nella tipologia A, hanno una costruzione diversa che influenza negativamente lo scambio termico. Anche con le dovute correzioni previste, i valori calcolati non rappresentano effettivamente il diverso scambio termico rispetto al sistema 1. Al contrario con il Metodo delle Differenze Finite si riescono a valutare tutti gli aspetti della costruzione e la loro influenza sullo scambio termico.

11 Sistema 1 - rete rialzata 2 - tucker 3 - presagomato 4 basso spessore Tabella B Resistenza termica () K H secondo UNI EN 1264 () K H secondo UNI EN () Differenza 0,05 4,4954 4,4168-1,7% 0,10 3,5720 3, ,6% 0,15 2,9826 3, ,6% 0,05 4,4954 4,1536-7,6% 0,10 3,5720 3,4121-4,5% 0,15 2,9826 2,8965-2,9% 0,05 4,4057 3, ,2% 0,10 3,5159 3, ,5% 0,15 2,9441 2,6981-8,4% 0,05 4,6940 4,5580-2,9% 0,10 3,6800 3, ,2% 0,15 3,0250 3, % Conclusioni Metodi di calcolo Il quadro normativo fornisce strumenti diversi per il calcolo delle rese termiche di un sistema radiante che non sempre forniscono risultati uguali, il metodo semplificato proposto nella 1264 consente un calcolo più semplice e flessibile, anche per questo viene impiegato nei programmi di dimensionamento. Più il sistema si discosta dalla tipologia indicata nella norma, maggiori sono le differenze rispetto al calcolo previsto nella 15377, che è più complesso ma consente di valutare in modo più preciso le differenze fra sistemi diversi. Rese termiche Alla luce di quanto emerso la scelta di un sistema deve quindi considerare anche le diverse rese termiche che è in grado di garantire, oltre all affidabilità dei materiali impiegati, la facilità e la flessibilità di posa nonché tutti gli altri fattori da considerare. Appare chiaro che un sistema come 1 a rete rialzata fornisce, rispetto ad altri metodi di ancoraggio della tubazione una resa termica sensibilmente maggiore a parità di temperatura media dell acqua o rispettivamente consente di ottenere la resa termica richiesta con temperature del fluido inferiori. La prima caratteristica può essere sfruttata quando i valori di potenza richiesta sono elevati o la temperatura del fluido è limitata, la seconda permette di avere maggiori rendimenti del generatore di calore, in particolare quando si tratta di pompe di calore dove qualche grado di temperatura in meno dell acqua, significa un miglioramento del C.O.P. invernale. Gli stessi concetti valgono, nella stessa misura, anche per il raffrescamento estivo.

12 Per meglio dare idea delle differenze, a titolo di esempio, considerando i valori ottenuti con la norma 15377, nel diagramma A è possibile vedere i diversi valori di resa termica ottenibili con acqua a temperatura media di 45 C con i vari sistemi e nel diagramma B le diverse temperature medie dell acqua necessarie ad ottenere una resa termica specifica di 90 w/m 2. Resa termica con temperatura media 45 C 120,0 100,0 Resa specifica (w/mq) 80,0 60,0 40,0 1 Rete rialzata 2 Tucker 3 Presagomato 4 Basso spessore 20,0 0,0 Grafico A 0,05 0,10 0,15 Resistenza termica (mqk/w) Temperatura acqua per ottenere 90 w/mq 60,0 50,0 Temperatura (K) 40,0 30,0 20,0 1 Rete rialzata 2 Tucker 3 Presagomato 4 Basso spessore 10,0 0,0 Grafico B 0,05 0,10 0,15 Resistenza termica (mqk/w)