I componenti degli impianti di condizionamento e riscaldamento

Laboratorio Integrato di Progettazione Tecnica e Strutturale - IMPIANTI TECNICI (prof. Andrea Frattolillo) I componenti degli impianti di condizionamento e riscaldamento (parte 2) Prof. A. Frattolillo andrea.frattolillo@unica.it

I componenti dei sistemi radianti Il pannello isolante Il pannello isolante viene posato sul pavimento grezzo, con spessore a scelta e duplice funzione: isolante termico base per fissaggio tubi L utilizzo del pannello sagomato o liscio dipende da aspetti tecnici legati alla struttura edilizia (tipo solaio, spazio a disposizione per l impianto, dispersioni, tipo di massetto, tipo di ambiente da riscaldare). Nella posa di pannelli a contatto con solai comunicanti con vani soggetti ad umidità elevate, è opportuno posare sotto il pannello un foglio di polietilene.

I componenti dei sistemi radianti

I componenti dei sistemi radianti

I componenti dei sistemi radianti Il pannello isolante La scelta del materassino isolante deriva da un compromesso tra isolamento termico, acustico e dal carico che si prevede gravare sul pavimento. In campo civile i materassini isolanti proposti sopportano tranquillamente le sollecitazioni previste dalla normativa; in campo industriale vanno scelti accuratamente in funzione della destinazione d uso dell impianto. I materassini isolanti possono essere costituiti da diversi materiali (polistirolo espanso o schiuma poliuretanica espansa, con densità da 20 kg/m 3 a 35 kg/m 3, sughero, ecc) e possono avere diversi spessori (tipicamente dai 10 mm in su). L isolante deve possedere, inoltre una barriera contro l umidità sulla superficie superiore, dove viene gettato del materiale con elevato livello di umidità. Per quanto riguarda la superficie inferiore è necessario isolare il massetto dal sottofondo, solo se a contatto direttamente con il terreno o con superfici umide. Un accorgimento importante è la verifica della compatibilità chimica dell isolante con materiali presenti nella struttura. È da evitare il contatto di polistiroli con liquidi che possono danneggiarlo, ad esempio nelle officine, dove possano esserci perdite di olii o di benzine.

I componenti dei sistemi radianti Il massetto superiore Lo spessore del massetto va calcolato in base al suo utilizzo (civile, industriale con carichi leggeri, industriale con carichi pesanti, ecc) ed in base al tipo di isolamento utilizzato. E consigliato comunque mantenere uno spessore tra la generatrice superiore del tubo ed il pavimento finito compreso tra 5 e 10 cm. Utilizzando impasti premiscelati industrialmente, è possibile ridurre lo spessore del massetto alla condizione che la realizzazione venga approvata dalla Direzione Lavori

I componenti dei sistemi radianti La dilatazione termica I tubi annegati in un massetto non possono espandersi all aumentare della temperatura: quello che avviene è una riduzione del diametro interno di 0,02 0,03 mm (il coefficiente di dilatazione termica è compreso tra i 1,4 10-4 K -1 e 1,9 10-4 K -1. L altezza del tubo nel massetto non ha effetti sulla resa termica dell impianto ma sul comfort: una posizione troppo alta nel massetto produce come effetto quello di innalzare la temperatura media di un valore di circa 1,5 K. A fronte di un raggiungimento delle condizioni di regime più rapido, come effetto collaterale si ottiene: - l effetto sgradevole di una maggiore disuniformità della temperatura superficiale, soprattutto in prossimità delle tubazioni di mandata - problemi ai pavimenti in legno, cambiandone localmente la colorazione. Il massetto dunque non solo distribuisce i carichi, ma rende possibile l uniformità della temperatura superficiale.

I componenti dei sistemi radianti La dilatazione termica Il massetto sopra i tubi riscaldanti si dilata sotto l effetto termico dei tubi in esso annegati, di circa 0,12 10-4 K -1 (non è la stessa per la parte inferiore e superiore del massetto, essendo la temperatura più alta nella parte inferiore). Se l opera muraria è fatta in maniera errata, si ha la tipica deformazione a schiena d asino, si forma una gobba. Ciò porta all inevitabile rottura della copertura e la sua sostituzione con tutti gli oneri e disagi ad essa legati. Con una temperatura iniziale di 10 C ed una finale di 40 C, il massetto di un pavimento con un lato di 8 m può estendersi di circa 3 mm. Tale allungamento viene assorbito dalla banda perimetrale che dev essere frapposta tra il massetto ed ogni struttura muraria fissa e dai giunti di dilatazione.

I componenti dei sistemi radianti La banda perimetrale Si tratta di tagli speciali di materassino (3 o 5 mm) adesivizzato, con cui è possibile isolare tutto il perimetro dei locali. Vanno posizionati applicando una parte della fascia al piede della parete e la restante parte sul solaio o sul materassino già posato (sostituisce il risvolto a parete di quest ultimo).

I componenti dei sistemi radianti Il pannello isolante Si tratta di tagli speciali di materassino (3 o 5 mm) adesivizzato, con cui è possibile isolare tutto il perimetro dei locali. Vanno posizionati applicando una parte della fascia al piede della parete e la restante parte sul solaio o sul materassino già posato (sostituisce il risvolto a parete di quest ultimo).

Errori da evitare Soluzione per spigolo Soluzione per angolo

I componenti dei sistemi radianti I giunti di dilatazione La normativa UNI EN 1264 ne prevede l uso nel caso di: - superficie superiore ai 40 m 2 - lati di lunghezza maggiore di 8 m - lunghezza e larghezza del locale in un rapporto non superiore a 1:2 - forme irregolari tipo a L o Z divise da porte o restringimenti Giunto termico per porte e massetti di grande superficie o per l'attraversamento dei muri di casa La rottura dei tubi è limitata attraverso una inguainatura delle stesse tubazioni per una lunghezza di diversi cm, generalmente indicati dalla casa produttrice del materiale dei pannelli radianti.

I componenti dei sistemi radianti I giunti di dilatazione I giunti di dilatazione devono interrompere il massetto per tutta la sua altezza e devono essere di materiale comprimibile così come lo è la banda perimetrale. Questo per evitare che durante l asciugatura del massetto si creino tensioni dovute a differenti velocità di asciugatura e che durante il funzionamento si creino dilatazioni tali da non essere più assorbite dalla banda perimetrale. I rivestimenti ceramici presentano coefficienti di dilatazione termica inferiori alla metà di quelli del massetto, e vanno quindi anch essi interrotti in prossimità dei giunti di dilatazione, realizzando fughe con materiali elastici, in modo da consentire il diverso movimento. Un giunto apparente (taglio con cazzuola) non è un giunto di dilatazione. Se questo taglio viene previsto, il giunto dovrà avere una profondità non superiore ad un terzo dello spessore del massetto. Dopo l indurimento del massetto, tale giunto dovrà essere riempito a filo e con accoppiamento dinamico, p. es. con resina sintetica.

I componenti dei sistemi radianti Le tubazioni Generalmente in PE-X evoh (con barriera d ossigeno). Negli edifici civili, il diametro medio del tubo utilizzato è 17 mm con lunghezza non superiore a 110 m, valore che permette di garantire la portata richiesta per il riscaldamento senza superare le perdite di carico che costringerebbero ad aumentare la velocità del fluido termovettore oltre i limiti di velocità consigliati (generalmente 1,2 m/s). Le geometrie di posa più utilizzate sono chiocciola o serpentina. La disposizione a chiocciola è consigliata negli edifici con permanenza costante di persone ed in edifici con maggiori dispersioni in quanto il calore è distribuito più omogeneamente. Il passo di posa varia in funzione delle superfici disperdenti dei locali.

I componenti dei sistemi radianti Le tubazioni Generalmente in PE-X evoh (con barriera d ossigeno). Negli edifici civili, il diametro medio del tubo utilizzato è 17 mm con lunghezza non superiore a 110 m, valore che permette di garantire la portata richiesta per il riscaldamento senza superare le perdite di carico che costringerebbero ad aumentare la velocità del fluido termovettore oltre i limiti di velocità consigliati (generalmente 1,2 m/s). Le geometrie di posa più utilizzate sono chiocciola o serpentina. La disposizione a chiocciola è consigliata negli edifici con permanenza costante di persone ed in edifici con maggiori dispersioni in quanto il calore è distribuito più omogeneamente. Il passo di posa varia in funzione delle superfici disperdenti dei locali.

I componenti dei sistemi radianti La rete elettrosaldata E sempre consigliata sopra le tubazioni nelle superfici ad uso industriale per la distribuzione dei carichi. La rete non deve avere diametro minore di 5 mm.

I componenti dei sistemi radianti Le tubazioni Effettuando il collegamento delle tubazioni con la mandata e il ritorno nel primo attacco disponibile (punti A e B in figura), i primi circuiti saranno sicuramente i più favoriti rispetto agli ultimi e nel caso di un bilanciamento non perfetto, avremo una piccola differenza di portata e temperatura media all interno del collettore.

I componenti dei sistemi radianti Le tubazioni Nel caso di un numero di attacchi superiore a 10, dove la portata dell acqua che attraversa il collettore incomincia ad avere un peso rilevante, per evitare lo sbilanciamento dei circuiti, la soluzione migliore è invertire l uscita del collettore di ritorno, in modo da autobilanciare le perdite di carico e uniformare la temperatura media: i flussi di mandata e ritorno vengono incrociati, di conseguenza il fluido termovettore percorrerà sempre la medesima distanza all interno del collettore.

La procedura di calcolo La procedura di calcolo prevede: 1) individuare il locale più sfavorevole 2) desumere la temperatura di mandata per tutto l impianto 3) calcolare il numero dei circuiti e il passo di posa di ogni circuito 4) calcolare il salto termico corretto per ogni circuito 5) determinare la portata adeguata d acqua ai circuiti per fornire tramite opportuna taratura la potenza richiesta dei locali 6) fornire i dati di portata complessiva e la massima perdita di carico per il dimensionamento della pompa 7) calcolare il contenuto d acqua per il dimensionamento del vaso d espansione

Il punto di partenza: SEMPRE il fabbisogno L energia termica dell impianto di riscaldamento (resa) deve essere tale da coprire il fabbisogno termico P H in [W]: P H = Q H,nd T necessario a mantenere la temperatura a 20 C, nel mese in cui si registra la temperatura esterna più bassa (per Cagliari gennaio: Tgen = 9,0 C) dove: Detta A U l area utile del locale da climatizzare/riscaldare, il flusso termico specifico q [W/m 2 ] sarà espresso dalla: q = P H A U

Il punto di partenza: SEMPRE il fabbisogno ESEMPIO: Soggiorno civile abitazione Area utile: A U = 19,4 m 2 Fabbisogno: P H = 1552 W Flusso termico verso l alto q = 80 W/m 2 Temperatura ambiente del locale A = 20 C Temperatura del locale sottostante L = 15 C Temperatura di mandata dell acqua M = 45 C Temperatura di ritorno dell acqua R = 35 C Ipotesi da verificare

Il punto di partenza: SEMPRE il fabbisogno Materiale Spessore Conducibilità Resistenza Rif.normativo (stratigrafia dall'esterno verso l'interno) s λ R [m] [W/m K] [m 2 K/W] - Intonaco esterno malta e cemento 1 0,020 0,90 0,022 UNI 10351 Solaio in laterizio 20 cm 2 0,200 0,310 UNI 10355 Cartella di calcestruzzo 3 0,050 1,28 0,039 UNI 10351 Isolante in polistirolo espanso 4 0,060 0,035 1,714 UNI 10355 Massetto in calcestruzzo sup 5 0,030 1,28 0,023 UNI 10351 Massetto in calcestruzzo tubi 6 0,020 1,28 0,016 UNI 10351 Letto di malta 7 0,010 1,40 0,007 UNI 10351 Piastrelle in cotto 8 0,010 1,00 0,010 UNI 10351 Resistenza sup. interna R si - - 0,040 UNI 6946 Resistenza sup. esterna R se - - 0,040 UNI 6946 Spessore TOT 0,400 Rtot 2,222 U = 1/R 0,450 Di cui: Resistenza del rivestimento superficiale: R A = R 7 +R 8 = 0,017 W/m 2 Resistenza totale verso l alto: R B = R si +R A +R 5 = 0,081 W/m 2 Resistenza totale verso il basso: R C = R se +R 1 +R 2 +R 3 +R 4 +R 6 = 2,141 W/m 2 R C /R B : 2,141/0,081 = 26,4

Dimensionamento Si scelga come tubazione: - tubo Unidelta PEX - Diametro esterno De = 0,017 m - Spessore dello strato di materiale compreso fra le serpentine ed il rivestimento s C,sup = 0,03 m Il flusso termico può essere stimato anche dalla: q = α 1 α 2 α 3 θ LOG

Dimensionamento q = α 1 α 2 α 3 θ LOG a 1 = 1,02

Dimensionamento q = α 1 α 2 α 3 θ LOG

Dimensionamento q = α 1 α 2 α 3 θ LOG LOG = 19,5

Dimensionamento α 3 = q α 1 α 2 θ = 80 LOG 1,02 6,45 19,5 = 0,624 Il passo T è compreso tra 25 cm e 27,5 cm. Si sceglie il maggiore, da cui: a 3 = 0,6

Dimensionamento: la lunghezza della tubazione La lunghezza del tubo che compone la serpentina può essere calcolata semplicemente dal rapporto fra la superficie del locale e il passo della serpentina: L = 100 A U T = 19,4 27,5 con A U espressa in [m2] ed il passo T in [cm]. = 70,5 m Per un calcolo più preciso è necessario considerare anche i tratti di tubo di adduzione che collegano il pannello radiante al collettore di distribuzione poiché anch essi emettono energia termica.

Dimensionamento θ LOG = q α 1 α 2 α 2 = 80 1,02 6,45 0,6 = 20,3 C R - A =16,1

Dimensionamento θ LOG = q α 1 α 2 α 2 = 80 1,02 6,45 0,6 = 20,3 C La temperatura di ritorno risulta pertanto R = 36,1 C con un salto termico dell acqua = 8,9 C

Dimensionamento: calcolo della temperatura superficiale di pavimento q < 140 W/m 2 pav = 27,3 ~7,3

Dimensionamento: calcolo della temperatura superficiale di pavimento q > 140 W/m 2

Dimensionamento: calcolo dei coefficienti di dispersione b1 e b2 2,5

Dimensionamento: calcolo dei coefficienti di dispersione b1 e b2 82

Dimensionamento: calcolo della portata d acqua nelle serpentine b1 + b2 = 2,5+82 = 84,5 salto termico dell acqua ~ 9 C

Dimensionamento: calcolo della portata d acqua nelle serpentine b1 + b2 = 2,5+82 = 84,5 salto termico dell acqua ~ 9 C m = 0,0024 19,4 = 0,047 kg/s 0,0024

Dimensionamento: calcolo della portata d acqua nelle serpentine

Dimensionamento: calcolo delle perdite di carico e della velocità dell acqua P / L = 2 m ogni 100 m = 2 * 70,5/100 = 1,4 m = 0,14 bar Velocità dell acqua 0,4 m/s