CLIMATIZZAZIONE RADIANTE E VENTILAZIONE MECCANICA: COMFORT E QUALITÀ DELL ARIA Francesco Causone, Ph.D. Politecnico di Torino francesco.causone@polito.it 29 April 2011 April 2011 15 Aprile 2011 Uponor 1
Presupposti Passive House, Zero Energy Building, Zero Carbon Building, Edifici in Classe A Involucro trasparente con elevate prestazioni Riduzione al minimo delle infiltrazioni d aria Possibile rischio di abbassamento della qualità dell aria interna Formazione di muffe Necessità di ventilazione meccanica 15 Aprile 2011 Uponor 2
Soluzione 1: sistema tutt aria Vantaggi: Controllo dei carichi termici sensibili (riscaldamento e/o raffrescamento) Controllo dei carichi termici latenti Controllo della qualità dell aria interna Sistema unico Svantaggi: Dimensioni dei condotti di ventilazione Costi di installazione e manutenzione Elevate portate d aria movimentate Possibile rumore Controllo periodico filtri 15 Aprile 2011 Uponor 3
Soluzione 2: sistema misto aria-acqua Vantaggi: Minori portate di aria movimentate (solo IAQ e U.R.) Minori spazi tecnici richiesti Possibilità di ricorrere all uso di fonti di energia rinnovabili Svantaggi: Due sistemi anziché uno Complessità di progettazione e regolazione Manutenzione in loco Tipologie comuni: Ventilazione meccanica e radiatori Ventilazione meccanica e ventilconvettori Ventilazione meccanica e sistemi radianti 15 Aprile 2011 Uponor 4
VMC: ventilazione meccanica controllata Tipologie comuni: sistemi di ventilazione meccanica a semplice flusso per estrazione a portata fissa sistemi di ventilazione meccanica a semplice flusso per estrazione a portata variabile igroregolabile sistemi di ventilazione meccanica a doppio flusso con recupero di calore http://www.aldesitalia.it/ 15 Aprile 2011 Uponor 5
DOAS:Dedicate Outdoor Air System Principi: Separazione del carico latente da quello sensibile Rimozione del carico latente e controllo della qualità dell aria attraverso il sistema di ventilazione dedicato Rimozione di tutto il carico sensibile con un sistema ad acqua Eventuale rimozione del carico sensibile eccedente con il sistema di ventilazione (da evitare) http://www.healthyheating.com/doas/doas_introduction.htm 15 Aprile 2011 Uponor 6
Strategie di ventilazione comuni Ventilazione a miscelazione Mixing Ventilation MV T 0, c 0 T R, c R T occ = T R c oc = c R Ventilazione a dislocamento Displacement Ventilation DV T R, c R T occ < T R c oc < c R T 0, c 0 15 Aprile 2011 Uponor 7
Ventilazione a miscelazione Principi: Diluizione degli inquinanti Il progetto principale è quello del getto di immissione (al di fuori dell area occupata) T 0, c 0 T occ = T R c oc = c R T R, c R ε c R c c c o o = ε oc c c R oc c c o o Rischi: Rischio di correnti d aria all altezza del collo Bassi valori di efficienza i di ventilazione i (ε 1) 15 Aprile 2011 Uponor 8
Ventilazione a dislocamento Principi: Separazione degli inquinanti: creazione di stratificazione termica e di inquinanti Scivolamento dell aria di ventilazione lungo il pavimento e sfruttamento dei pennacchi termici in ambiente T R, c R T occ < T R c oc < c R T 0, c 0 ε c R c c c o o ǂ ε oc c R c c oc c o o Rischi: Rischio di correnti d aria all altezza delle caviglie Non può essere usata per riscaldamento 15 Aprile 2011 Uponor 9
Ventilazione a dislocamento 2 Considerazioni: L efficienza di ventilazione ha valori maggiori(1 ε 1.4) Per evitare rischi di discomfort la temperatura di mandata è in genere 1-6 C inferiore alla temperatura ambiente La resa termica è bassa (limitata da ragioni di comfort) La disposizione del terminale di impianto è invasiva e va accuratamente progettata Possibilità di usare il sistema in free v > 0.2[m/s] cooling per periodi più lunghi Ideale in ambienti con altezze elevate, dove gli utenti occupano posti fissi e sono la principale causa dell inquinamento Zona di draft risk 15 Aprile 2011 Uponor 10
Ventilazione a dislocamento 3 Considerazioni: La stratificazione termica può essere modellizzata attraverso la regola del 50%: l aria di ventilazione si scaldata per il 50% per convezione col pavimento e con l aria ambiente e per il 50% a causa dei pennacchi termici 0.5 T T f e T T sp sp 15 Aprile 2011 Uponor 11
Ventilazione a dislocamento 4 miscelazione y st Flusso stratificato 15 Aprile 2011 Uponor 12
Ventilazione a dislocamento 5 Design: Stabilire temperatura di mandata e portata per coprire le necessità di ventilazione (IAQ) Per ottenere una corretta altezza di stratificazione, la portata di aria immessa deve essere approssimativamente uguale alla somma dei pennacchi termici in ambiente Se l aria ha anche funzione di raffrescamento verificare che la portata sia sufficiente a coprire il carico termico m c p T e T sp Con portate di ventilazione basse e temperature di immissione basse, la ventilazione i a miscelazione i dà risultati ti migliori i 15 Aprile 2011 Uponor 13
Sistema radiante Principi: Scambio termico della superficie almeno per il 50% sotto forma di irraggiamento Pannelli radianti: pavimento, soffitto o parete con temperatura superficiale minore di 150 C (ASHRAE) Riscaldamento a bassa temperatura, raffrescamento ad alta temperatura Attenzioni progettuali richieste: Limiti di resa legati ai principi di comfort termico Rischio condensa (raffrescamento) 15 Aprile 2011 Uponor 14
Sistema radiante 2 Vantaggi: Migliori condizioni di comfort: bilancio diretto dei carichi radiativi, profilo verticale di temperatura dell aria costante Ridotti moti d aria e quindi ridotti moti di polvere, pulviscolo e sostanze irritanti A parità di temperatura operativa, valori di temperatura dell aria migliori (sia in riscaldamento che in raffrescamento) Riduzione dei rumori Riscaldamento a bassa temperatura e raffrescamento ad alta temperatura, favoriscono l uso di tecnologie per lo sfruttamento di fonti energetiche rinnovabili 15 Aprile 2011 Uponor 15
Sistemi misti radiante e ventilazione Sistemi analizzati: Soffitto caldo e Ventilazione a miscelazione (CH/MV) Soffitto freddo e Ventilazione a miscelazione (CC/MV) Pavimento caldo e Ventilazione a miscelazione (FH/MV) Pavimento freddo e Ventilazione a miscelazione (FC/MV) Soffitto caldo e Ventilazione a dislocamento (CH/DV) Soffitto freddo e Ventilazione i a dislocamento (CC/DV) Pavimento caldo e Ventilazione a dislocamento (FH/DV) Pavimento freddo e Ventilazione a dislocamento (FC/DV) 15 Aprile 2011 Uponor 16
Ventilazione a miscelazione Getto d aria: Isotermo effetto Coanda Non isotermo rischio caduta prematura getto 15 Aprile 2011 Uponor 17
Soffitto caldo e Ventilazione a miscelazione Potenzialità: Incremento del coefficiente di scambio termico convettivo della superficie radiante Il soffitto caldo riduce il rischio di caduta prematura del getto di ventilazione in ambiente Riduzione del rischio di correnti d aria all altezza del collo Limitazioni: Se la potenza di riscaldamento è eccessiva si può verificare stratificazione tifi i dell aria che riduce l effetto di miscelazione i 15 Aprile 2011 Uponor 18
Soffitto freddo e Ventilazione a miscelazione Potenzialità: Incremento del coefficiente di scambio termico convettivo della superficie radiante Il soffitto freddo può ridurre il rischio di caduta prematura del getto di ventilazione in ambiente quando i carichi sono ben distribuiti tra soffitto ed aria Riduzione del rischio di correnti d aria all altezza altezza del collo Limitazioni: Se la distribuzione di carico tra soffitto ed aria non è adeguata, aumenta il rischio di caduta prematura del getto di ventilazione 15 Aprile 2011 Uponor 19
Pavimento caldo/freddo e Ventilazione a miscelazione Limitazioni: Il getto di ventilazione è tipicamente immesso lontano dalla superficie radiante, non si riscontrano pertanto sostanziali interazioni tra i due sistemi 15 Aprile 2011 Uponor 20
Soffitto caldo e Ventilazione a dislocamento Limitazioni: Il getto di ventilazione è tipicamente immesso lontano dalla superficie radiante, non si riscontrano pertanto sostanziali interazioni tra i due sistemi Se la potenza di riscaldamento è troppo elevata si possono generare gradienti termici elevati che possono influenzare le condizioni di comfort dell utente T ex T floor 15 Aprile 2011 Uponor 21
Soffitto freddo e Ventilazione a dislocamento Limitazioni: Il getto di ventilazione è tipicamente immesso lontano dalla superficie radiante, non si riscontrano pertanto sostanziali interazioni tra i due sistemi Se il carico rimosso dal soffitto è troppo elevato i moti d aria fredda generati possono distruggere la stratificazione termica 15 Aprile 2011 Uponor 22
Pavimento caldo e Ventilazione a dislocamento Potenzialità: Incremento del coefficiente di scambio termico convettivo della superficie radiante Riduzione del carico di ventilazione rispetto ad un impianto a dislocamento con altri terminali idronici (per effetto della temperatura di immissione) Limitazioni: Se la potenza di riscaldamento è eccessiva si possono verificare effetti di miscelazione che riducono la stratificazione termica La regola del 50% non può essere applicata 15 Aprile 2011 Uponor 23
Pavimento caldo e Ventilazione a dislocamento 1.0 0.8 Dimensionless temperature profile in occupied zone and floor heating capacity Floor heating capacity: 60 W m -2 Floor heating capacity: 50 W m -2 y/h Floor heating capacity: 40 W m -2 0.6 50% Floor heating capacity: 35 W m -2 65% 70% 75% 04 0.4 Floor heating capacity: 0 W m -2 80% 0.2 0.0 0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 1.1 (T y -T s )/(T e -T s ) 15 Aprile 2011 Uponor 24
Pavimento freddo e Ventilazione a dislocamento Potenzialità: Incremento del coefficiente di scambio termico convettivo della superficie radiante Incremento del periodo in cui si può sfruttare il free cooling Limitazioni: Si possono riscontrare eccessivi gradienti termici verticali, che possono influenzare le condizioni di benessere degli occupanti La regola del 50% difficilmente viene rispettata 15 Aprile 2011 Uponor 25
Pavimento freddo e Ventilazione a dislocamento Dimensionless temperature profiles in point S4 1.0 y/h 0.8 C1 C2 C3 C4 0.6 C5 C6 C7 04 0.4 C8 C9 C10 50% 0.2 0.0 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 (T y -T s )/(T e -T s ) 15 Aprile 2011 Uponor 26
Soffitto freddo e Ventilazione Ipotesi: Q sof,max = 70W/m 2 ΔT s-ex = 6 C (dislocamento) ΔT s-ex =12 C (miscelazione) 15 Aprile 2011 Uponor 27
Soffitto freddo e Ventilazione a dislocamento 15 Aprile 2011 Uponor 28
Incremento del coefficiente di scambio termico convettivo Sistemi analizzati: Soffitto caldo e Ventilazione a miscelazione (CH/MV) Soffitto freddo e Ventilazione a miscelazione (CC/MV) Pavimento caldo e Ventilazione i a dislocamento (FH/DV) Pavimento freddo e Ventilazione a dislocamento (FC/DV) 15 Aprile 2011 Uponor 29
Algoritmi di letteratura Surface Ventilation Convection correlation Reference 0.308 0.076 Awbi and FH NC h c 2.175 ΔT D h Hatton (1999) 0.308 0.076 6 0.8 6 048 1/6 Novoselac et FH DV h c (2.175 ΔT D h ) (( Ts Tsupply ΔT ) 0.48 ACH ) al. (2006) 0.133 0.601 Awbi and FC NC h c 0.704 ΔT D h Hatton (1999) 0.133 6 0.8 6 1/6 Novoselac et 0.601 h 048 FC DV c (0.704 ΔT D h ) (( Ts Tsupply ΔT) 0.48 ACH ) al. (2006) 0.133 0.601 CH NC h 0.704 ΔT D c 0.601 CH MV h f(v, ΔT) 0.704 ΔT D CC CC NC MV h h c c c 2.13 ΔT 031 0.31 f(v, ΔT) 2.13 ΔT h 0.133 0.31 CH Soffitto caldo CC Soffitto freddo FH Pavimento caldo FC Pavimento freddo DV Ventilazione a dislocazione MV Ventilazione a miscelazione NC Convezione naturale D h Diametro idraulico [m] ΔT Delta termico caratteristico [ C]; il delta termico tra superficie radiante ed ambiente h Awbi and Hatton (1999) derived dfrom: Jeong and Mumma (2003a) Jeong and Mumma (2003a) Jeong and Mumma (2003a) 15 Aprile 2011 Uponor 30
Camera di prova 15 Aprile 2011 Uponor 31
Pavimento caldo e ventilazione a dislocamento 15 Aprile 2011 Uponor 32
Pavimento freddo e ventilazione a dislocamento 15 Aprile 2011 Uponor 33
Soffitto caldo e ventilazione a miscelazione 15 Aprile 2011 Uponor 34
Soffitto freddo e ventilazione a miscelazione 15 Aprile 2011 Uponor 35
Conclusioni Pavimenti freddi e soffitti caldi, se combinati, rispettivamente, con ventilazione a dislocamento e a miscelazione, possono sensibilmente incrementare il loro scambio termico convettivo, migliorando le performance del sistema I sistemi radianti e di ventilazione combinati possono dar luogo ad interazioni positive e negative Solo un attenta progettazione può garantire prestazioni effettive in termini di qualità dell aria, comfort termico e risparmio energetico Regole e procedure di progettazione tipiche dei due sistemi separati non possono essere usate per sistemi combinati 15 Aprile 2011 Uponor 36