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manuale degli impianti radianti
Valerio Di Stefano MANUALE DEGLI IMPIANTI RADIANTI INTEGRAZIONE E OTTIMIZZAZIONE NEGLI IMPIANTI AGGIORNATO ALLA UNI EN 1264-2:2013 SOFTWARE INCLUSO APPLICATIVI PER EFFETTUARE COMPUTI METRICI, ANALISI DELLA RESA E DEL COMFORT OTTENIBILE DA UN PAVIMENTO RADIANTE, VERBALE DI COLLAUDO E SCHEMI IDRAULICI EDITABILI Glossario (principali termini tecnico-normativi), F.A.Q. (domande e risposte sui principali argomenti), Test iniziale (verifica della formazione di base), Test finale (verifica dei concetti analizzati) V INDICE 1. PRINCIPI GENERALI.........................................................................................p. 1.1. Benessere termoigrometrico......................................................................... ˝ 1.1.1. Il sistema di termoregolazione del corpo umano........................... ˝ 1.1.2. I meccanismi di termoregolazione del corpo umano..................... ˝ 1.1.3. Il bilancio energetico del corpo umano.......................................... ˝ 1.1.4. L’equazione del benessere.............................................................. ˝ 1 1 2 2 3 14 2. CRITERI DI ANALISI DEI RISPARMI ENERGETICI.................................. 2.1. Risparmio energetico.................................................................................... 2.1.1. Indicatori economici-ambientali.................................................... 2.1.2. Applicazione ai consumi energetici di un sistema radiante........... ˝ ˝ ˝ ˝ 20 20 20 24 3. PROGETTAZIONE DELLO SCAMBIO TERMICO....................................... ˝ 3.1. Scambio termico radiativo............................................................................ ˝ Fattori che influenzano lo scambio per irraggiamento................................. ˝ 3.1.2. Fattori che influenzano lo scambio per convezione....................... ˝ 3.1.3. Simultaneo scambio per convezione e irraggiamento.................... ˝ 49 49 49 53 56 4. STRUTTURA DI UN IMPIANTO RADIANTE................................................. 4.1. Architettura generale.................................................................................... 4.2. Soluzioni radianti.......................................................................................... 4.2.1. Soluzioni con supporto inerziale.................................................... 4.2.2. Soluzione con pannelli prefabbricati e “a secco”........................... 4.2.3. Soluzione ad attivazione termica della struttura o TABS.............. 4.2.4. Soluzioni capillari e microcapillari................................................ 4.2.5. Soluzioni speciali in legno e ad attivazione per irraggiamento..... 4.2.6. Soluzioni speciali........................................................................... 4.2.7. Soluzioni non idroniche................................................................. 4.2.8. Applicazioni tecniche speciali....................................................... 4.3. Struttura dello “scambiatore”....................................................................... 4.3.1. Disposizione geometrica delle tubazioni....................................... 4.3.2. Tipologia di tubazioni.................................................................... 4.3.3. Il supporto...................................................................................... 4.3.4. Il pannello isolante......................................................................... 4.3.5. La finitura....................................................................................... 4.4. Elementi di isolamento acustico passivo...................................................... 62 62 64 64 67 70 73 75 76 77 78 79 79 81 90 92 95 96 ˝ ˝ ˝ ˝ ˝ ˝ ˝ ˝ ˝ ˝ ˝ ˝ ˝ ˝ ˝ ˝ ˝ ˝ VI MANUALE DEGLI IMPIANTI RADIANTI 4.4.1. 4.4.2. Criterio normativo.......................................................................... p. Valutazione operativa..................................................................... ˝ 5. PROGETTAZIONE A REGOLA D’ARTE......................................................... 5.1. Metodi FEM e FDM..................................................................................... 5.2. Metodo di calcolo della resistenza termica equivalente............................... 5.3. Metodo di calcolo tramite UNI 1264............................................................ 5.3.1. Alcune definizioni.......................................................................... 5.3.2. La curva caratteristica di base........................................................ 5.3.3. Limiti di temperatura raccomandati dalla normativa..................... 5.3.4. Calcolo dell’emissione areica........................................................ 5.3.5. La rappresentazione delle temperature limite................................ 5.3.6. Effetti termici della “caduta” di temperatura................................. 5.3.7. Criterio di dimensionamento.......................................................... 5.4. Modifiche delle condizioni operative........................................................... 5.4.1. Effetti termici della geometria del pannello................................... 5.4.2. Effetti dell’isolamento termico...................................................... 5.4.3. Effetti termici dell’inerzia del massetto......................................... 5.5. Dimensionamento soluzioni a freddo, a parete e a soffitto........................... 5.5.1. Metodo secondo UNI 1264-5......................................................... 5.5.2. Considerazioni pratiche.................................................................. 5.5.3. Progettazione secondo curve di resa certificate e metodo EN 14240........................................................................ ˝ ˝ ˝ ˝ ˝ ˝ ˝ ˝ ˝ ˝ ˝ ˝ ˝ ˝ ˝ ˝ ˝ ˝ 6. PROGETTAZIONE INTEGRATA E SCELTA DEI FORNITORI.................. 6.1. Dove termina il processo progettuale........................................................... 6.1.1. Organi del sistema radiante............................................................ 6.1.2. Elaborati tecnici............................................................................. 6.1.3. La previsione delle fasi di realizzazione, le interferenze e le altre professionalità......................................... 6.1.4. Il contratto d’opera, di appalto e la garanzia (per approfondimenti si rimanda alla legislazione vigente)........... 6.2. La scelta dei fornitori.................................................................................... 6.2.1. I fornitori di materiale.................................................................... 6.2.2.L’impresa........................................................................................ 6.2.3. Le professioni intellettuali............................................................. ˝ ˝ ˝ ˝ 97 98 99 101 103 104 105 109 110 114 118 120 122 130 130 133 135 138 138 141 ˝ 142 146 146 147 149 ˝ 151 ˝ ˝ ˝ ˝ ˝ 152 155 155 156 156 7. INSTALLAZIONE, COLLAUDO E MONITORAGGIO (A REGOLA D’ARTE).......................................................................................... ˝ 157 7.1. Le condizioni al contorno............................................................................. ˝ 157 7.1.1. La preparazione del cantiere.......................................................... ˝ 158 7.1.2. Conseguenze termiche e igrometriche della presenza dell’impianto.......................................................... ˝ 161 7.2.L’installazione............................................................................................... ˝ 163 VII INDICE 7.2.1. Impianti inerziali............................................................................ 7.2.2. Impianti prefabbricati e non inerziali............................................. 7.2.3. I giunti............................................................................................ 7.2.4. Il supporto inerziale....................................................................... 7.2.5. Le condizioni di carico dei pavimenti............................................ 7.3. Accorgimenti specifici.................................................................................. 7.3.1. Attraversamenti speciali per servizi elettrici ed idraulici............... 7.3.2. Bagni e locali poveri di superficie disponibile............................... 7.3.3. Rivestimenti superficiali esigenti................................................... 7.3.4. Circuiti a quota superiore rispetto al collettore.............................. 7.3.5. Coibentazione e accorgimenti speciali per tubi e canali................ 7.3.6. Controsoffitti e contropareti radianti – dettagli importanti............ 7.3.7. Posizionamento di sonde ambientali e di collettori....................... 7.3.8. Come si legge lo schema di posa................................................... 7.4.Avviamento................................................................................................... 7.4.1.Riempimento.................................................................................. 7.4.2. Collaudo idraulico.......................................................................... 7.4.3. Verifica della risposta termica dell’impianto radiante.................... 7.5. Gestione e manutenzione.............................................................................. 7.5.1. Controllo e manutenzione dei dispositivi....................................... 7.5.2. Messa a riposo e riavvio................................................................. 7.5.3.Guasti............................................................................................. 7.5.4. Diagnosi termografica.................................................................... 8. FONTI ENERGETICHE E CONTROLLO DEL SISTEMA........................................................................ 8.1. Confronto tra vettori energetici e tecnologie di impiego.............................. 8.1.1. Tecnologie di utilizzo dei combustibili fossili............................... 8.1.2. Tecnologie di utilizzo della biomassa............................................ 8.1.3. La pompa di calore......................................................................... 8.1.4.Geotermia....................................................................................... 8.1.5. Integrazione da solare fotovoltaico e termico................................ 8.2. Il controllo del fluido termovettore............................................................... 8.2.1. Il controllo della portata................................................................. 8.2.2. Il controllo della temperatura......................................................... 8.2.3. Allarmi e dispositivi di emergenza................................................ 8.2.4. Logiche di regolazione................................................................... 8.3. Il controllo della qualità dell’aria................................................................. 8.3.1. La sinergia sistema radiante e impianto aeraulico......................... 8.3.2. Soluzioni impiantistiche................................................................. 8.3.3. Gli attuatori dei circuiti radianti, le sonde ambiente e la domotica.................................................... 8.3.4. Ventilazione Meccanica Controllata.............................................. 8.3.5. La manutenzione............................................................................ p. ˝ ˝ ˝ ˝ ˝ ˝ ˝ ˝ ˝ ˝ ˝ ˝ ˝ ˝ ˝ ˝ ˝ ˝ ˝ ˝ ˝ ˝ 164 170 174 179 184 185 185 185 187 190 190 192 194 195 198 198 199 200 200 202 202 202 203 ˝ ˝ ˝ ˝ ˝ ˝ ˝ ˝ ˝ ˝ ˝ ˝ ˝ ˝ ˝ 209 210 212 219 221 231 237 240 241 243 247 250 256 258 259 ˝ 267 ˝ 272 ˝ 275 VIII MANUALE DEGLI IMPIANTI RADIANTI APPENDICE 1 VALUTAZIONE BRACCIO DI FLESSIONE DI UNA TUBAZIONE................... p. 277 APPENDICE 2 RIFERIMENTI NORMATIVI.................................................................................... ❱ Leggi di rilievo......................................................................................................... ❱ Norme di rilievo....................................................................................................... ˝ 282 ˝ 282 ˝ 282 APPENDICE 3 BIBLIOGRAFIA.......................................................................................................... ˝ 285 ❱Libri.......................................................................................................................... ˝ 285 ❱ Siti (in ordine di utilizzo)......................................................................................... ˝ 286 INSTALLAZIONE DEL SOFTWARE ALLEGATO................................................ ❱Introduzione............................................................................................................. ❱ Requisiti hardware e software.................................................................................. ❱ Download del software e richiesta della password di attivazione............................ ❱ Installazione ed attivazione del software................................................................. ˝ ˝ ˝ ˝ ˝ 288 288 288 288 289 1 CAPITOLO 1 PRINCIPI GENERALI Se vi chiedessi di definire il “comfort” riceverei molte risposte che spaziano dall’idea di una temperatura ambiente ottimale allo stare a casa in pantofole a vedere un bel film. Sono tutte definizioni corrette! Il problema semmai è che non sono definizioni esaustive: l’idea alla base e comune delle definizioni spontanee sta nel proporre che il “comfort” attiene alla percezione soggettiva di benessere (quindi alla valutazione psicologica del soggetto), ma anche ad alcuni parametri più scientifici, nel senso che si può cercare di misurarli, confrontarli e tentare una valutazione obiettiva. Un tentativo più raffinato di definire il comfort deve tenere conto sia della percezione soggettiva, sia di grandezze misurabili. Chi ha studiato il problema ha proposto un’analisi statistica per affrontare l’aspetto soggettivo del comfort, e lo studio di un pacchetto di parametri tecnici per rendere informazioni comunque riproducibili. L’idea alla base del comfort parte da un principio (ragionevole ma anche in parte assiomatico): chi giudica un ambiente confortevole non sente ne caldo, ne freddo, non suda o comunque questo non arriva a comportare un disagio … tutte sensazioni associate a scambi di energia tra corpo e ambiente tramite calore sensibile e latente. Sembra quindi opportuno affrontare il concetto di comfort in termini energetici e valutare se esistano correlazioni tra flussi di energia e sensazione fisiologica di benessere. In letteratura il comfort o, più propriamente il benessere termoigrometrico di un ambiente, è definito come quello stato psicofisico nel quale una persona esprime soddisfazione nei confronti dell’ambiente; per ambiente si intende il complesso dei parametri, oggettivi e soggettivi, che determinano la sensazione termica provata da un individuo in determinate condizioni descrivibili in modo riproducibile e misurabile (quindi in maniera scientifica). Esistono studi approfonditi applicati al comfort dell’organismo umano; si tratta per lo più di analisi sviluppate attraverso approcci empirici coadiuvati da strumenti tipici della termodinamica (scambi di calore uomo-ambiente, equilibrio termico, …). Spesso si propone un impianto radiante come l’impianto idoneo per eccellenza a garantire il benessere termoigrometrico: fate attenzione alle trappole dei venditori in quanto una tecnologia, di per sé, non garantisce il “comfort”, ma semplicemente può essere adoperata in maniera più o meno idonea per controllare alcuni parametri correlati al benessere termoigrometrico. Vediamo di comprendere quali siano tali parametri. ❱❱ 1.1. Benessere termoigrometrico Tra gli studi e le esperienze condotte nell’analisi del benessere termoigrometrico ci si riconduce in sintesi alla valutazione di 6 parametri di controllo: due parametri sono strettamente riferiti all’uomo: il metabolismo energetico e le proprietà termofisiche dell’abbigliamento, e 4 2 MANUALE DEGLI IMPIANTI RADIANTI parametri sono correlati al contesto ambientale: temperatura, velocità e livello di umidità dell’aria e temperatura media radiante, dei quali i primi tre possono essere direttamente controllati con un impianto di climatizzazione e il quarto, essendo funzione delle temperature superficiali dell’ambiente, dipende essenzialmente anche dalle proprietà termotecniche e ottiche delle masse presenti nell’ambiente (pareti, infissi, mobili, impianti, …) e dagli scambi di energia tra le stesse superfici (per come si indicherà meglio in seguito). Gli ambienti nei quali è realizzabile il “comfort termoigromentrico” sono anche detti “moderati” in contrapposizione ai “severi” nei quali non è pensabile determinare condizioni generali di comfort, e si può al più evitare che gli occupanti arrivino in condizioni di ipo o iper-termia. Le condizioni severe si verificano spesso in alcuni luoghi di lavoro, e anche in questi casi la tecnologia radiante può essere adoperata intelligentemente. La sensazione termica si basa sui meccanismi di scambio termico tra l’uomo e l’ambiente e dipende, quindi, da condizioni generalmente in continua variazione; è stato studiato anche un meccanismo adattativo e psicologico dell’individuo che riesce comunque a modificare il giudizio iniziale di comfort adattandosi ovvero mostrando crescente insoddisfazione. In linea di principio si può affermare che un essere umano sta bene se si trova in equilibrio energetico con l’ambiente, ovvero quando i flussi di energia in ingresso e uscita sono confrontabili e sono stazionari nel tempo; in questo caso si dice che l’individuo è in stato di “omeotermia”. 1.1.1. Il sistema di termoregolazione del corpo umano Il continuo adattamento dell’organismo umano alle condizioni termo igrometriche esterne è gestito da un sofisticato ed efficace sistema di regolazione biologico, il cui funzionamento può essere simulato da modelli che prevedono la risposta del corpo umano alle condizioni ambientali. Nel modello più semplice il corpo umano è suddiviso in due zone: una esterna, costituita da pelle e tessuti sottocutanei, e un’interna detta nucleo comprendente gli organi vitali. Esistono poi modelli più complessi che dividono il corpo in compartimenti, ciascuno composto da più strati. La temperatura del nucleo in un soggetto sano è assunta pari a 37 °C mediamente nel corso della giornata, mentre quella esterna può variare a secondo della zona corporea. 1.1.2. I meccanismi di termoregolazione del corpo umano Esistono due tipi di termoregolazione, quella vasomotoria (o cardiovascolare) e quella comportamentale. La termoregolazione vasomotoria interessa i capillari periferici e dipende da fattori locali e da impulsi provenienti dal sistema nervoso simpatico. I capillari sono dotati di sfinteri (valvole) che aprendosi o chiudendosi permettono o impediscono l’afflusso in periferia di sangue proveniente da zone del corpo interne che, trovandosi ad una temperatura superiore a quella della pelle scambiano per convezione energia termica con l’epidermide, innalzandone la temperatura e consentendo un maggiore flusso termico verso l’ambiente. In ambienti freddi si ha la chiusura delle “valvole” (vasocostrizione) determinando una diminuzione dell’afflusso di sangue verso la periferia e quindi una diminuzione della temperatura superficiale e in definitiva dello scambio termico verso l’esterno; in ambienti caldi si ha la situazione opposta: l’apertura degli sfinteri determina un aumento del flusso sanguigno e quindi un aumento della temperatura superficiale e del flusso termico verso l’esterno. 3 1. PRINCIPI GENERALI In particolare è opportuno precisare che l’attivazione di tali meccanismi è dovuta non alla temperatura media dell’ambiente, ma agli scarti tra i valori di temperatura rilevati localmente dai termo recettori e i loro “set-point”, il che giustifica la contemporanea attivazione di meccanismi antagonisti in zone differenti del corpo umano. Quando la termoregolazione vasomotoria non riesce ad assicurare l’omeotermia del nucleo, interviene la termoregolazione comportamentale con la quale, in risposta al freddo, si attiva il meccanismo del brivido e, in risposta al caldo quello della sudorazione. Il primo consiste in contrazioni muscolari sincrone. La sudorazione è caratterizzata da più fasi: –– le ghiandole sudoripare situate sotto la pelle secernono il sudore; –– il sudore arriva alla superficie della pelle attraverso appositi condotti; –– il sudore si sparge sulla superficie ricoprendola di un film sottile; –– a regime permanente ed in assenza di gocciolamento, tutto il sudore passa nell’aria come vapore. Se l’ultima fase non si verifica, per esempio, quando l’aria esterna è satura di vapore, non si ha alcun flusso termico verso l’ambiente e, al limite, si può avere condensazione di vapore sulla pelle. Se la termoregolazione comportamentale non è sufficiente ad assicurare l’omeotermia, si può avere ipotermia o ipertermia. 1.1.3. Il bilancio energetico del corpo umano L’organismo è un sistema termodinamico complesso che sviluppa energia termica per effetto delle reazioni chimiche che in esso hanno sede. Al suo interno, l’energia termica viene trasmessa per conduzione attraverso i tessuti e per convezione attraverso il flusso sanguigno; inoltre c’è scambio diretto tra interno e ambiente sotto forma di calore latente e sensibile nella respirazione e nella traspirazione epidermica. In superficie l’energia termica viene scambiata con l’ambiente per irraggiamento, convezione ed evaporazione; lo scambio conduttivo è solitamente trascurabile e relativo a zone di contatto molto contenute. In un generico istante può essere scritta la seguente relazione: S = M −W − Eres − Cres − Eskin − C − R − K In cui tutti i termini sono espressi come energia scambiata nell’unità di tempo (potenze medie): rappresenta la variazione di energia interna del corpo nell’unità di tempo; è una misura della potenza termica sviluppata dai processi metabolici; è la potenza meccanica che il corpo cede all’ambiente (se ad esempio zappa il suo orticello o semplicemente spinge il carrellino della spesa); Eres è la potenza trasferita attraverso la respirazione come carico latente; Cres è la potenza trasferita attraverso la respirazione come carico sensibile; Eskin è la potenza trasferita per evaporazione; C è la potenza trasferita per convezione; R è la potenza trasferita per irraggiamento; K è la potenza trasferita per contatto. I termini sopra esposti dovrebbero essere normalizzati rapportandoli all’area della superficie epidermica del corpo nudo Ab tramite la: S M W 4 MANUALE DEGLI IMPIANTI RADIANTI Ab = 0,202Wb0,425 Hb0,725 In cui: Wb è la massa corporea [kg]; Hb è la statura [m]. In genere, ed in particolare per l’autore che certamente non è un gigante, si trovano valori poco inferiore ai 2 m², ad esempio 1,8 m². M, metabolismo Il corpo umano è un laboratorio chimico in continua attività. L’elaborazione biologica degli alimenti sviluppa energia. La quantità di energia potenziale chimica che all’interno del corpo umano si trasforma in energia termica è correlata al metabolismo, che viene spesso misurato tramite l’unità “met”, pari a 58,2 W/m² o 50,0 kcal/hm². La quantità di “met” sviluppata può in prima approssimazione considerarsi funzione della sola attività svolta dal soggetto. Come è facile intuire una persona seduta a riposo come il Lettore sta sviluppando 1 met. Una persona che sta facendo del footing arriva a 3,4 met. Esistono semplici tabelle per stimare l’energia metabolica sviluppata. W, potenza meccanica Il corpo umano sviluppa attraverso le contrazioni muscolari del lavoro. Ad esempio mentre scendiamo le scale l’energia potenziale gravitazionale viene convertita in energia meccanica che deve essere gestita dalle nostre gambe per evitare di sfracellarsi! Il rendimento medio della “macchina termica uomo” non è eccezionale: è dell’ordine del 20%, ovvero 4/5 del contenuto energetico potenziale chimico ricavato dagli alimenti viene degradato in calore durante l’attività motoria. Eres e Cres, evaporazione e convezione durante la respirazione La variazione di entalpia associata alla miscelazione tra aria espirata e aria ambiente si concretizza in trasferimenti di calore legati a differenza di temperatura e di titolo tra aria espirata e ambiente. Approssimativamente si può considerare il valore di potenza specifica espressa in [W/m²] come somma di un contributo latente e sensibile calcolabili separatamente. Rispettivamente si ha: Eres = 1,72 ⋅10−5 M (5867 − φ pas ) –– in cui φ rappresenta l’umidità relativa [adimensionale]; –– pas la tensione di vapore dell’acqua a temperatura ambiente [Pa]; Cres = 0,0014 M (34 − ta ) –– in cui ta è la temperatura dell’aria [°C]. In definitiva si evidenzia una dipendenza dall’attività svolta, dalla temperatura dell’aria e dall’umidità relativa. 5 1. PRINCIPI GENERALI Eskin, evaporazione dalla pelle È la somma dei contributi per l’evaporazione normale dalla pelle e per la sudorazione propriamente detta. La relazione è stata sviluppata per condizioni di indumento traspiranti, e deve essere opportunamente corretta per altri usi. Approssimativamente si può considerare in [W/m²]: Eskin = 3,05⋅10−3 ⎡⎣5733− 6,99 M (1− η ) − φ pas ⎤⎦ + 0,42 ( M − 58,15) φ pas M η In cui: rappresenta sempre l’umidità relativa [adimensionale]; la tensione di vapore dell’acqua a temperatura ambiente [mmHg]; indica il metabolismo [met]; è un parametro adimensionale. C, potenza trasmessa per convezione Si può adoperare la relazione seguente in [W/m²]: C = fcl hc Ab (tcl − ta ) In cui: indica un fattore di abbigliamento empirico pari al rapporto tra la superficie vestita sul totale di superficie corporea [adimensionale]; hc è la conduttanza termica convettiva aria-indumenti [W/m²K]; tcl è la temperatura media superficiale degli indumenti [°C]. fcl Senza entrare nei dettagli, l’ultimo parametro dipende dalla temperatura dell’aria, dei vestiti, dalla velocità relativa soggetto-aria e dall’esposizione all’aria degli indumenti. Per calcolare la temperatura media superficiale degli indumenti si deve conoscere la resistenza termica degli stessi; in pratica si adopera un parametro indicativo della resistenza termica dell’abbigliamento espresso in unità di misura incoerenti note come “Clo”. La seguente tabella descrive esempi di calcolo del fattore di incremento fcl di superficie corporea attraverso la resistenza Icl [Clo] degli indumenti. Tabella 1.1. Resistenza termica Icl [Clo] e incremento relativo della superficie corporea tramite il parametro fcl Icl fcl Corpo nudo 0,00 1,00 Pantaloni corti 0,10 1,00 Pantaloni corti e camicia leggera 0,35 1,05 Abbigliamento leggero da lavoro 0,60 1,10 Abito e soprabito 1,50 1,15 Abbigliamento clima polare 3,50 1,40 Indumento 20 CAPITOLO 2 CRITERI DI ANALISI DEI RISPARMI ENERGETICI ❱❱ 2.1. Risparmio energetico Ho notato che se si chiede in giro se un impianto radiante faccia o meno risparmiare soldini, spesso si riceve una rassicurante e assoluta risposta affermativa. La ragione di tale opinione, per lo più, è la constatazione che l’impianto richiede temperature moderate o l’esperienza riportata dal cugino che l’ha montato nella casa di nuova edificazione. La realtà è più complessa e vorrei ragionare insieme sui motivi che potrebbero portare una maggiore efficienza energetica ed economica della tecnologia radiante. Per cercare di condurre la questione in maniera più corretta prendo in prestito alcuni concetti e strumenti di analisi economica degli investimenti. Il metodo ha una validità assolutamente generalizzabile a qualsiasi forma di intervento finalizzato al risparmio energetico ma per ulteriori approfondimenti raccomando lo studio di testi specializzati. 2.1.1. Indicatori economici-ambientali Per quantificare la bontà di un investimento per il risparmio energetico è necessario tenere in considerazione una serie di indicatori che cercano di simulare il comportamento e l’evoluzione negli anni dei costi di gestione e dei mancati costi di acquisto di fonti di energia primaria (esprimibili come ricavi). Per inquadrare il problema deve essere definito uno scenario di riferimento rispetto a cui viene valutato il mancato costo di esercizio del sistema edificio-impianto; lo scenario di riferimento – definito scenario base “B” – dovrebbe rappresentare una situazione ordinaria, sempre nel rispetto della legge e della normativa tecnica. Il costo sostenuto nell’i-esimo anno per la gestione della tecnologia “base” viene indicato con CBi quello per la gestione della tecnologia in esame con CXi. L’ammontare di risparmio (ovvero di “non costo”) dell’i-esimo anno viene indicato come RX/Bi, dove il pedice B indica che la valutazione è effettuata rispetto allo scenario base. “C” ed “R” possono essere espresse in energia primaria [kWh] o in maniera forse più intuitiva in denaro [euro] (chiaramente con tutti i limiti che questo può comportare). Si avrà sia per la soluzione base “B” che per quella da studiare “X”: Ci = Ce,i + Cm,i dove il primo addendo indica il costo annuale di esercizio dovuto all’acquisto di energia utilizzata dal sistema edificio-impianto e il secondo addendo indica costi occasionali di manutenzione ordinaria o straordinaria correlabili all’utilizzo del sistema edificio-impianto. Si prescinde, in prima analisi, da una valutazione di ricavi extra, riconducibili ad incentivi economici legati alla tecnologia adottata o a ulteriori costi legati a particolari forme di finan- 21 2. CRITERI DI ANALISI DEI RISPARMI ENERGETICI ziamento quali, ad esempio, i prestiti bancari. Si ipotizza, inoltre, che non ci siano apprezzabili perdite di rendimento nel tempo dell’impianto (o eventualmente nell’arco di tempo dell’analisi). Queste ipotesi semplificative potrebbero essere eventualmente superate attraverso fattori moltiplicativi o altri accorgimenti numerici. Il profitto annuale sarà espresso come: π i = RX / Bi = C Bi − C Xi Analisi non attualizzata Si definisce con “I0” l’investimento iniziale legato al maggior esborso rispetto allo scenario base necessario per adottare la tecnologia in analisi. Si definisce con “T” l’arco di tempo di analisi (non necessariamente legato alla vita utile della tecnologia analizzata, anche se sarebbe la scelta più naturale). Si ha: T Ip = ∑ C Xi − CBi 0 I0 che esprime, sotto forma di multipli dell’investimento iniziale, quante volte viene recuperato l’investimento nell’arco di tempo T. ⎞ ⎛ T ⎜∑ C Xi − C Bi ⎟ ⎟ ⎜ Ipm = ⎜ 1 ⎟ / T I0 ⎟ ⎜ ⎟ ⎜ ⎠ ⎝ ovvero è il profitto medio nell’arco temporale T valutato rispetto all’investimento. Ad esempio se la tecnologia “X” richiede un esborso ulteriore di 1.000 € e consente, rispetto allo scenario “B”, per 15 anni di recuperare 200 € e per 5 anni a causa di malfunzionamenti di sprecare 100 €, si ha: Ip = 15( 200) − 5(100) 1.000 = 2,5 e Ipm = 2,5 / 20 = 0,125 detto in altri termini il mio investimento mediamente mi fa recuperare il 12,5% l’anno e mi consente un ricavo in 20 anni pari a due volte e mezzo lo sforzo iniziale. Analisi attualizzata Per raffinare l’analisi e renderla più realistica è opportuno tenere conto della variazione nel tempo del costo dell’energia e del costo del denaro attraverso i tassi di inflazione rispettivamente del costo dell’energia “g” e del costo del denaro “f”. Tali termini permettono di “attualizzare” un flusso di denaro futuro relativo all’anno j-esimo ad un anno di riferimento che, nel caso in esame, è l’anno dell’investimento o anno “zero”. Un ulteriore elemento di raffinazione nell’analisi potrebbe essere l’introduzione di un tasso di sconto “i” dell’utente per tenere conto del migliore interesse ottenibile con un investimento 22 MANUALE DEGLI IMPIANTI RADIANTI alternativo e misura il “costo dell’immobilizzazione del denaro” nell’impianto; tale ulteriore parametro è interessante nei casi in cui la realizzazione di un impianto non sia una soluzione comunque necessaria ma una scelta strategica (per esempio spesso accade nella realizzazione di un impianto solare fotovoltaico o generalmente per investimenti tecnologici); se non lo si vuole usare lo dovete semplicemente annullare nelle espressioni seguenti. Generalmente si ha, indicando con il pedice “zero” il valore attualizzato all’anno di riferimento e ipotizzando tassi costanti nel tempo: ⎛1+ g ⎞ j RX / Bj,0 = RX / Bj ⎜ ⎟ ⎝ 1+ i ⎠ ⎛1+ f ⎞ K j,0 = K j ⎜ ⎟ ⎝ 1+ i ⎠ j I due precedenti parametri individuano rispettivamente il valore del ricavo e di costo del generico anno “j” attualizzato all’anno di riferimento o anno “zero”, e si utilizzano moltiplicando il valore del ricavo e del costo del j-esimo anno per un fattore correttivo relativo al j-esimo anno e calcolato con la formula precedente; tale fattore proporziona il valore di un ricavo o di un costo futuro rispetto all’anno di riferimento, tenendo in considerazione che normalmente il costo del denaro e dell’energia variano. Nella relazione precedente, per non appesantire la notazione, la voce del ricavo è indicata sempre con “R” ed è relativa alla differenza dei costi di acquisto della sola fonte di energia tra scenario “X” e “B” e non anche ad altri costi che vanno computati nel termine “K”; questa finezza per distinguere tassi di variazione del costo dell’energia e del denaro differenti. L’ipotesi di considerare i parametri “i”, “f”, e “g” costanti può essere chiaramente superata se si ha cognizione precisa del valore assunto da tali parametri nel tempo (si può anche ipotizzare una riduzione degli stessi e se ne tiene conto inserendo i parametri con il segno algebrico meno). Ad esempio considerando che il gas potrebbe costare ogni anno il 2% in più (g = 0,02), il risparmio di 200 € fra 10 anni corrisponderebbe in realtà ad un risparmio ad oggi di: 10 ⎛1+ 0,02 ⎞ RBj,0 = 200 ⎜ ⎟ ≅ 244[€] ⎝ 1+ 0 ⎠ Analogamente se la moneta si svaluta del 3% l’anno e fra 7 anni dovessi svolgere un intervento di manutenzione per 300 €, in futuro dovrei trovarmi in tasca l’equivalente ad oggi di: 7 ⎛1+ 0,03⎞ K j,0 = 300 ⎜ ⎟ ≅ 369[€] ⎝ 1+ 0 ⎠ I parametri Ip e Ipm, possono essere ricalcolati utilizzando, più correttamente, gli indici precedentemente presentati come fattori moltiplicativi dei ricavi e dei costi; in questo caso Ip viene definito “indice di profitto”. Si definiscono inoltre: T ⎛ ⎛1+ g ⎞ j ⎛1+ f ⎞ j ⎞⎟ VAN X →B = ∑⎜ RXBj ⎜ − K j ⎜ ⎟ ⎟ ⎜ ⎝ 1+ i ⎠ ⎝ 1+ i ⎠ ⎟⎠ 0 ⎝ 2. CRITERI DI ANALISI DEI RISPARMI ENERGETICI 23 ovvero il profitto risultante e attualizzato dalla gestione per T anni della tecnologia scelta rispetto all’adozione dell’impianto tipo “B”; il VAN è espresso nella stessa unità di misura dei flussi di cassa, tipicamente euro. Un VAN positivo indica una soluzione più conveniente dell’impianto tipo “B”, mentre un VAN nullo o negativo indica rispettivamente una soluzione che non porta vantaggi economici o addirittura penalizzante. Confrontando diversi scenari alternativi (a parità di proiezione temporale T) si considera più vantaggioso in termini assoluti lo scenario che determina il VAN più elevato. Ad esempio se risparmio 100 €/anno e ho costi per 10 €/anno con tassi g, f, i, pari rispettivamente a 2%, 3% e 1,5% si ha in 2 anni: 2 ⎛ ⎛ 1+ 0,02 ⎞ j ⎛ 1+ 0,03 ⎞ j ⎞⎟ VAN X →B = ∑⎜ 200 ⎜ −10 ⎜ ⎟ ⎟ ⎟ = 200 ⋅1,0051 −10 ⋅1,0151 + ⎜ 1+ 0,015 1+ 0,015 ⎝ ⎠ ⎝ ⎠ ⎠ 0 ⎝ + 200 ⋅1,0052 −10 ⋅1,0152 = 382 € Tenete conto che i tassi di inflazione variano esponenzialmente ed è facile che nel giro di alcuni anni tendano a far incrementare i valori della sommatoria di alcune decine di punti percentuali. L’indice di profitto rende una misura adimensionale del risultato, consentendo un confronto tra diverse soluzioni alternative normalizzate all’ammontare dell’investimento iniziale; si considera più vantaggioso in termini relativi l’investimento avente Ip maggiore. Tale parametro, a mio avviso, dovrebbe sempre essere affiancato all’analisi del VAN fornendo una misura dell’efficienza di un investimento, poiché confronta il vantaggio assoluto rispetto all’investimento iniziale. Ip = VAN X →B I0 Per pesare la bontà del valore scelto per “i” si dovrebbe ricorrere, inoltre, al calcolo del tasso interno di sconto, TIR, ovvero quel valore virtuale di “i” – nel prosieguo chiamato semplicemente i* – che determinerebbe una situazione limite di profitto netto nullo dopo T anni ovvero: T ⎛ ⎛ 1+ g ⎞ j ⎛ 1+ f ⎞ j ⎞⎟ i * risolve → 0 = ∑⎜ RBj ⎜ − C j ⎜ ⎟ ⎟ ⎜ ⎝1+ i *⎠ ⎝1+ i *⎠ ⎟⎠ 0 ⎝ Il TIR è utile poiché consente di capire quanto rischioso e vantaggioso sia un investimento per l’utente anche qualora si sia valutato in modo non opportuno il tasso “i”; lo scarto tra i e i* consente di valutare la flessibilità delle conclusioni economiche al variare di circostanze anche non previste; se ad esempio lo scarto tra i due valori è solo del 10% potremmo ritenere che circostanze ad oggi non previste, o comunque il cui impatto sull’investimento sia significativo, rendano l’investimento eccessivamente fragile, nel senso che aspetti non previsti – qualora si verificassero – potrebbero ribaltare il giudizio sulla convenienza dell’investimento annullandosi il VAN (o peggio diventando negativo). A titolo di esempio il costo dell’immobilizzazione di denaro nella realizzazione di un impianto solare da 200 kWp potrebbe essere elevato anche a causa di fermi impianto per guasto dei 24 MANUALE DEGLI IMPIANTI RADIANTI dispositivi elettronici; la strategia di frazionare opportunamente la potenza su più inverters e il relativo piano di ammortamento di somme per la manutenzione straordinaria può scaturire anche dall’esigenza di prepararsi a fermi impianto a causa di guasti. Prevedendo piani di finanziamento più flessibili e più sostenibili, si ottengono tassi di sconto “i” più bassi e ci si allontana dalla condizione i = i* che indica un investimento non vantaggioso e quindi inutile. Può pure definirsi per ultimo un tempo di ritorno, TR, ovvero un anno in cui il profitto diviene definitivamente non negativo e rappresenta l’anno in cui si recupera l’extracosto dell’impianto scelto rispetto alla soluzione B. Tale parametro può calcolarsi eventualmente adoperando i fattori correttivi di attualizzazione. In sintesi con quanto discusso si valutano cinque utili parametri, VAN, Ip, Ipm, i* e TR calcolabili più correttamente attraverso fattori di attualizzazione. Se ci si impadronisce di questi concetti si riescono a fare analisi molto intelligenti. Parametri ambientali Nell’ottica di dare un peso ecologico ad una qualsiasi forma di risparmio energetico, si potrebbe quantificare il risparmio di kWh conseguito anche in termini di mancata emissione di “indicatori di inquinamento”; solitamente si utilizzano come indicatori alcuni sottoprodotti correlabili all’utilizzo di energia. Tra gli indicatori più diffusi e comodi da calcolare esiste la mancata emissione di CO2, espressa in unità di massa/kWh risparmiato. Solitamente si stabilisce un proporzionalità diretta convenzionale tra i kWh ottenuti dalla combustione (o riconducibili alla combustione di energia primaria correlata) e la conseguente emissione di anidride carbonica; ad esempio si assume per il gas metano un valore di emissioni evitate pari a 0,67 kg CO2/kWh risparmiato. In alternativa si può calcolare l’ammontare di kWh risparmiati nel periodo T esprimendoli in TEP1. Si potrebbero inoltre calcolare indici espressi dal costo della non emissione, rapportando l’investimento iniziale ai kWh o ai TEP risparmiati nel periodo T. 2.1.2. Applicazione ai consumi energetici di un sistema radiante L’analisi dei potenziali risparmi energetici di un impianto radiante può essere non semplice. La considerazione diffusa che l’impianto radiante di per sé garantisce risparmi economici è non corretta e fuorviante; potrei indicare numerose circostanze in cui un impianto radiante non correttamente concepito ed inserito in un contesto edificio-impianto abbia determinato sensibili incrementi dei consumi, tanto da rendere l’intervento impiantistico assolutamente inadeguato e dispendioso energeticamente! Bisogna soppesare caso per caso alcuni aspetti e valutare quanto siano significativi se calati nella situazione specifica. Per potere quantificare in che modo l’impianto radiante potrebbe contribuire a far risparmiare energia si tenga conto dei seguenti aspetti: 1Una TEP è assunta pari a 12.407 kWh. 49 CAPITOLO 3 PROGETTAZIONE DELLO SCAMBIO TERMICO ❱❱ 3.1. Scambio termico radiativo Si riporta la relazione discussa nel primo capitolo per computare lo scambio termico radiativo tra due superfici: WR1−2 = (T14 − T24 ) cosθ1 cosθ2 dA dA σ ∫∫ r 2 1 2 ⎛ 1 1 ⎞ π A1 1−2 A1,A2 ⎜ + −1⎟ ⎝ε1 ε 2 ⎠ la relazione può essere applicata di fatto attraverso opportuni algoritmi semplificati tramite calcolatore e appositi software; tali programmi generalmente non sono commercialmente diffusi e restano purtroppo appannaggio di contesti accademici o di attività progettuali particolari. I programmi semplificano il calcolo integrale suddividendo l’ambiente in un mosaico solitamente a maglie quadre delle superfici e ipotizzando che la singola “mattonella” sia descritta da un valore di temperatura superficiale. Affinché l’ipotesi sia ragionevole si deve considerare una maglia sufficientemente fitta. Il calcolo che si ottiene approssima quindi l’integrale ad una sommatoria e la precisione può essere scelta in funzione dello scopo del calcolo, similmente a quanto svolto dalla UNI EN ISO 10211 per uno studio numerico dei ponti termici. Le maglie non necessariamente devono essere quadrate e di dimensioni costanti. Gli scambi termici sono trattati per lo più in regime termico stazionario. Questo approccio è seguito da alcuni validi testi di approfondimento ai quali rimando per i necessari dettagli1, ma adesso vorrei proporre alcune valutazioni qualitative per fissare le idee ed evitare possibili conclusioni grossolane. Fattori che influenzano lo scambio per irraggiamento La relazione di cui sopra consente di identificare 3 elementi progettuali: 1) il fattore di vista, parametro con il quale si è inteso correlare la reciproca visibilità tra due superfici; 2) la differenza di temperatura; 3) l’emissività delle superfici. Vado per punti partendo dall’aspetto forse più complesso: 1 Il manuale “Climatizzazione con Sistemi Radianti” di Michele Vio edito dalla Editoriale Delfino affronta l’argomento in maniera eccellente e qui non si vuole riproporre un approfondimento sviluppato già in maniera superiore dall’Autore. 50 MANUALE DEGLI IMPIANTI RADIANTI a) L’integrale è proporzionale al fattore di vista e contiene tre importanti informazioni, infatti le superfici A1 e A2, caratterizzate per definizione da una temperatura considerabile omogenea per ciascun punto, hanno un’estensione, una distanza ed un’angolazione reciproca punto per punto. In termini qualitativi e generali si può indicare che l’energia scambiata per radiazione è funzione crescente della superficie, sia di A1 che di A2. Per fare un esempio apparentemente banale un pavimento radiante che irradia 200 W verso un soffitto, ne irradia una quota proporzionalmente inferiore verso una parte di esso. Si può anche indicare che se le due superfici A1 e A2 sono parallele tutti i loro punti irradiano in funzione della solo distanza tra le superfici (costante); nel caso di superfici inclinate alcuni dei punti di A1 si troveranno più vicini ai punti di A2 e tenderanno ad avere uno scambio termico maggiore; è del resto vero che l’angolo sotteso tra i punti di A1 e A2 è variabile e questa variabilità (secondo la legge del coseno) potrebbe far incrementare o diminuire la potenza scambiata. In genere comunque l’aspetto “distanza” influisce in maniera notevole trovandosi al denominatore elevata al quadrato. Questi tre aspetti si combinano fra loro e determinano considerazioni non necessariamente usuali e intuitive. Cerco di spiegarmi meglio con degli esempi: Figura 3.1. Effetti del fattore di vista La figura vuole rappresentare una barretta che si trova a diversa temperatura da blu (più fredda) a rossa (più calda). I punti “A”, “B”, e “C” giacciono sullo stesso piano, comune alla barretta. Il punto “A” si trova molto vicino alla zona calda e lo scambio con essa sarà maggiore, anche perché i punti della barretta rossa si trovano sottesi da angoli al minimo di circa 45° (il punto al confine con la zona gialla). Diverso il caso dei punti della zona fredda (blu), tutti alquanto distanti e comunque visti sotto angoli molto “ripidi”, determinando un ulteriore riduzione dello scambio termico. “A” comunque si trova abbastanza vicino alla zona gialla e ne sentirà l’influenza anche se alcuni punti sono “visti” sotto angoli ridotti (ad esempio per i punti al confine con la zona blu). Se ci allontaniamo dalla barretta, i punti B e C saranno comunque meno soggetti a scambio termico con la barretta; in particolare il contributo della zona calda (rossa) diminuisce principalmente per l’accresciuta distanza. Per il punto “B” la distanza tra la zona rossa e gialla è 3. PROGETTAZIONE DELLO SCAMBIO TERMICO 51 simile, come simili sono gli angoli sottesi; in pratica però “B” sarà più influenzato dalla temperatura della zona gialla perché maggiore è la sua estensione rispetto alla striscia rossa. La riduzione dello scambio con la zona rossa è ancora più marcato per il punto “C” ancora più distante e più “angolato” di “B”. Per “C” lo scambio con la zona fredda è massimo. Questo tipo di riflessioni possono essere calate in contesti più usuali come in figura: Figura 3.2. Differenze qualitative in ambiente Per semplicità le due pareti con i mattoncini sono a temperatura costante. Delle due la parete di sinistra è la più calda. Si vuole esplorare differenze qualitative tra i punti 1, 2, e 3. 1 e 2 si trovano alla stessa distanza dalla parete calda, ma 2 è meglio centrato rispetto ad essa e “vede” la parete con angoli meno stretti: possiamo dedurre che lo scambio termico con la parete calda è maggiore per 2. 3 sottende i punti della parete calda con angoli non molto dissimili dai corrispondenti per il punto 2 (ricordo che l’angolo influisce secondo la legge del coseno, quindi con un contributo in modulo compreso al più tra zero e uno), tuttavia l’accresciuta distanza riduce lo scambio termico con la parete calda. Nei riguardi della parete fredda chiaramente il massimo contributo si ha su 1. Questo tipo di considerazioni resta sommario senza un calcolo esplicito. Ad esempio per 3 si può dire che lo scambio con la parete calda a sinistra sia più significativo dello scambio con la parete in fondo? Non in assoluto, infatti faccio notare che la parete fredda resta la più estesa delle due e lo scambio termico che si instaura con il punto 3 potrebbe determinare in definitiva una sottrazione di calore dal punto 3. Inoltre le temperature non sono state dichiarate e le conclusioni potrebbero ribaltarsi di conseguenza. b) Lo scambio avviene per differenza di temperatura; questo sembra banale, ma non lo è affatto, tant’è che spesso i miei Clienti più soddisfatti sono quelli che hanno le case peggio isolate. Va infatti tenuto presente che le superfici non si trovano alla stessa temperatura e il contributo di scambio risulta di conseguenza variabile punto per punto. 52 MANUALE DEGLI IMPIANTI RADIANTI Faccio un paio di esempi: 1) in inverno un pilastro con ponte termico non corretto sarà certamente più freddo della parete corrente; un pavimento radiante tenderà a dare un maggiore contributo verso il pilastro. Similmente una parete ben isolata tenderà a prelevare meno calore dal pavimento radiante. 2) un pavimento radiante in estate preleverà più calore da un infisso irradiato direttamente dal sole (e che si trova magari a 45 °C) rispetto alla stessa parete. Per lo stesso motivo il raffreddamento di una parete isolata e massiva potrebbe attivarsi significativamente solo la sera quando l’onda termica dovuta all’irraggiamento delle ore diurne alza la temperatura della parete interna al di sopra della temperatura superficiale del terminale radiante. Il Lettore dovrebbe fare attenzione che le temperature compaiono alla quarta potenza e riconoscere quanto questo amplifichi le variazioni della potenza scambiata. c) Il valore di emissività dei materiali usuali e più diffusi in edilizia è elevato e si assesta per molti materiali ad almeno 0,8 nel campo dell’IR, range di lunghezze d’onda su cui si ha massima emissione per le temperature tipiche delle applicazioni civili; sono frequenti valori dell’ordine di 0,9 (che indicano la capacità di assorbire il 90% della radiazione ricevuta e di rifletterne e trasmetterne solo il 10%). Ricordo, fra l’altro che per una determinata lunghezza d’onda e per data temperatura l’assorbanza di un materiale è pari alla sua emissività: detto in altri termini quanto assorbe, tanto riemette. Questo determina una scarsa dipendenza dell’impianto radiante dal tipo di finitura adoperata, purché – certo – la si riesca a portare ad una ben precisa temperatura. In linea di principio superfici lisce e riflettenti nel visibile (ad esempio alcune resine, alcune piastrelle, il marmo) potrebbe avere emissività un poco più bassa; di contro materiali porosi quali il parquet risultano migliorativi (anche se di per sé risulta più difficile portarlo alla temperatura di progetto perché contenente nei pori aria, ottimo isolante termico). Un soffitto radiante installato su cartongesso, specie se scabro, ha emissività alquanto elevata. Alcune legende metropolitane indicano le superfici di colore scuro migliori per gli impianti radianti; il “colore” della superficie ha significato nel campo del visibile ed è una proprietà non necessariamente correlata all’emissività del materiale; basti come esempio il ghiaccio, che non è certo un materiale nero nel campo del visibile, ma con un valore di emissività tra i più alti. Anche il vetro presenta un’emissività per niente trascurabile, contribuendo ad emettere ed assorbire energia in misura sensibile2. In linea generale comunque le usuali finiture superficiali applicate sugli impianti radianti non necessitano di accurate valutazione progettuali nei riguardi delle loro proprietà radiative; possono altresì essere trascurate le riflessioni perché costituiscono tipicamente un contributo inferiore al 10%; quest’ultima affermazione generale ho avuto personalmente occasione di smentirla per un impianto con finitura superficiale resa da una piastrella lucida e in prossimità di un ampia vetrata: in inverno si creavano condizioni tali da ridurre sensibilmente la potenza termica radiante del pavimento al mattino, quando il vetro raggiungeva la temperatura minima giornaliera e contribuiva in misura ridotta alla radiazione riflessa dal pavimento! Questo tipo di “scoperta” può essere accessibile tramite una termocamera IR. 2 Il vetro normale ha nel campo dell’IR emissività pari a 0,85 per cui riflette e trasmette al più il 15% dell’energia ricevuta. 3. PROGETTAZIONE DELLO SCAMBIO TERMICO 53 In termini generali posso suggerire dei criteri di massima da valutare caso per caso: 1) i pavimenti radianti tendono ad influenzare maggiormente gli occupanti di un ambiente, che sono praticamente a contatto con le superfici, rispetto a sistemi a parete e soffitto; questo comportamento risulta smorzato o annullato se ci sono ostacoli allo scambio termico radiativo quali mobili e tramezzi; sempre per la notevole vicinanza agli occupanti, il pavimento radiante contrasta bene certe superfici fredde, ad esempio dovute alla presenza di vetrate o di pareti poco isolate; 2) in caso di mobilio, tappeti ed in genere di ostacoli si dovrebbe valutare il soffitto radiante, visto che il contributo a pavimento risulterebbe ridotto o assente; questo è particolarmente vero per circostanze in cui gli occupanti si trovano in posizione orizzontale (massimo fattore di vista con il soffitto) quale si verifica in camere di albergo o nelle degenze ospedaliere; 3) il pavimento irradia bene le zone basse dei locali e di conseguenza si sposa bene con il trattamento di strutture alte (essendo ridotto lo spreco per irraggiamento verso le porzioni alte dei locali); la situazione del soffitto è complementare e risulta più vantaggioso per le strutture basse, potendo determinare altresì sprechi su quelle più alte (notevole irraggiamento nelle porzioni alte degli ambienti). Un soffitto radiante può semmai contrastare bene la presenza di una vetrata specie se in posizione elevata poiché rende il massimo scambio termico nella fascia alta; 4) strutture allungate come i corridoi si prestano meglio al trattamento a parete, avendosi a disposizione generalmente una quadratura superficiale radiante favorevole e per la stessa motivazione sono da evitare trattamenti a soffitto specie su corridoi alti e stretti; 5) installazioni a parete tendono ad avere fattore di vista ed estensioni tipicamente bassi negli usuali ambienti moderati e sono altresì soggetti all’ombreggiamento permanente dei mobili se non correttamente valutati. Tendono a scambiare principalmente con pavimento e soffitto in strutture più ampie che alte e molto poco con la distante parete opposta, potendo altresì determinare fastidiose asimmetrie radianti per gli occupanti. 3.1.2. Fattori che influenzano lo scambio per convezione Lo scambio per convezione su di un impianto radiante è stato studiato da diversi Autori che hanno proposto relazioni adattate a circostanze precise. Le discuto a seguire. Adesso mi interessa ricordare che dal punto di vista teorico si tratta di computare la potenza termica discussa dalla seguente espressione: WC = Ahc tsk − ta dove: Wcindica la potenza scambiata per convezione [W] con aria a temperatura ta [K]; A indica la superficie attiva dell’impianto [m²] a temperatura tsk [K] (il pedice sk sta per “skin” – “pelle” in lingua inglese); hc è la conduttanza convettiva espressa in [W/m²K]. Lo studio della convezione si riconduce quindi a determinare la conduttanza. 62 CAPITOLO 4 STRUTTURA DI UN IMPIANTO RADIANTE ❱❱ 4.1. Architettura generale L’impianto radiante è una parte di un impianto termico che sfrutta lo scambio di energia tramite superfici termicamente “attive”; penso sia utile che ricordi che il concetto di superficie attiva fa riferimento alla possibilità di portare, si spera in maniera controllata, la temperatura della superficie radiante al di sopra o al di sotto della temperatura dell’aria e delle restanti superfici di un locale. In queste condizioni si ha scambio di energia tra la superficie attiva e l’ambiente moderato, ed in particolare scambio con l’aria per convezione e con le pareti per irraggiamento. L’impianto termico è solitamente di tipo idronico1 ed è costituito essenzialmente da: 1) generatore termico; 2) organi atti a garantire valori ottimali di portata/temperatura del fluido termico; 3) organi di controllo dei parametri ambientali (in figura termostati T1, T2 e T3 asserviti ad attuatori termoelettrici “Te” o a valvole di zona “VZ”). Figura 4.1. Layout di un sistema radiante 1 Non vi dimenticate che la soluzione radiante era adoperata dagli antichi romani in alcune terme e ville nobiliari inviando aria calda in appositi canali sotto il pavimento. 4. STRUTTURA DI UN IMPIANTO RADIANTE 63 Tutti gli schemi idraulici sono comunque riconducibili a questa struttura essenziale ed è bene riconoscere che il buon funzionamento di un “sistema radiante” dipende dall’idoneo funzionamento e concepimento di tutti questi organi. Il fatto che la superficie attivata si trovi a pavimento, soffitto o parete è poco determinante nell’ottica dell’architettura generale del sistema. La potenza termica di questo tipo di sistema è, come spero di avere motivato, fortemente condizionata dalla temperatura dell’aria ed in particolare dalla temperatura delle superfici non attive (compresi gli occupanti quindi) e si riescono a fornire, in determinate circostanze potenze decisamente superiori a 100 W/m². Il vero limite alla massima potenza scambiata è dato da due ragioni fondamentali: 1) il valore della temperatura delle superfici non attive; 2) l’esigenza di garantire idonee condizioni funzionali e di comfort per la destinazione d’uso degli ambienti e dei materiali presenti al loro interno. Il secondo punto merita da subito un commento. Spero di avere lasciato intendere quanto sia significativa ai fini del benessere la temperatura radiante di una superficie ed in particolare in relazione alla temperatura delle altre superfici in ambiente; la scelta di un valore di temperatura radiante di una superficie attiva deve quindi compendiare esigenze termiche e fisiologiche alla stessa stregua di quanto accade per un impianto di condizionamento per il quale un getto diretto di aria a 15 °C non compendia correttamente esigenze termiche e fisiologiche. La progettazione del sistema radiante deve quindi tenere in conto la percezione ambientale degli occupanti, in relazione alle condizioni degli stessi (abbigliamento, attività, posizione), in termini di scelta della temperatura radiante e di analisi di possibili asimmetrie radianti da trattare. C’è anche un altro aspetto dietro le parole “idonee condizioni … funzionali”. I materiali adoperati per le superfici attivate sono soggetti a variazioni di temperatura, di volume e di umidità; queste variazioni possono determinare condizioni di stress meccanico al di fuori di un idoneo campo di lavoro dei materiali per come installati; in particolare si possono creare danni meccanici, formazione di muffe, esalazione di inquinanti. Caso affine ma capace di sollevare di per sé problematiche funzionali specifiche è la formazione di condensa superficiale ed appare chiaro quindi che un sistema radiante non è preposto al controllo dell’umidità assoluta che resta a carico di altri dispositivi. Una caratterizzazione degli impianti radianti si può avere in funzione delle modalità di attivazione termica della superficie; generalmente la soluzione più adottata consiste nell’attivazione della superficie per conduzione tramite uno strato di supporto che può assolvere anche ad altri scopi funzionali; il trasferimento di energia si attua tramite apposite tubazioni o tramite resistenze elettriche inserite nello strato di supporto. La disposizione delle tubazioni segue criteri geometrici che devono conciliare esigenze di istallazione, economiche ed energetiche; in funzione dei materiali adoperati si cercherà in altri termini di avere la massima superficie di scambio, possibilmente uniforme emissione di energia sulla superficie, controllo dei costi iniziali e di gestione2. 2 Quando si allude ad una congrua progettazione energetica ed alla limitazione dei costi si vuole indicare anche la necessità di limitare e ottimizzare il costo dell’energia meccanica per movimentare il fluido attraverso una corretta progettazione idraulica. 64 MANUALE DEGLI IMPIANTI RADIANTI La norma UNI 1264 e la UNI 15377 descrivono 7 categorie di impianti, pur non escludendo soluzioni differenti e li identificano con le lettere A, B, C, D, E, F, G. Senza entrare in alcuni dettagli che, per lo scopo del presente manuale considero troppo specifici, vi voglio indicare che la suddivisione punta più che altro a rappresentare schemi realizzativi da potere trattare secondo opportuni criteri e algoritmi matematici di calcolo. La norma UNI 15377 segue un modello fisico e simula il sistema costituito dai tubi, dal supporto che li contiene e dalla superficie di scambio come un insieme di resistenze termiche al passaggio di calore e riconduce lo studio al calcolo di una resistenza termica globale tra fluido termico e ambiente. La norma UNI 1264 segue un approccio operativo attraverso correlazioni tra alcune variabili del sistema e le condizioni di lavoro; per questo motivo tale norma è solitamente più discussa dai Fornitori di sistemi radianti, perché fornisce istruzioni operative per i laboratori di misura presso cui certificare le potenze emesse. ❱❱ 4.2. Soluzioni radianti 4.2.1. Soluzioni con supporto inerziale Si tratta della soluzione più diffusa, specialmente per ragioni geografiche e storiche, trattandosi di un’applicazione che si presta bene per l’edilizia del nord Europa (in cui si è diffusa) realizzata in prevalenza da edifici a bassa elevazione, ad elevato rapporto Cv3, tipico delle villette o delle case bifamiliari, con stagione invernale lunga e intensa. La norma 1264 la definisce tipologia “A”4 e la introduce in prima battuta per il pavimento radiante. Si riporta una sezione trasversale longitudinale del solaio: Figura 4.2. Tipologie sistemi “A” e “C” 3 Rapporto tra la misura della superficie esterna disperdente dell’involucro dell’edificio e il corrispondente volume lordo. 4 La norma distingue anche una tipologia “C” che costituisce una semplice variante in cui si realizza uno speciale sottofondo massivo in cemento, per come descritto a seguire, interessante in previsione di interventi di sostituzione e/o ripristino delle finiture. 4. STRUTTURA DI UN IMPIANTO RADIANTE 65 In cui: 1 – rivestimento di finitura; 2 – strato di ripartizione dei carichi; 3 – tubo riscaldante; 4 – strato di protezione quale ad esempio una barriera impermeabile; 5 – strato di isolamento; 6 – soletta portante; 7 – strato di separazione quale potrebbe essere una barriera impermeabile; 8 – strato livellante. Gli elementi pregnanti di questa soluzione sono dal punto di vista tecnico: –– il riscaldamento per conduzione tra la superficie esterna del tubo e lo strato di ripartizione/livellamento; –– la presenza di un isolamento sulla parte retrostante per dare una direzionalità prevalente al flusso termico; –– l’opportunità di realizzare un sottofondo di ripartizione dei carichi di tipo massivo solitamente cementizio, anidritico o magnesico anche se non mancano applicazioni in altri materiali quali la sabbia. Figura 4.3. Fonte sistema Georg Fischer – Soluzione cementizia 66 MANUALE DEGLI IMPIANTI RADIANTI Figura 4.4. Fonte sistema Tolin – Soluzione in sabbia Il supporto deve avere idonee caratteristiche meccaniche per sostenere i carichi e le sollecitazioni legate alle variazioni di temperatura. In campo industriale sono frequenti realizzazioni nelle pavimentazioni dimensionate per sostenere carichi maggiori. Figura 4.5. Fonte sistema Velta a sinistra e Eurotherm a destra – Soluzione “industriale” Per la presenza del pannello isolante lateralmente e al di sotto del supporto si realizza una soluzione “galleggiante” o “flottante”, cioè meccanicamente svincolata dalla struttura muraria di contenimento. Questo tipo di realizzazione è opportuna per limitare da una parte le dispersioni di calore verso il basso e assorbire le variazioni di volume e gli spostamenti verso le pareti. Come ulteriore effetto positivo si determina una sensibile riduzione della propagazione di rumori, ulteriormente migliorabile tramite opportuni accorgimenti che interrompono il contatto diretto tra la caldana attiva e gli elementi fissi del fabbricato (si usano giunti, finiture, pannelli isolanti speciali, tutti materiali elastici).
