PIASTRE RADIANTI R PANEL

MANUFACTURER: BGVM
R
TYPE: R Panel
®
PIASTRE RADIANTI R PANEL
APPROFONDIMENTI SCIENTIFICI
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APPROFONDIMENTI SCIENTIFICI
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LA TECNOLOGIA R PANEL
La BGVM opera alla ricerca delle interazioni che in natura favoriscono la massima
situazione di benessere termico per l’uomo, nel pieno rispetto per l’ambiente. In questo
contesto si è avuta inequivocabile conferma che i parametri che più influenzano il comfort
termico sono i seguenti:
•
•
•
•
Temperatura delle strutture interne dell’ambiente
Temperatura dell’aria
Umidità relativa dell’aria
Velocità dell’aria
Intervenendo principalmente sul primo di questi parametri, che come vedremo contribuisce in
modo principale nella definizione del comfort, R Panel propone un innovativo modo di
climatizzare, ottenendo elevati risparmi energetici ed un salto qualitativo in termini di vivibilità
e comfort!
Gli R Panel si inseriscono nel settore degli impianti di riscaldamento ad irraggiamento
ma rappresentano al tempo stesso una grande innovazione dal punto di vista della tecnologia e
dei risultati ottenuti.
Essi, grazie alle loro peculiarità, consentono di riprodurre negli ambienti condizioni naturali di
comfort, associate ad un elevato risparmio energetico; gli R Panel - da ciò la compatibilità
con le energie alternative - risultando eccellenti terminali anche per i più moderni impianti a
pannelli solari.
I vantaggi più evidenti per la salute ed il benessere offerti dalla tecnologia R
Panelpossono essere così riassunti:
1.
RIDUZIONE DEI MOTI CONVETTIVI E TOTALE ASSENZA DI CORRENTI D’ARIA;
2.
ELIMINAZIONE DEI FENOMENI DI STRATIFICAZIONE DELL’ARIA E CONSEGUENTE ASSENZA DI GRADIENTE
TERMICO VERTICALE (CHE PROVOCA IL FENOMENO DEI “PIEDI FREDDI”);
3.
BASSA DEUMIDIFICAZIONE DELL’ARIA
(VENGONO
EVITATE LE IRRITAZIONI ED I FASTIDI CAUSATI DALL’ARIA
TROPPO SECCA).
Gli R Panel sono stati sottoposti ad una lunga e severa sperimentazione i cui esiti
sono stati al tempo stesso straordinari e conformi alle nostre aspettative teoriche.
Sottolineiamo, infine, che alla funzionalità degli impianti R Panel si abbina
un'indiscussa gradevolezza estetica che, unita alla possibilità di personalizzare i pannelli con
decorazioni di proprio gradimento, offre l'opportunità di trovare piacevoli soluzioni
d'arredamento.
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L’IRRAGGIAMENO E IL CLIMA
I parametri che concorrono a determinare il clima dell’ambiente sono innumerevoli e
dipendono da: posizione geografica, conformazione dell’ambiente, irraggiamento solare,
altitudine, piovosità, venti, livello termico, flora, umidità dell'aria e la non meno influente
temperatura media ambientale.
Anche l'architettura e i materiali impiegati per la costruzione degli edifici contribuiscono
a determinare il microclima; così, le situazioni climatiche a cui possono essere esposte gli
esseri umani sono molto diverse.
Come mostreremo più in dettaglio in seguito, l’energia radiante dell'ambiente ha la
facoltà di interferire in modo diretto nei processi di termoregolazione del corpo (essa, come il
vento, può modificare fortemente la percezione del caldo e del freddo a parità di temperatura
dell’aria).
In particolare, il trasferimento di calore per energia radiante è funzione del coefficiente
d'irraggiamento dei corpi; così accade che quando nevica e il suolo si copre di una coltre
bianca, lo scambio termico radiante tra il soggetto e l’ambiente diminuisce, perché il
coefficiente di emissione del terreno innevato è minore di quello del terreno senza neve. Ciò si
traduce in una minore percezione del freddo.
All'aumentare dello scarto termico tra temperatura corporea e ambiente gli effetti
indotti dall'irraggiamento assumono proporzioni molto ampie.
L’ARIA COME VETTORE TERMICO ED IL SUO RICAMBIO
Nei sistemi di climatizzazione a convezione l’aria è il vettore primario per il trasporto di
calore verso l’ambiente. Le portate necessarie non sono solo determinare dal ricambio per
garantire la respirazione e la diluizione degli odori, ma soprattutto dall’entità delle dispersioni
termiche. Per tali sistemi, creare un ricambio d’aria induce un’evidente mutazione del livello
termico all’interno del locale ed implica forti costi energetici.
Nei sistemi radianti, l’aria non è il mezzo per l’immissione d’energia termica
nell’ambiente, in quanto il supporto energetico è fornito da un sistema radiante che
interviene modificando la temperatura media ambientale (temperatura media delle strutture
fisiche interne all’ambiente); il calore si trasferisce direttamente ai soggetti da riscaldare,
determinando la condizione globale di benessere. Risulta così chiaro come creare un moderato
ricambio d’aria non comporti particolari costi energetici.
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RISCALDAMENTO DEGLI AMBIENTI
I Sistemi di riscaldamento hanno lo scopo di compensare le dispersioni di calore del
corpo umano al fine di mantenere un prefissato grado di benessere termico. Per
questo scopo, si sono sviluppate due diverse tecniche di riscaldamento che utilizzano
rispettivamente la trasmissione di calore per convezione e per irraggiamento.
SISTEMI A CONVEZIONE NATURALE
Nei sistemi a convezione naturale
(impianti con caloriferi o corpi scaldanti
statici in genere) il controllo
della temperatura corporea si realizza
modificando la temperatura dell'aria.
Questa tecnica determina un'elevata
dissimmetria termica verticale e un
basso rendimento del trasporto di calore
dal terminale ai soggetti che vi
risiedono.
SISTEMI A CONVEZIONE FORZATA
Nei sistemi a convezione forzata il
controllo della temperatura corporea si
realizza ugualmente modificando la
temperatura dell'aria di un locale.
Rispetto agli altri sistemi convettivi si
ottiene una migliore distribuzione del
calore; di contro, si generano fastidiosi
flussi d'aria nell'ambiente.
I SISTEMI RADIANTI R PANEL
T2
T1
T1
Il sistema radiante R Panel è stato
progettato per regolare le dispersioni
termiche dell’uomo intervenendo sui
parametri che ne determinano il
benessere. Il calore si diffonde in modo
uniforme nell'ambiente in quanto,
utilizzando l’irraggiamento si riducono
fortemente i moti convettivi ed il
gradiente termico.
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DIFFUSIONE DEL CALORE PER IRRAGGIAMENTO
Le frequenze più alte dell'infrarosso
sono prodotte dai corpi ad alta
temperatura; si trasmettono in
condizioni di contatto visivo e
determinano notevoli dissimmetrie
termiche.
La fascia intermedia dello spettro
infrarosso presenta una minore
penetrazione, il calore si trasferisce per
contatto visivo, si determinano
dissimmetrie termiche.
Le frequenze più basse dello spettro
sono prodotte dagli oggetti che ci
circondano (pareti, finestre, arredamenti,
ecc.); sono poco penetranti e si
diffondono uniformemente nell'ambiente.
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BILANCIO TERMICO E SITUAZIONE DI BENESSERE
Il corpo dell'uomo è produttore di calore e, in quanto tale, deve disperdere una
quantità prefissata di calore “Q” con l'ambiente per trovarsi in situazione di benessere
termico.
Come ordine di grandezza, la potenza termica prodotta dal corpo umano è di circa
70 W; tale calore deve essere disperso verso l’esterno affinché ci sia equilibrio termico e,
di conseguenza, benessere. Se le dispersioni superano tale valore, si registrano sensazioni
di freddo; se sono inferiori, si registrano sensazioni di caldo.
Energia dispersa per irraggiamento
Lo scambio termico per radiazione nasce
tra la superficie della persona (pelle vestiti) e le superfici circostanti (finestre,
muri, radiatori)
Equazione del bilancio termico dell'uomo
Prof. P. O. Fanger
Energia dispersa per convezione
La dispersione termica dovuta agli effetti convettivi e quella dovuta agli effetti radianti è
indicata mediante due angoli a, b. La somma di a e b è costante. Se b>a l’irraggiamento è il
fattore predominante; se b<a la convezione è il fattore predominante. Nei locali climatizzati
con R Panel, b>a. L’angolo a dipende principalmente dalla temperatura dell’aria mentre
l’angolo b dalle caratteristiche dell’ambiente ovvero dalla T.M.R.
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f= quantità di calore dispersa dal corpo per convezione
r= quantità di calore dispersa dal corpo per irraggiamento
a= angolo funzione dello scambio termico per convezione
b= angolo funzione dello scambio termico per irraggiamento
COMPARAZIONE ENERGETICA
I sistemi di riscaldamento a convezione e ad irraggiamento si differenziano sia per i principi
fisici cui fanno riferimento, sia per l'efficienza del trasporto di calore dal terminale
all'ambiente, per questi motivi non è possibile ipotizzare un mero confronto energetico tra i
sistemi sopra citati.
In conseguenza di ciò, è di primaria importanza fare una netta distinzione tra le
energie richieste (per unità di volume) nelle due diverse tecniche di riscaldamento.
Scheda di Comparazione
Concentrazione energetica richiesta
Temperatura d’esercizio
Radiatori
≅ 35 W/m3
≅ 80°C
RPanel
≅ 17.0 W/m3
≅ 50°C
Nella tecnologia R Panelaltre considerazioni che fanno riferimento sia all’effetto scudo
termico, sia al rapporto d’interferenza con le superfici dell’ambiente, possono determinare
negli ambienti di ampia superficie una sensibile riduzione degli impegni energetici previsti per
unità di volume.
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LA SALUTE
L’uomo, pur essendo dotato di complessi sistemi per la regolazione
della temperatura corporea, tollera poco gli sbalzi termici ambientali,
per cui, anche modesti salti di temperatura, possono determinare
disagio termico.
E’evidente quindi che i sistemi di condizionamento a convezione,
poiché intervengono sulla temperatura dell’aria, presentano dei limiti
d'applicazione a tutela della salute.
A tale scopo si consigliano:
•
•
Salti termici interno/esterno non superiori a 10°C
Tasso d’umidità relativa compreso tra 40% e 70%
Superando tali limiti, gli sbalzi termici prodotti ed i valori “estremi”
d’umidità, possono indurre infiammazioni nelle prime vie respiratorie
e a livello bronchiale. Se si aggiungono i possibili danni derivanti
dall’elevato inquinamento e quelli prodotti da muffe e virus (che si
concentrano enormemente negli ambienti privi di ricambi d'aria) i
fattori di rischio raggiungono livelli non tollerabili.
Gli effetti indesiderati dei sistemi ad aria sono diversi e variano dai
mal di testa, mal di gola, raffreddori, bronchiti alle malattie più gravi
come la legionella (batterio che si insedia negli impianti ad aria).
Legionella pneumophila
Nonostante i sistemi radianti a bassa temperatura siano il modo più naturale e meno
invasivo per determinare il comfort termico degli ambienti, in alcune regioni, la maggior parte
dei sistemi di climatizzazione operano per convezione.
Dal punto di vista fisiologico ed igienico, i sistemi di riscaldamento per irraggiamento sono
ritenuti i più salubri perché non sollevano polvere, non creano correnti e turbolenze d’aria
moleste, riscaldano ed asciugano i muri, consentono di mantenere l’umidità relativa dell’aria
più alta e la sua temperatura più bassa, senza creare discomfort termico.
Un elevato livello di salubrità negli ambienti viene assicurato
predisponendo in alto una bocca di aerazione; in queste condizioni
l’assenza di stratificazione termica e di rimescolamenti d’aria,
favoriscono lo spostamento dell’aria viziata e dei fumi verso l’alto per
essere espulsi in modo differenziato dalla presa d’aerazione.
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L’auto-filtrazione dell’aria ha dimostrato che, anche in presenza di
fumatori negli ambienti, il livello d’inquinamento si mantiene a livelli
trascurabili.
Nelle città l’aria ha normalmente un tasso d'inquinamento elevato, se a
questo sommiamo quello prodotto all’interno dell'ambiente (per effetto
della respirazione, delle combustioni, dei fumi e di altri agenti
inquinanti), risulta evidente che, se non si opera un adeguato ricambio
d’aria, si raggiungono livelli d’inquinamento molto elevati.
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ANALISI DELLE MUTAZIONI CLIMATICHE PROCURATE DAL
FUNZIONAMENTO DEGLI R PANEL® IN UN AMBIENTE.
TEMPERATURA MEDIA RADIANTE (T.M.R.)
La Temperatura Media Radiante, esprime la quantità di calore che il corpo dell’uomo scambia
per irraggiamento con l’ambiente. Questa assume una posizione di rilievo nel determinare il
benessere termico dell’uomo.
Se si osserva che i coefficienti d’irraggiamento dei materiali usualmente impiegati negli interni
e l’angolo d’incidenza tra l’uomo in posizione eretta e le pareti sono prossimi a uno, si può
ragionevolmente assumere la temperatura media dell’ambiente (pareti finestre arredi) come
T.M.R.
È utile inoltre evidenziare che la mutazione della T.M.R. non determina la variazione della
temperatura dell’ambiente, ma solo lo scambio di calore che si determinerebbe tra l’ambiente
ed un corpo a temperatura diversa (es. uomo - ambiente).
Nello scambio di calore tra un corpo e l’ambiente, la T.M.R. determina la quantità di calore
trasferito e quindi la velocità con cui si realizza la condizione d’equilibrio termico.
Per determinare una mutazione della temperatura degli ambienti e di quanto in essi è
contenuto, come avviene nei frigoriferi o nei forni, è necessario un intervento energetico.
TEMPERATURA MEDIA RADIANTE ED EFFETTO SCUDO TERMICO
Le piastre radianti R Panel®, per la posizione assunta nell’ambiente, hanno un effetto
schermante nei confronti delle pareti (fredde) e si propongono a loro volta come porzione di
parete a temperatura più elevata (effetto scudo termico). Questa situazione produce
un’immediata mutazione della temperatura media dell’ambiente (T.M.R.) che, esulando dal
calore irradiato, fa percepire una temperatura ambientale più mite.
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EFFETTO SCUDO TERMICO
Come già detto, la Temperatura Media Radiante esprime la quantità di calore che il corpo
dell’uomo scambia per irraggiamento con l’ambiente.
Eseguirne il calcolo, non è sempre maneggevole. Tuttavia in alcune condizioni è possibile
approssimare la T.M.R. alla temperatura media delle pareti.
Si considera, a titolo d’esempio, una superficie di 24 mq, frazionata in quatto settori in due
diverse situazioni: Temperatura uniforme e temperatura differenziata.
PARETE A TEMPERATURA UNIFORME
Poiché la superficie è a temperatura
uniforme, la sua temperatura può essere
assunta come T.M.R.
T.M.R.= 10°C
In questo caso, dato la piccola differenza
termica tra i settori, si può approssimare la
T.M.R. alla media pesata delle temperature.
[(12.5 × 6) + (11× 6) + (9 × 6) + (7.5 × 6)] = 10°C
EFFETTO SCUDO TERMICO
Sovrapponendo alla parete a 10°C una
piastra R Panel® a 50°C, a prescindere
dall’energia immessa nell’ambiente, si
determina la mutazione della T.M.R. Che
assume un valore di 14°C.Per effetto scudo
termico la percezione termica della
superficie si è spontaneamente elevata
di 4 °C.
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MAGGIORE EFFICIENZA E TEMPERATURE PIÙ UNIFORMI
A differenza dei sistemi a convezione che utilizzano l’aria come vettore termico, i
sistemi radianti non utilizzano tramiti per il trasporto di calore verso l’ambiente. In particolare,
quelli a bassa temperatura generano radiazioni infrarosse alle frequenze minori dello spettro
ed hanno la caratteristica di diffondersi in modo omogeneo negli ambienti (emissione diretta e
riflessa).
Secondo l’equazione di Boltzmann, le pareti più fredde ricevono una maggiore quantità
di calore e l’ambiente tende ad assumere una temperatura omogenea.
MINORI POTENZE IN GIOCO A PARITÀ DI COMFORT
Un impianto che utilizza la tecnologia radiante R Panel® necessita di minori potenze
installate a parità di comfort. Ai 35 W/m3 necessari ad un impianto convettivo si
contrappongono i 17 W/m3 della tecnologia R Panel®.
Ciò implica:
-
Una minore inerzia termica dell’impianto.
Una minore temperatura d’esercizio degli R Panel®.
Minori dispersioni termiche.
Maggiore efficienza di trasporto termico (rif. sistemi radianti a bassa temperatura).
Temperatura dell’aria inferiore.
Effetto scudo termico.
L’INERZIA TERMICA DELL’IMPIANTO
Un minor contenuto d’acqua determina tempi di risposta più veloci. La capacità in litri
delle piastre R Panel® varia, per i modelli standard, da 3,5 lt a 7,75 lt. Confrontando tali valori
con quelli dei normali caloriferi, si riscontra che gli R Panel® hanno un contenuto d’acqua
notevolmente inferiore. Se a ciò si somma una temperatura di regime di 50°C (la temperatura
di regime dei normali caloriferi è di 75°C ÷ 85°C) si verifica che, a parità di potenza installata,
l’impianto si porta a regime con l’impiego di una minore quantità di calore (Potenza = Energia /
Tempo) ed in tempi notevolmente inferiori.
A conferma si osserva che, i tempi di regime di un impianto a radiatore sono nell’ordine
dell’ora, mentre nella tecnologia R Panel® nell’ordine degli 10 – 20 minuti. Anche i
materiali impiegati per la realizzazione del circuito idraulico hanno un certo peso nel
determinare l’inerzia termica; di ciò si dovrebbe tenere conto in fase di progetto.
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LA TEMPERATURA DELL’ARIA
Contrariamente a quanto avviene nei sistemi convettivi dove l’aria deve essere
riscaldata molto (essendo essa stessa il mezzo di trasporto del calore verso l’ambiente), nella
tecnologia
R Panel® la temperatura dell’aria è un fattore indotto. Questa è, infatti, determinata sia
dall’irraggiamento che colpisce le particelle d’acqua (in sospensione nell’aria) riscaldandole,
sia per il contatto dell’aria con le pareti dell’ambiente. Queste a regime si portano ad una
temperatura di qualche grado superiore a quella dell’aria.
Ciò implica per i sistemi R Panel®:
-
Maggiore velocità di risposta dell’impianto;
Minori potenze in gioco a parità di comfort;
Temperatura dell’aria più bassa a parità di comfort;
Minori dispersioni termiche;
Minore deumidificazione dell’aria;
Ambienti più salubri;
Minor impegno energetico per i ricambi d’aria.
IL RICAMBIO D’ARIA
Calcolo dei costi energetici utili a riscaldare 1 m3 d’aria in un impianto a convezione ed in uno
ad irraggiamento R Panel® considerando mezzo volume/ora di ricambio come imposto nella
Legge 10/91:
IMPIANTO A CONVEZIONE
Q = Cp • (Ta – Te) = 4,52 W/ m3
Ove:
Cp = Calore specifico 1299,46 J/m3 • °C
Ta = Temperatura aria (20°C)
Te = Temperatura esterna (-5°C)
IMPIANTO AD IRRAGGIAMENTO R PANEL®
Q = Cp • (Ta – Te) = 3,70 W/ m3
Ove:
Cp = Calore specifico 1299,46 J/m3 • °C
Ta = Temperatura aria (15,5°C)
Te = Temperatura esterna (-5°C)
Dunque, effettuare il ricambio d’aria con la tecnologia R Panel® richiede un impegno
energetico inferiore del 20% rispetto agli impianti convettivi.
La normativa vigente prevede un ricambio d’aria di mezzo volume/ora per ogni ambiente. Nella
tecnologia R Panel®, il ricambio d’aria può essere effettuato sfruttando i moti convettivi
dell’aria attraverso delle aperture poste nella parte superiore delle pareti.
Considerando una velocità di fuoriuscita dell’aria di 0,2 m/s, per creare un ricambio d’aria di 1
m3/h occorre un’apertura di 0,0014 m2.
Se si considera che l’aria inquinata si stratifica quasi interamente in prossimità del
soffitto, la quantità d’aria da ricambiare a persona per ogni ora, può ulteriormente
ridursi.
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MINORI DISPERSIONI TERMICHE
Nei sistemi convettivi l’aria si mantiene ad una temperatura sensibilmente superiore a
quella dell’ambiente; ciò determina, anche a causa della fluidità dell’aria e del salto di
pressione tra il pavimento ed il tetto, notevoli dispersioni termiche ed elevati costi energetici.
Allo scopo di ridurre gli sprechi energetici la normativa vigente impone severi parametri
che favoriscano il raggiungimento del giusto compromesso tra salubrità degli ambienti, comfort
e costi energetici.
Nella climatizzazione ad irraggiamento, il calore irradiato dai terminali si trasferisce
integralmente agli oggetti presenti nell’ambiente. In pratica, a meno di finestre o porte aperte,
le radiazioni infrarosse rimangono circoscritte nell’ambiente. Per questa ragione, i sistemi
radianti mostrano un’alta efficienza rispetto a quelli ad aria.
È utile sapere che i vetri delle finestre non sono attraversati dalle radiazioni infrarosse a
bassa frequenza in quanto, l’andamento del coefficiente monocromatico del vetro è funzione
della lunghezza d'onda della radiazione: esso tende a zero per le lunghezze d’onda inferiori a
2,7 µm, mentre tende a 0,9 per lunghezze d’onda superiori.
Lo scambio di calore per irraggiamento si realizza attraverso onde elettromagnetiche
alla frequenza dell’infrarosso. Come i raggi solari queste possono attraversare lo spazio (strati
d’atmosfera a bassissima temperatura) senza perdere d’efficacia. Il fenomeno termico si
realizza solo se queste intercettano un corpo. Con gli R Panel®, le pareti e gli arredi si
riscaldano ad una temperatura superiore a quella dell’aria e divengono a loro volta sorgente di
calore. Analizzando il comportamento della parete, si nota che essa cede all’ambiente, come
moto convettivo, la maggior parte del calore assorbito. (In effetti, nell’equazione di bilancio,
verso l’interno il coefficiente globale di scambio termico diventa pari al coefficiente lineico α= 7
W/m2 °C, mentre verso l’esterno il coefficiente diventa pari a quello della parete, che
mediamente varia intorno ai 0,4 W/m2 °C).
Effettuando un bilancio termico nelle seguenti condizioni:
- Temperatura esterna: –5°C;
- Parete con un buon isolamento (K=0,4 W/m2 °C);
- Temperatura interna della parete: 21°C;
- Temperatura dell’aria: 18,5°C.
si ha che il calore immesso dalla parete come moto convettivo è pari al 63%, mentre
la dispersione termica è corrispondente al 37% del calore assorbito dalla parete.
I moti convettivi generati dalle pareti e dagli oggetti presenti negli ambienti hanno
entità minima e non equiparabile a quelli creati da un calorifero funzionante a 75 °C.
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MINORE DEUMIDIFICAZIONE DELL’ARIA
Riscaldando l’aria, si diminuisce la sua umidità relativa. L’uomo, per non avere disturbi
all’apparato respiratorio, deve respirare aria avente un tasso d’umidità intorno al 50%. Per
ogni grado d’innalzamento della temperatura dell’ambiente, il decremento percentuale
dell’umidità è circa del 5%. Da ciò deduciamo che, nei sistemi di riscaldamento R Panel®,
l’umidità relativa si mantiene mediamente più alta del 22,5% rispetto ai sistemi a convezione.
Ciò implica notevoli vantaggi in vivibilità e comfort, evitando situazioni di disturbo per
l’uomo e diminuendo il fenomeno di formazione di condensa nei muri.
AMBIENTI PIÙ SALUBRI
L’assenza di moti convettivi evita che l’aria, nel suo movimento indotto dalla differenza di
temperatura, trascini con sé polveri o quanto altro possa infastidire l’uomo nel normale
svolgimento delle attività quotidiane.
Questo aspetto risulta rilevante in presenza di allergie, ambienti che necessitano di particolari
condizioni igieniche e negli asili, dove i moti convettivi favoriscono il diffondersi di malattie.
SCHEDA COMPARATIVA DEI SISTEMI DI
RISCALDAMENTO A CONVEZIONE ED A
IRRAGGIAMENTO R PANEL
CONVEZIONE
R PANEL®
ENERGIA RICHIESTA PER UNITÀ DI VOLUME.
≈35 W/ m3
≈17 W/m3
TEMPERATURA AMBIENTE A REGIME (TA)
18°C (+2°C)
18,5°C**
CALORE DISPERSO DALLA PERSONA PER IRRAGGIAMENTO (R).
46 W/m2
27,3 W/m2
CALORE DISPERSO DALLA PERSONA PER CONVEZIONE (C).
27,1 W/m2
45,8 W/m2
TEMPERATURA MEDIA DELLE PARETI (TP).
17°C
20 - 22°C
COSTI ENERGETICI PER EFFETTUARE IL RICAMBIO D’ARIA.
4,52 W/ m3
3,7 W/ m3
STRATIFICAZIONE TERMICA
1,2 °C / m
0,2°C/m - 0,5°C/m
° riferito ai valori medi che si riscontrano nei sistemi di riscaldamento a convezione.
* Con une temperatura esterna di –5°C
** incremento di temperatura per ottenere il grado di deumidificazione dei sistemi a
convezione.
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FENOMENI RADIANTI E TEORIA DEL COMFORT
La difficile percezione dei fenomeni radianti ed in particolare delle radiazioni a bassa
temperatura, ha penalizzato la ricerca e la diffusione delle tecniche di climatizzazione ad
irraggiamento e delle nuove tecnologie.
La climatizzazione degli ambienti è per definizione un processo tecnologico diretto a
condizionare la temperatura di un ambiente, per immissione o espulsione d’aria calda o fredda.
Senza dubbio, intervenire con una sorgente energetica esterna è l’unico modo per mutare
lo stato termico degli ambienti e/o degli oggetti in esso contenuti; risulta più difficoltoso,
invece, affermare che questo sia l’unico mezzo per mutare la condizione di benessere termico
di chi vi soggiorna.
Infatti, ignorare che l’uomo possieda un sistema autonomo di termoregolazione e
paragonarlo ad un semplice oggetto, porta a dimenticare che la situazione di benessere
termico viene determinata dalla cessione di calore per convezione con l’aria e per
irraggiamento con l’ambiente (pareti, finestre, arredi).
IL BENESSERE TERMICO SECONDO IL PROF. FANGER
Il comfort termico di un essere umano non dipende esclusivamente dalla temperatura dell’aria,
ma anche da altri cinque parametri meno evidenti che sono: la temperatura media radiante, la
velocità relativa dell’aria, l’umidità, l’attività fisica e la resistenza termica dei vestiti indossati.
Le reciproche influenze di tutti questi parametri erano sconosciute prima della scoperta della
relazione del comfort termico del Prof. P. O. Fanger: “Quando una combinazione qualsiasi dei
parametri citati soddisfa questa equazione, il comfort termico della maggior parte degli
individui può considerarsi neutro”
Rif. Il benessere termico del prof. Fanger.
Secondo questo principio, non considerando altre interazioni (umidità e velocità relativa
dell’aria), la quantità di calore scambiato dall’uomo verso l’ambiente è definita dalla relazione
Q = C + R = Costante (C = scambio per convezione; R = scambio per irraggiamento).
Dal punto di vista radiante, il livello di benessere termico godibile per l’uomo è
strettamente legato alla geometria, all’ampiezza, ai materiali, alla temperatura, al coefficiente
d’irraggiamento delle superfici esposte e alla posizione relativa tra uomo ed ambiente.
LA PERCEZIONE TERMICA
Il vento ha la facoltà di incrementare lo scambio di calore per convezione. Nell’uomo ciò
si traduce in una maggiore percezione del freddo che può essere assimilata ad una
temperatura dell’aria più bassa.
Allo stesso modo, secondo il principio dello scambio di calore per irraggiamento, l’effetto
scudo termico, l’angolo d’incidenza e il coefficiente d’irraggiamento dei materiali, hanno la
proprietà di far mutare lo scambio di calore tra due corpi a diversa temperatura.
Anche in questo caso ciò induce una modifica della percezione termica nell’uomo.
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LA TEMPERATURA MEDIA DELL’AMBIENTE
La temperatura media dell’ambiente, nella tecnologia R Panel, è condizionata
dall’interazione di due eventi: l’effetto scudo termico ed il trasporto di calore verso
l’ambiente.
In questa sede, si vuole dare il giusto rilievo alla sensibile riduzione della temperatura di
benessere negli ambienti riscaldati con tecnologia R Panel, presentando due esempi di
calcolo:
- il primo dimostra l’abbassamento della soglia termica di benessere di 1,65 °C in un
ambiente di 100 m² per l’effetto scudo termico.
- il secondo una riduzione di 6,6 °C in un capannone industriale di 2.000 m², riscaldato
con tecnologia R Panel, integrata ad una tecnica di climatizzazione passiva.
Operando con una temperatura dell’aria più bassa, si determina una maggiore
concentrazione d’aria per unità di volume; ciò induce nell’uomo una riduzione del ritmo di
respiro e il rallentamento della frequenza cardiaca.
Esulando da altre implicazioni, ciò risulta particolarmente vantaggioso negli ambienti dove si
svolgono attività motorie.
CALCOLO 1:
CALCOLO DELLA TEMPERATURA AMBIENTALE RELATIVA AD
UN LOCALE DI 100 m ²
DATI
LEGENDA
s = 100 m²
h = 2,80 m
st = 320 m²
v = 280 m³
sr* = 9 m²
s1* = 50 m²
s2 = 50 m²
s3 = 110 m²
st1 = 220 m²
t1 = 18,1 °C
t2 = 20,1 °C
t3 = 19,1 °C
tr1 = 19,1 °C
tr2 = 50 °C
Tc = 27,25 °C
ε = 0,9
σ = 5,77 • 10-8 W•m-2•K-4
Superficie ambiente
Altezza
Superficie totale ambiente
Volume ambiente
Superficie R Panel
Superficie equivalente pavimento*
Superficie equivalente soffitto*
Superficie pareti
Superficie equivalente totale*
Temperatura pavimento
Temperatura soffitto
Temperatura pareti
Temperatura R Panel ad impianto spento
Temperatura R Panel a regime
Temperatura media del corpo con abbigliamento invernale
Emissività dell’ambiente
Costante di Boltzmann
* Per semplicità di calcolo, si è assunto un coefficiente d’incidenza radiante pari a 1 per le pareti (s3), mentre un
coefficiente pari a 0,5 per il soffitto (s2) ed il pavimento (s1). In funzione di ciò nella procedura di calcolo le superfici
s1e s2 sono state ridotte del 50%.
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1. Temperatura media delle pareti ad impianto spento:
tm1 = [(t1 s1) + (t2 s2) + (t3 s3) + (tr1 sr)] / st1 = 19,1 °C
Dalla formula generale per il ritrovamento delle dispersioni termiche per irraggiamento
W = σ • ε (T14 – T24)
con T = (t + 273) K
Ricaviamo la dispersione termica dell’uomo ad impianto spento.
Sostituendo si ha:
W1 = 5,77 • 10-8 • 0,9 • (300,254 - 292,14) = 44 W/m²
2. Temperatura media percepita dall’uomo ad impianto acceso:
Tm2 = [(t1 s1) + (t2 s2) + (t3 s3) + (tr2 sr)] / st1 = 20,36 °C
Si calcola la differenza di temperatura che si determina nelle due condizioni:
∆t = tm2 – tm1= 1,26 °C
Calcolo dell’energia dispersa dall’uomo nell’ambiente ad impianto acceso:
W = σ • ε (T14 – T24)
Sostituendo si ottiene:
W2 = 5,77 • 10-8 • 0,9 • (293,364 – 300,254) = 37,4 W/m²
CONCLUSIONI
Si è così mostrato che la temperatura media delle pareti aumenta di 1,26°C in seguito
all’attivazione dell’impianto (effetto scudo termico). In conseguenza di ciò, il soggetto
disperderà meno calore con l’ambiente trovandosi in una condizione di maggiore benessere
termico. In effetti, si è verificato che le dispersioni diminuiscono di 6,6 W/m2.
Ciò implica che, la condizione di benessere che ad impianto spento si raggiungeva con una
temperatura dell’aria di 19,1 °C, adesso si raggiunge con una di 17,84 °C (1,26 °C in meno).
Come indice dell’efficacia del sistema R Panel si riporta la concentrazione energetica (ρ) con
cui è stato dimensionato l’impianto.
ρ = P/V = 18,4 W/m³
Dove:
P = Potenza installata R Panel
V = Volume ambiente
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CALCOLO 2:
Si ripete la stessa procedura di calcolo in un impianto di riscaldamento con pannelli radianti
a pavimento.
Per offrire un termine di paragone si sono impostati gli stessi parametri dell’ambiente di 100
m2 del calcolo1.
Dati:
t4 = temperatura di regime pavimento = 25°C
s13 = superficie delle pareti = 119 m2 (sr + s3)
Nella procedura di calcolo è stato impostato un angolo d’incidenza pavimento - uomo pari a
30°.
1. Temperatura media delle pareti ad impianto spento:
Tm1 = [(t1 s1) + (t2 S2) + (t13 s13)] / St1 = 19,1 °C
2. Temperatura media percepita dall’uomo ad impianto acceso:
Tm2 = [(t1 s1) + (t2 s2) + (t4 s3)] / st1 = 20,58 °C
Si dimostra che (a regime) la situazione di benessere di 19,1 °C si raggiunge a 17,62 °C.
∆t = tm2 – tm1= 1,48 °C
La percezione termica per l’uomo risulta superiore di 1,48 °C rispetto alla temperatura letta da
un termometro:
Si calcola ora la potenza irradiata dal pavimento verso l’ambiente:
W4 = σ • ε (T14 – T24) • St1 = 3.150 W
Calcoliamo la potenza irradiata per unità di volume:
ρ = W4/V = 11,25 Wm3
Dove:
W4 = Potenza irradiata dal pavimento
V = Volume ambiente
CALCOLO 31:
PREMESSA
Date le condizioni critiche con cui si è dovuto operare, l’impianto è stato integrato con una
tecnica di climatizzazione passiva, atta a ridurre le dispersioni radianti, tramite l’applicazione
sulle pareti di una pellicola a basso coefficiente d’irraggiamento. (Vedi allegato 1)
In questo caso il procedimento di calcolo terrà conto anche di questo fattore.
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CALCOLO DELLA TEMPERATURA AMBIENTALE RELATIVA AD UN CAPANNONE DI
2.000 m² REALIZZATO AD ENDINE GAIANO (BG).
DATI
LEGENDA
s = 2000 m²
st = 4.808,2 m²
h = 4,50 m
sr = 147,9 m²
s1 = 1.000 m²
s2 = 1.000 m²
s3 = 660,3 m²
st1 = 2.808,5 m²
sp = 400 m²
t1 = 1,5 °C
t2 = 2,5 °C
t3 = 2 °C
t4 = 25 °C
tr1 = 2 °C
tr2 = 50 °C
tc = 27,25 °C
Superficie ambiente
Superficie totale ambiente
altezza ambiente
Superficie R Panel
Superficie equivalente pavimento
Superficie equivalente soffitto
Superficie pareti (senza R Panel)
Superficie equivalente totale
Superficie della pellicola
Temperatura pavimento
Temperatura soffitto
Temperatura pareti
Temperatura pavimento**
Temperatura R Panel
Temperatura R Panel a regime
Temperatura media del corpo con abbigliamento
invernale
Emissività dell’ambiente
Emissività della pellicola
ε = 0,9
ε1 = 0,06
** Sistema radiante a pavimento
1. Temperatura media delle pareti ad impianto spento:
Tm1 = [(t1 s1) + (t2 s2) + (t3 s3) + (tr1 sr)] / st1 = 2 °C
Dalla formula generale per il ritrovamento delle dispersioni termiche per irraggiamento
W = σ • ε (T14 – T24)
con T = (t + 273) K
ricaviamo la dispersione termica dell’uomo ad impianto spento.
W1 = 5,77 • 10-8 • 0,9 • (300,254 – 2754) = 125 W/m²
2.
Temperatura percepita dall’uomo, ad impianto acceso:
Tm2 = [(t1 s1) + (t2 s2) + (t3 s3) + (tr2 sr)] / st1 = 4,5°C
Si calcola la differenza di temperatura ambientale che si determina nelle due condizioni:
∆t = 4,5°C – 2 °C = 2,5°C
In questo caso, la temperatura media ambientale equivalente s’incrementa di 2,5°C.
Calcolo dell’energia dispersa nell’ambiente dal corpo, ad impianto attivo:
W = σ • ε (T14 – T24)
Sostituendo si ottiene:
W2 = 5,77 • 10-8 • 0,9 • (300,254-277,54) = 114,1 W/m²
Si dimostra che, ad impianto attivo, per la sola azione dell’effetto scudo termico,
l’energia dispersa dall’uomo è inferiore di 10,9 W/m².
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CONCLUSIONI
Si è così dimostrato come all’attivazione dell’impianto, per effetto scudo termico, la
temperatura media dell’ambiente aumenta di 2,6 °C e l’energia dispersa dall’uomo per
irraggiamento è inferiore di 10,9 W/m².
IMPIANTO ATTIVO + CLIMATIZZAZIONE PASSIVA
La Temperatura Media Radiante, meglio identificata come T.M.R., definisce lo scambio di
calore per irraggiamento tra la superficie della persona e l’ambiente, in particolare la quantità
d’energia scambiata è definita dalla temperatura e dal coefficiente d’irraggiamento
dell’ambiente.
Lo scambio termico uomo - ambiente è determinato dalla relazione di Boltzmann. Particolare
interesse destano le acquisizioni sul “rapporto d’interferenza” (rapporto tra la superficie
radiante installata e le superfici dell’ambiente), per effetto di questo, in ambienti di ampia
superficie, si ottengono vantaggi energetici di rilievo.
Calcolo dell’emissività equivalente εt dell’ambiente dopo l’applicazione della pellicola
riflettente:
εt = (St2 • ε1) + (Sp • ε2) / St1 = 0,78
Calcolo dell’energia irradiata dall’uomo verso l’ambiente:
Sostituendo si ottiene:
W3 = σ • ε (T14 – T24)
W3 = 5,77 • 10-8 • 0,78 • (300,254-277,54) = 98,9 W/m²
Poiché la temperatura percepita dall’uomo è identica negli ultimi due casi, mentre le dispersioni
per irraggiamento tra uomo e ambiente sono diverse, possiamo calcolare la temperatura media
ambientale che implica una dispersione di 98,9 W/m2.
Si trova che tale temperatura è 7,9°C.
Concludendo, l’applicazione della pellicola a basso coefficiente d’irraggiamento, da
un punto di vista energetico uomo – ambiente, è equivalente ad incrementare la
temperatura delle pareti da 4,5 °C a 7,9 °C.
Nel complesso, i soli effetti scudo termico + climatizzazione passiva sono equivalenti ad un
aumento della temperatura ambientale di 4,9 °C.
Ciò implica, che la condizione di benessere che prima si raggiungeva con una temperatura
dell’aria di 19,1 °C, adesso si raggiunge con una di 14,2°C (4,9 °C in meno).
Come indice dell’efficacia del sistema R Panel si riporta la concentrazione energetica (ρ) con
cui è stato dimensionato l’impianto ed i consumi giornalieri:
ρ = P/V = 9,41 W/m³
Dove:
P = Potenza installata R Panel
V = Volume ambiente
Si è verificato sperimentalmente che la situazione di benessere nel locale in oggetto, si è
raggiunta a 13,5 °C.
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SCHEDA RIASSUNTIVA
+ 1,26 °C
Calcolo 2
(amb. 100 m2)
Pann. radianti
pavimento
+ 1,48 °C
5.152 W*
3.150 W
18,4 W/m3
Weff = 18,4
(senα = 1)
11,25 W/m3
Weff = 5,62
(senα = 0,5)
Calcolo 1
(amb. 100 m2)
R Panel
PERCEZIONE TERMICA
ENERGIA IRRADIATA
NELL’AMBIENTE
CONCENTRAZIONE
ENERGETICA PER
m3 (ρ)
POTERE SCALDANTE PER
L’UOMO
Calcolo 3
(amb. 2000 m2)
R Panel + climat. passiva
+ 4,9 °C
84.690 W*
9,41 W/m3
Weff = 9,41
(senα = 1)
* In base alla certificazione fornita dal Politecnico di Milano ∆t = 30
Nel sistema radiante R Panel, l’impegno energetico per portare a temperatura di
regime i pannelli è notevolmente inferiore rispetto all’energia richiesta dai sistemi a
pavimento.
Nella tecnologia R Panel, un ambiente di 100 m2 che ha una potenza installata di 23.000 W,
va mediamente a regime in 20 min.; in questo caso lo sforzo energetico richiesto è di 7.666
W.
Lo stesso ambiente riscaldato con pannelli radianti a pavimento e con la stessa potenza
installata, va a regime in un tempo medio di 12 ore.
Calcolando che la caldaia rimane accesa per un tempo complessivo di 5 ore, la potenza
richiesta è di circa 115.000 W.
Nell’ambiente di 2.000 m2 con una potenza installata di 200.000 W, per portare a regime
l’impianto occorrono circa 2 ore, per un impegno energetico di 400.000 W.
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SISTEMI RADIANTI A PAVIMENTO
T' < T
Essendo l'energia irradiata funzione
della 4a potenza della temperatura del
corpo radiante, si evince come, sia le
dispersioni termiche, sia i salti termici
tra il liquido termovettore e la
superficie radiante determinino una
minore efficienza del sistema.
I materiali con cui è realizzata la
superficie radiante possono
influenzare notevolmente il
rendimento del sistema.
SISTEMA RADIANTE R PANEL
T ≅ T'
Il sistema radiante R Panel si approssima notevolmente ai
sistemi radianti puri.
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PERCHÉ PREFERIRE R PANEL
TRA I SISTEMI DI RISCALDAMENTO AD IRRAGGIAMENTO?
Abbiamo trattato ormai ampiamente le caratteristiche della trasmissione del calore per
irraggiamento ed i motivi per cui la stessa, possa essere considerata un’utile mezzo per il
riscaldamento delle persone.
Gli impianti ad irraggiamento più diffusi sono:
-
Sistemi radianti a pavimento.
Sistemi radianti a parete.
I primi riscaldano il pavimento che, successivamente, trasmette il calore all’ambiente.
Questo particolare tipo d’impianto presenta però alcuni problemi di fondo:
- Il riscaldamento dell’ambiente avviene più lentamente rispetto ai sistemi che usano
radiatori metallici.
- L’uso è sconsigliabile per pavimenti che possiedono caratteristiche termoisolanti
(tappeti, moquette…)
- Non possono essere superati i 25°C per evitare disagio termico ai piedi ed esistono
limiti superiori nella potenza erogata, dettati da norme (EN 1264, maggio 1992), che ne
condizionano l’utilizzo.
- I costi d’impianto sono più elevati rispetto agli impianti a termosifoni.
I sistemi a parete finora in commercio, inglobati nella struttura muraria come quelli a
pavimento, diffondono l’energia radiante attraverso le pareti dei locali.
Ciò presenta dei vantaggi in termini di comfort termico rispetto ai sistemi a pavimento,
ma i problemi relativi all’inaccessibilità dei tubi e al costo dell’impianto restano irrisolti.
La BGVM ha realizzato un sistema radiante a parete non inglobato nelle strutture
murarie. Gli elementi fondamentali di tale sistema radiante sono gli R Panel, pannelli radianti
in alluminio, attraversati al loro interno da acqua calda ed additivo, distribuiti in maniera
uniforme attraverso speciali canalette d’irrigazione.
La particolare struttura interna si coniuga alla superficie esterna, pensata per ridurre al
minimo ogni effetto convettivo.
Gli R Panel hanno uno spessore di 23 mm, forma rettangolare e dimensioni variabili
sia in altezza sia in larghezza. Essi vengono installati ad una distanza di circa 25 mm dalle
pareti con criteri analoghi a quelli dei radiatori comuni.
Il sistema radiante a parete R Panel è più economico di qualsiasi altro sistema
radiante in commercio e riesce a riunire la semplicità d’utilizzo dei radiatori comuni, con i
numerosi vantaggi in termini di comfort e risparmio energetico prima elencati in relazione agli
impianti ad irraggiamento.
L’alta efficienza dell’impianto fa sì che le superfici radianti necessarie siano di modesta
entità, permettendo piena libertà nell’arredamento degli ambienti.
Inoltre, permettono di operare il ricambio d’aria desiderato con l’esterno senza
apprezzabili costi energetici, poiché il calore si trasferisce velocemente e senza tramiti dalla
superficie radiante a quanto è presente nell’ambiente. Il sistema radiante a parete R Panel
possiede un’altra importante peculiarità: la pronta risposta termica. L’impianto, correttamente
dimensionato, riesce a creare le condizioni di comfort termico nell’ambiente, in circa 10 minuti.
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Il sistema radiante R Panel consente di ottenere un ulteriore risparmio energetico
rispetto alle percentuali prima riportate per gli altri impianti radianti; ciò perché, alle
caratteristiche comuni con altri impianti radianti, esso può aggiungere un importante effetto di
scudo termico sulle pareti ove sono posizionati i terminali (rif. T.M.R.).
Nota informativa!
®
R PANEL
by BGVM
Gli R Panel® sono tutelati da brevetti internazionali. Ogni diritto
brevettuale deve essere riconosciuto ai legittimi intestatari.
BGVM S.r.l. si riserva il diritto di modificare in qualunque momento,
senza preavviso, il contenuto della presente. Dovranno essere seguite,
in ogni caso, le normative vigenti nel paese di installazione.
E' severamente vietata la riproduzione, se pur parziale, del presente, a
meno di una autorizzazione scritta della BGVM S.r.l.
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