Calcolo dell'economicità
IL MODERNO SISTEMA PER RISCALDARE E FRAFFREDARE DAL PAVIMENTO
Scopo di un impianto di benessere è il mantenimento nell'ambiente di condizioni di comfort. Ciò significa sfruttare le caratteristiche dell'impianto in tutte le sue forme per farlo rendere meglio.
Il riscaldamento a pannello radiante è stato classificato come "non plus ultra" dai migliori esperti europei della termotecnica. E ciò a ragion veduta. Infatti per meglio comprendere la bontà del sistema di riscaldamento a pannello radiante occorre fare alcune considerazioni sui meccanismi che regolano lo scambio termico corporeo.
Va innanzi tutto ricordato che il nostro corpo sta bene non per una determinata temperatura dell'aria ma quando si verificano le condizioni di scambio termico per cui il calore prodotto dal metabolismo umano è uguale a quello disperso.
Si ricorda che ogni persona emette tra 58 W e oltre 200 W a seconda dello stato cenestesico, ossia dalla sensazione di benessere secondo l'ora, l'umore, ecc., in cui si trova (ISO 7730 Annex B).
Se il corpo umano disperde più di questo valore allora si ha la sensazione di freddo, se meno si ha la sensazione di caldo.
Dall'analisi dello scambio termico corporeo si deduce che solo il 30% avviene per convezione, mentre i 50% avviene per radiazioni ed il rimanente per evaporazione e respirazione. Pertanto il sistema più efficace per riscaldarsi e raffrescarsi è quello che si basa sullo scambio termico radiante.
Al di là di qualunque considerazione fisica, è sufficiente riandare con l'esperienza alle condizioni di malessere provate in qualche camera d'albergo, dove il riscaldamento ed il raffrescamento vengono realizzati mediante aria; in inverno la sensazione è di secchezza alla gola ed alle vie respiratorie; in estate è di dolori alle articolazioni per le "lame d'aria" che colpiscono all'uscita delle bocchette.
Scambio radiante tra corpo ed ambiente
Essendo la quota di scambio per radiazione predominante rispetto alle altre, è allora conveniente sfruttare questo principio della fisica per ottenere i migliori benefici possibili.
Sia d'estate che d'inverno è inutile apportare il calore o rimuoverlo con aumenti delle portate d'aria o aumentando inutilmente la temperatura dei radiatori; si otterrebbero solo più raffreddori da un lato e l'aumentato pericolo per i bambini dall'altro che in casa possono subire ustioni dal contatto con superfici troppo calde dei corpi scaldanti.
L'elevata quantità di calore asportato è facilmente comprensibile se si esamina la relazione di Stephan-Boltzman, che permette il calcolo del calore trasferibile da una superficie alla temperatura T1 ad un'altra alla temperatura T2.
Q = 5.67 [(T1/100)4 - (T2/100)4]
dove T1 e T2 sono espressi in °K (si ricorda che °K = °C + 273)
Quando la temperatura di un ambiente sale o scende, la temperatura delle superfici sale o scende anch'essa, tenendo ad uguagliare la temperatura dell'aria dell'ambiente. Pertanto al diminuire della temperatura ambientale aumenta dapprima il calore trasferito per irraggiamento poi quello per convezione. Il fenomeno è chiaro quando ci si ponga in inverno presso una superifcie vetrata non esposta al sole. La sensazione che ne risulta è di maggior freddo e di malessere rispetto alla sensazione che si ha al centro del locale; ciò perchè la quota di trasmissione radiante è predominante rispetto alle altre ed il corpo viene termicamente influenzato in modo asimmetrico. La compensazione a tali sensazioni si può avere solo agendo sulla temperatura operante, definita come:
t0 = 0.5 (ta + tr)
ta= temperatura dell'aria in °C
tr = temperatura radiante in °C
La temperatura operante è in pratica quella rilevata dal termometro a globo e la temperatura radiante è in pratica la temperatura media delle pareti che circondano la persona. Ne consegue che solo un riscaldamento radiante consente di sfruttare al massimo gli scambi di calore con l'ambiente, permettendo di avere la temperatura di benessere al disotto di quella "canonica" di 20°C.
Infatti tra 18°C e 19°C si hanno le condizioni migliori di comfort.
Ciò si ripercuote anche sul risparmio di energia.
Infatti la quantità di calore che la casa disperde è proporzionale alla differenza tra la temperatura interna e quella esterna.
Con una temperatura interna inferiore anche le dispersioni risultano inferiori; il risparmio conseguibile rispetto ad un impianto classico a radiatori è valutabile tra il 7% ed il 14%.
Ecco allora la soluzione per il riscaldamento a pannello radiante con tubo CLIMATHERM.
In essa vengono sfruttate al massimo le possibilità dell'impianto di scambiare energia, riducendo al minimo i consumi ed aumentando al massimo il benessere corporeo.
La sensazione di benessere infatti si ottiene con il riscaldamento a pannelli radianti per temperature dell'aria inferiori a 20°C; per questo l'impianto a pannelli non si calcola mai per temperature superiori a 20°C, ma ci si limita normalmente a 19°C; 18°C sono spesso considerati confortevoli con questo tipo di impianto, infatti la temperatura che si riscontra con un pannello radiante è molto vicina a quella operante, che in definitiva è la sola temperatura che conta per il nostro benessere.
Schemi di distribuzione
Il tubo per la distribuzione dell'acqua calda può essere posto secondo diversi schemi: quello a serpentino e quello a chiocciola.
Caratteristiche essenziali del regolatore
Il regolatore opera su due curve diverse, una per l'estate ed una per l'inverno.
La commutazione si fa con un semplice interruttore estate/inverno manuale.
Esempio di curva di regolazione estate-inverno
Impianti di raffrescamento CLIMATHERM
Una grande opportunità offerta dagli impianti a pannello radiante sta nella possibilità di utilizzare lo stesso impianto per il raffrescamento estivo.
Lo stesso pavimento può essere raffrescato mediante acqua fredda e divenire in tal modo una superficie in grado di modificare la temperatura operante dell'ambiente.
Esperienze condotte nel corso degli ultimi anni, a partire dal 1989, un pò in tutta Europa hanno indicato che il raffrescamento a pavimento è molto valido, perché si seguano alcune semplici regole e si abbia a disposizione l'apparecchiatura idonea, cioè un sistema di controllo CLIMATHERM.
Questo sistema rappresenta una opportunità unica e meravigliosa per chiunque abbia installato un impianto di riscaldamento a panelli radianti.
In questo caso, con una modica spesa aggiuntiva, si può trasformare il proprio impianto in un impianto estate/inverno.
I criteri da osservare soni i seguenti(DIN 1946)
1) La temperatura operante dev'essere inferiore a 26°C
2) La temperatura del pavimento dev'essere superiore a 19°C
3) La differenza di temperatura in verticale tra piedi e testa (da 0.1 m fino a 1.1 m di altezza) dev'essere inferiore a 3°K
4) L'umidità assoluta dell'aria dovrebbe essere non superiore a 11.5 g/kg, che corrisponde ad un punto di rugiada di 16°C a 26°C di temperatura dell'aria ad un a Umidità Relativa del 55% (si ricorda però che la norma europea ha un limite di U.R. pari al 70%).
La temperatura del pavimento influenza molto debolmente le variazioni di temperatura in verticale, in quanto lo scambio termico avviene essenzialmente per irraggiamento, come dimostrano i dati seguenti misurati sperimentalmente per condizioni di temperatura esterna uguali a 30°C.
Nota:la temperatura delle pareti è stata volutamente tenuta a 20°C.In realtà l'irraggiamento tra le superfici produce una riduzione della temperatura superficiale delle rimanenti pareti, migliorando l'effetto raffrescante.
Come si può notare, il fattore di scostamento per una persona seduta, da 0.1 m a 1.1 m di altezza, è di circa 0.4°C e rientra largamente entro i limiti previsti dalle DIN (2 K) ed a maggior ragione dalle norme europee EN (3K). La temperatura minima del pavimento raccomandata è di 19°C - 20°C per persone sedute. Entro ambienti nei quali invece si ha del movimento la temperatura può essere ulteriormente abbassata fino al limite inferiore legato al punto di rugiada.
E' interessante approfondire i risultati di una ricerca realizzata in Europa nel 1978 sugli effetti della bassa temperatura sui piedi delle persone.
Nel corso di tale ricerca (Lafstedt 1978) fu trovato che l'effetto principale sulla sensazione di freddo ai piedi è essenzialmente provocato dall'effetto dell'aria sulla parte superiore del corpo umano piuttosto che dall'effetto dell'aria nella parte inferiore del corpo, vicino ai piedi.
Questa temperatura locale dell'aria influenza leggermente la temperatura della pelle dei piedi, ma non sufficientemente per provocare cambi di sensazione.
Anche le correnti d'aria intorno ai piedi sono state accusate frequentemente di essere la causa principale di freddo ai piedi.
Contrariamente alla credenza popolare, la sperimentazione ha mostrato che i piedi e le gambe sono relativamente insensibili alle correnti d'aria.
Da prove condotte da ricercatori inglesi è emerso che la velocità dell'aria sui piedi, quando rimane inferiore a 0.25 m/s non ha influenza sulle sensazioni all'estremità inferiori.
Tutto ciò conferma ancora una volta la bontà dei sistemi di raffrescamento basati sulla cessione radiante di energia, per i quali viene a mancare la circolazione troppo spesso dannosa dell'aria dell'ambiente.
V'è in ogni caso da osservare che la sensazione soggettiva di fresco decresce significativamente con l'aumento dello scarto di temperatura tra caviglia e testa.
Se tale scarto è troppo alto si rischia di perdere l'effetto principale del raffrescamento a pavimento, cioè quello della sensazione di freschezza.
CARICO TERMICO
Per un pavimento raffrescante la emissione termica per irraggiamento è di circa 5 W/m2K e quella convettiva 2 W/m2K.
Ciò porta ad un carico frigorifero variabile tra 35 e 50 W/m2.
Sia ben inteso che tale carico asportabile ha solo l'effetto raffrescante e non quello di climatizzazione, come potrebbe essere malamente interpretato.
Risultati sperimentali
Presso diversi laboratori sono state condotte prove sperimentali destinate a valutare l'efficienza del sistema.
I valori sono stati rilevati con temperature esterne forzatamente elevate anche durante la notte per simulare condizioni di carico elevato e costante.
Valori relativi a pavimento con 7 cm sopra il tubo (incluso piastrelle) e 2 cm di isolante.
Data giugno 1994
Come si può rilevare, i valori ottenuti sono oltremodo interessanti.
Tutto ciò è ottenibile con alcuni accorgimenti:
1) Usando un sistema di controllo CLIMATHERM per controllare l'umidità ed evitare il formarsi di condensa
2) Utilizzando un passo dei tubi di 15 cm o inferiore. Per il dimensionamento è consigliabile tenere un passo tra il tubo non superiore a 10 cm e valutare una resa termica intorno a 42 W/m2.
Questa distanza è quella ottimale per un giusto compromesso tra estate ed inverno, tra riscaldamento / raffrescamento.
E' indispensabile comunque avere un controllo di temperatura in ogni vano, agente sulle teste elettriche montate sui collettori, da cui si dipartono i circuiti.
I valori relativi all'asportazione termica vanno interpretati in funzione della temperatura dell'acqua e dell'U.R.
Va in ogni caso ribadito il concetto che il raffescamento a radiazione avviene sfruttando l'asportazione energetica dal corpo umano verso la parete a minor temperatura, quindi in un "rendimento" effettivo superiore a quello che si avrebbe a parità di condizioni con asportazione mediante il sistema classico.
Un regolatore di pendenza della curva invernale consente di modificare la pendenza della curva di regolazione in modo da adeguarla alle temperature esterne di progetto (intervallo 20°C - 0°C)
Uno speciale sensore del punto di rugiada, di importanza fondamentale per l'esercizio estivo, consente di evitare il formarsi di condensa, sfruttando quindi al massimo le potenzialità del sistema.
Tale sensore viene posto sulla superficie che si desidera controllare.
Esso, collegato al sistema di controllo, si sovrappone ai comandi programmati man mano che tende a formarsi la condensa. L'ambiente resta così sempre protetto.
In pratica esso previene il formarsi di condensa, in quanto agisce quando l'umidità sulla sua superficie raggiunge il 96%.
Il sensore può essere montato su superfici piane conduttrici e fatto aderire con il nastro biadesivo.
Il sensore va usato solo per intervalli di temperatura tra 0°C e 50°C.
Principali punti che devono essere verificati prima della messa in funzione di un impianto di raffreddamento
Le installazioni di raffrescamento vanno bene quando il pavimento è di tipo litoide (piastrelle, marmi, ecc.)
Sono sconsigliabili rivestimenti ad alta resistenza termica quali moquette, parquet non incollati o altri materiali isolanti.
Vanno tenute presenti le seguenti considerazioni:
1) occorre inserire una pompa di calore, sia del tipo sole-acqua che acqua-acqua, oppure disporre di acqua con temperatura 14°C - 16°C. In questo secondo caso è necessaria dell'acqua di raffreddamento che deve essere disponibile in loco ed in quantità sufficiente.
2) Vanno fatti i collegamenti idraulici per l'inserimento del raffreddamento sull'impianto,con particolare attenzione all'isolamento delle tubazioni dell'acqua fredda.
Verificare che le pompe siano idonee per l'acqua fredda (15 - 35°C).
3) Qualora l'installazione venga effettuata su sistemi già esistenti occorre verificare la compatibilità della valvola miscelatrice e del servomotore. Occorre verificare poi come sono regolati gli anelli.
In particolare se l'impianto è esistente, allora è importante verificare se la regolazione è fatta con valvole termostatiche o con termostati ambiente.
Infatti la presenza di teste termostatiche sugli anelli potrebbe ostacolare la circolazione dell'acqua raffreddata quando le teste stesse non fossero totalmente aperte.
Per il funzionamento regolare dell'impianto occorre poi verificare se esistono locali pilota ed in caso affermativo occorre verificare la loro ubicazione nel contesto generale dell'installazione.