B.4
Impianti termici a bassa temperatura
Sono impianti in cui, a differenza di quelli tradizionali, il calore viene trasmesso
maggiormente per irraggiamento.
Sistema a radiatore
(convezione)
Sistema a parete
radiante
Sistema a pavimento
radiante
Utilizzano temperature dell’acqua di mandata e ritorno molto modeste, questo implica
un notevole risparmio energetico e la possibilità di integrazione con impianti solari
termici.
tradizionale
Bassa
temperatura
mandata
70-80°C
45-50°C
ritorno
60-70°C
38-42°C
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B.4
Impianti termici a bassa temperatura
Ricercatori francesi hanno stabilito che il corpo umano, in locali in cui la velocità
dell’aria è mantenuta al disotto di 0,15 m/s, percepisce un valore di temperatura detto
“operante”(To) pari ad una temperatura media tra la quella dell’aria (Taria) e la
temperatura media radiante (Tmr) di tutti gli oggetti che circondano l’individuo stesso
(pareti, mobili, ecc).
To =
Taria + Tmr
2
Dal grafico fornito dal costruttore del sistema
non vi sono differenze nella temperatura
operante, nel caso di riscaldamento convettivo
o radiante. È possibile, quindi, avere la stessa
sensazione di benessere dell’impianto
tradizionale limitando la temperatura.
L'Istituto "Für technische Physik der
Frauenhofer Gesellschaft" ha rilevato che per
ogni grado di temperatura dell'aria in meno si
ottiene un risparmio energetico di circa il 7%,
si possono superare risparmi energetici del
35% rispetto agli impianti tradizionali.
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Fonte: System Service
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B.4
Impianti termici a bassa temperatura
Oltre al risparmio in termini di energia è importante il loro apporto positivo al benessere
dell’edificio.
Dall’introduzione delle norme sul contenimento energetico (anni ’70), realizzarono
edifici “sigillati”che causano un incremento della concentrazione di inquinanti e quindi
un degrado della qualità dell’aria.
Nei luoghi di lavoro ad esempio nei condotti degli impianti di climatizzazione se non
puliti frequentemente si sviluppano funghi, muffe e batteri, che possono provocare
irritazioni malattie agli occhi e alle vie respiratorie, si sono rilevati malattie dovute alla
ventilazione di questi ambienti come ad esempio care reumatismi, artrosi e cefalee.
Nelle abitazioni invece i radiatori o i ventilconvettori presenti rendono più secca l’aria,
a causa delle elevate temperature le correnti convettive generano notevoli squilibri
termici tra pavimento e soffitto, si inoltre generano fenomeni di combustione delle
polveri in prossimità dei radiatori (rilevabile dall’alone in prossimità della parte
superiore dell’elemento scaldante), con generazione di gas aggressivi .
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B.4
Impianti termici a bassa temperatura
Le tipologie di impianti a bassa temperatura che andremo ad analizzare:
•Pavimento radiante
•Soffitto radiante
•Radiatori a zoccolo o a battiscopa
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B.4
Impianti termici a bassa temperatura
Pavimento radiante
Realizzato tramite serpentini in tubo di rame o materie plastiche, inseriti tra guaine
isolanti e materiali ad elevata conducibilità. Riesce a ridurre lo squilibrio termico tra
soffitto, pavimento e pareti.
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B.4
Impianti termici a bassa temperatura
Lo strato isolante tra la soletta ed il massetto di sottofondo.
La sua funzione è quella di evitare che il calore apportato dai tubi passi nella zona
sottostante, fornendo così calore incontrollato ad ambienti che non lo richiedono.
L’isolante può essere piano o sagomato superiormente per facilitare la posa delle
tubazioni.
Sottofondo isolante ( Fonte: Giacomini )
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Sottofondo isolante ( Fonte: Giacomini )
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B.4
Impianti termici a bassa temperatura
In funzione del carico termico è possibile stabilire il passo dei tubi, maggiore è il carico
da fornire minore sarà il passo dei tubi, minimo 50mm o 70mm fino ad un massimo di
300mm per grandi aree.
La lunghezza (l) del circuito è un parametro di progetto, ed è funzione del diametro,
tipo di tubo, della portata e delle perdite di carico.
Indicato con G la portata in l/h e con di il diametro interno del tubo in mm, la perdita di
carico distribuita del circuito può essere calcolata con relazioni, fornite del produttore
del tubo che si utilizza:
Tubo in polipropilene 18x2
con di 14 mm (?)
ρ ⋅ v2  λ ⋅ l 
G2
∆p =

 = 191,4 ⋅ l ⋅
2  di 
di
Di solito si fa un dimensionamento a perdita di carico costante e si usano delle curve
empiriche fornite dal produttore dell’impianto per la scelta della lunghezza in funzione
del diametro e della portata.
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B.4
Impianti termici a bassa temperatura
Supposta una perdita costante di 20 kPa, e considerati due diametri commerciali 14 e 16
mm, dalla tabella si calcola la lunghezza del tubo nota che sia la portata.
tabella 1
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B.4
Impianti termici a bassa temperatura
Se invece è nota la quantità di calore che deve emettere l’impianto (Watt) allora si può
utilizzare la seguente tabella:
tabella 2
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B.4
Impianti termici a bassa temperatura
La stesura dei tubi a pavimento può essere realizzata con geometrie diverse.
Si ricorre spesso ad un sistema detto “a ritorno rovesciato” per mantenere il più
omogenea possibile la temperatura superficiale del un locale.
Qualora ci siano ampie superfici vetrate è possibile infittire il passo dei tubi nelle loro
vicinanze, per aumentare l’emissione termica.
Secondo la normativa EN 1264-3 le aree
periferiche con temperatura superficiale più
alta (fino ad un massimo di 35°C) possono
essere situate in prossimità della parete
esterna vetrata con una profondità massima
di 1 m. In questo caso è consentita una
differenza tra temperatura superficiale e
temperatura ambiente fino a 15 °C, mentre
per le superfici interne di stazionamento la
differenza tra la temperatura media
superficiale del pavimento e l’ambiente non
deve superare i 9°C.
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B.4
Impianti termici a bassa temperatura
La Temperatura dell’acqua è un parametro fondamentale sia per il risparmio energetico
che per le condizioni di benessere.
E’ importante che andata e ritorno siano tenuti il più possibile entro un salto termico
contenuto.
In ogni caso più la temperatura dell’acqua è bassa maggiore sarà l’economicità di
gestione del sistema. La temperatura dell’acqua varia a seconda del tipo di
pavimento.
In ogni caso essa va limitata a 45°C per i pavimenti normali e 55°C per quelli
particolarmente isolanti.
Il salto termico tra andata e ritorno indicato dalla
EN 1264-3 essere 0 °C< d < 5 °C; un ? T = 8°C
tra Tm e Tr è piuttosto comune nella
progettazione corrente.
In ogni caso la temperatura massima di andata va
legata alla differenza di temperatura ammessa tra
pavimento e ambiente, che ad esempio entro i
bagni può giungere a 9 °C (temperatura interna
24°C).
Fonti Rinnovabili di Energia
Temperatura
superficiale
pavimentazione
Tipo di ambiente
27°C
Ambienti di lavoro
29°C
Abitazioni e uffici
30°C
Sale
32°C
Bagni, piscine
35°C
Zone marginali
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B.4
Impianti termici a bassa temperatura
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B.4
Impianti termici a bassa temperatura
Per eseguire il dimensionamento dell’impianto bisogna:
1. Calcolare le dispersioni termiche dell’edificio Q [W/ m2]
2. Se è nota la temperatura di mandata dell’acqua, allora , conoscendo la temperatura
interna del locale, si individua il valore di ? Th
3. Mediante i grafici che legano Q [W/m2] a ? Th (°C) si individua il passo occorrente
4. Se invece è noto il passo T, allora si determina mediante i grafici q = f(? Th) il
valore di ? Th e da questo si trova il valore richiesto della temperatura di mandata
dell’acqua.
Il calore scambiato dal pavimento radiante è pari a:
Q = K ⋅ S ⋅ ∆Th
Con ? Th si indica la differenza di temperatura media logaritmica:
Tm − Tr
∆Th =
Tm − Ta
ln
Tr − Ta
Ta rappresenta la temperatura dell’ambiente
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B.4
Impianti termici a bassa temperatura
In base alla temperatura desiderata nell’ambiente e alla temperatura di mandata si puo
stabilire il ? Th:
tabella 3
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B.4
Impianti termici a bassa temperatura
Bisogna inoltre considerare il tipo di rivestimento del pavimento:
tabella 4
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B.4
Impianti termici a bassa temperatura
tabella 5
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B.4
Impianti termici a bassa temperatura
tabella 6
Con le piastrelle si riesce ad ottenere migliore scambio termico rispetto agli altri due
materiali.
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B.4
Impianti termici a bassa temperatura
Esempio
Supponiamo di voler riscaldare un ambiente di 16m2 ed un fabbisogno termico Qtot pari
a 1000W (860 kCal/h) con pavimento in piastrelle, con temperatura di mandata pari a
45°C e temperatura dell’ambiente di 20°C, con un impianto a pavimento con un tubo
della sezione di 14mm.
1. Dalla tabella 1 calcolo la lunghezza del tubo: l = 160m
2. Dalla tabella 2 con la lunghezza del tubo (l) calcolo la portata: G = 182 l/h
3. Calcolo ora la temperatura dell’acqua di ritorno: Trit= 40°C
Q = G ⋅ ρ ⋅ cH O ⋅ (Tmand − Trit )
2
m3
kg 4,18 kJ
1kW = 0,182
⋅ 985 3 ⋅
(45°C − Trit )
h
m 3600 kg ⋅ K
4. Si calcola il ? Th con Ta pari a 20°C e si ottiene: ? Th= 22,40°C
5. Da tabelle 6 si può stabilire il passo dei tubi con Q = 1000/16 = 62,5 W/m2: T=30
cm cioè il massimo ottenibile con questa tecnologia.
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B.4
Impianti termici a bassa temperatura
Regolazioni
La regolazione avviene attraverso un opportuna centralina, che aziona una valvola
miscelatrice a tre vie posta sul collettore centrale adattando la temperatura in base a ciò
che rilevano le sonde sulla temperatura esterna e sulla mandata dell’acqua
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B.4
Impianti termici a bassa temperatura
La centralina regola l’impianto in base a delle curve di taratura scelte in funzione delle
condizioni climatiche:
Ad esempio se la temperatura di progetto è di -10°C la curva di taratura è quella viola,
se la temperatura esterna è di -7°C il nostro impianto avrà una temperatura
dell’acqua di mandata pari a
43°C, se noi volessimo
aumentare tale temperatura
basterà spostasi sulla curva di
taratura a 0°C, ottenedo cosi la
temperatura massima di
mandata 45°C.
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B.4
Impianti termici a bassa temperatura
Il pavimento radiante può essere utilizzato anche per raffrescare l’ambiente, utilizzando
però materiali di copertura con elevata conducibilità e non moquette, altrimenti si
ridurrebbero troppo le rese già basse dell’ impianto.
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B.4
Impianti termici a bassa temperatura
Secondo i dati del produttore per una abitazione dotata di sistema di raffrescamento e
senza il raffrescamento si hanno i seguenti andamenti della temperatura interna:
I due andamenti
sono identici con
un ? T costante di
circa 4°C ?
Dati relativi al mese di Agosto in Svizzera (fonte Giacomini).
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B.4
Impianti termici a bassa temperatura
Il controllo dell’umidità dell’ambiente, viene effettuato attraverso una centralina, che
comanda una valvola a tre vie miscelatrice.
All’impianto a pavimento è consigliabile
aggiungere dei ventilconvettori realizzando
così un impianto di questo tipo:
E’ possibile
sostituire la caldaia
con un opportuno
impianto solare
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B.4
Impianti termici a bassa temperatura
Dimensionamento e Regolazione
La temperatura minima dell’acqua è di 14°C con tale temperatura il frigorifero lavora
con rendimenti elevati.
Ad esempio un pavimento di 100 m2 con piastrelle per un assorbimento di 35 W/m2 ha
bisogno di un energia frigorifera di 3500 W.
Ipotizzando un COP del frigorifero di 3,5 la richiesta di energia elettrica sarà di:
Pfirg
3500
COP =
⇒ Pelettr =
= 1000W
Pelettr
3,5
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B.4
Impianti termici a bassa temperatura
Le regolazioni sono gestite sempre da una centralina che segue una curva di taratura
diversa da quella invernale.
La temperatura di mandata non
scende mai sotto i 14°C ed inizia a
salire leggermente con pendenza
programmabile a partire dalla
temperatura esterna di 25°C. La
pendenza della curva (da 0,2 a 0,8 )
va scelta in funzione della
temperatura interna che si desidera
avere nel locale e della umidità
relativa.
In ogni caso una pendenza intorno a 0,3 è ideale per il pavimento; eventuali correzioni
sono possibili agendo sul regolatore.
La centralina è inoltre dotata di una sonda anticondensa che misura l’umidità relativa delle
pareti più fredde, se l’umidità raggiunge il 95% allora la centralina si sposta su un’altra
curva di taratura.
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B.4
Impianti termici a bassa temperatura
Realizzazione di una Chiesa
(fonte: Giacomini)
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In un ambiente
così grande il
produttore
dell’impianto
riesce ad
garantire una
temperatura
dell’aria di
18,5°C
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B.4
Impianti termici a bassa temperatura
Soffitto radiante
Sono sistemi radianti in grado di mantenere un benessere omogeneo all’interno del
locale, minimizzando le differenze di temperatura sia in senso verticale che orizzontale.
Andando ad agire inoltre sulla temperatura delle pareti, è possibile ottenere la stessa
sensazione di benessere utilizzando temperature dell’aria interne più vicine a quelle
esterne rispetto ai sistemi tradizionali, riducendo notevolmente i consumi energetici.
Tali sistemi vengono inseriti in contro-soffitto e possono quindi essere integrati con
impianti a tutta aria, elettrici ….
Sono facilmente installabili ed ispezionabili.
Soffitto radiante (Fonte Giacomini)
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B.4
Impianti termici a bassa temperatura
Le rese sono state calcolate dal produttore in base alla norma DIN4715.
I risultati ottenuti sono mostrati nel grafico sottostante dove sono riportate sia le rese
invernali che estive. I dati si intendono validi per l’area attiva ossia l’area dove sono
presenti i pannelli dotati di diffusori.
La Norma DIN4715 permette di approssimare il calcolo della resa Q [W/m2] con la
formula:
Con ? T=Tamb-Tacqua pari a
10°C (valore consigliato
della norma) si può avere
una resa del soffitto di 100
W/m2 in condizioni di
raffrescamento e 90W/m2 in
condizioni invernali.
Q = c ⋅ ∆T
È opportuno che la temperatura
dell’acqua non scende sotto i
15°C in estate né superi i 35°C
in inverno. È bene inoltre
limitare il ? T tra mandata e
ritorno a 2 °C o 3 °C.(?)
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B.4
Impianti termici a bassa temperatura
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B.4
Impianti termici a bassa temperatura
Esempio
Supponiamo di voler riscaldare un ambiente di 16m2 ed un fabbisogno termico Qtot pari
a 1000W (860 kCal/h), con temperatura di mandata pari a 35°C e temperatura
dell’ambiente di 20°C, con un impianto a soffitto.
La superficie attiva dell’impianto è compresa tra il 75-80% di quella totale.
Ipotizzando sia del 75% si ha: Aeff = 16.0,75 =12 m2
Quindi dovrò coprire con il mio impianto Q = 1000/12 = 83,3 W/m2
Dalla tabella delle rese vedo che posso adottare un ? T = 9°C, cioè posso avere una
temperatura di mandata più bassa.
Termografia di un pannello
radiante (fonte System Service)
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B.4
Impianti termici a bassa temperatura
Dimensionamento Estivo
Dalle rese indicate nel grafico e dalla potenza richiesta Q è possibile ricavare il numero
di pannelli attivi necessari.
Stabilita la temperatura ambiente (in genere 26-27°C ed un ? T dell’acqua di 2 o 3 °C),
si ricava il ? Tacqua - ambiente come:
∆T =
Tm − Tr
T −T
ln m a
Tr − Ta
Conoscendo poi l’area attiva del pannello scelto si ottiene la resa di ogni pannello
usando il grafico delle rese e quindi, dalla potenza richiesta, il numero di pannelli
necessari n.
Qtot
Qtot = Q pannello ⋅ n ⇒ n =
Qpannello
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B.4
Impianti termici a bassa temperatura
Calcolo della portata d’acqua
La porta d’acqua per ogni anello si calcola come:
Qpannello ⋅ n
G=
⋅ 0,860
∆Th o ⋅ ch o
2
2
dove ch20 rappresenta il calore specifico dell’ acqua 1 kCal/kg °C.
Affinchè il flusso dell’acqua all’interno dei circuiti sia turbolento (e quindi siano
garantite le rese dichiarate) è bene che la portata per ogni anello sia superiore a 200 l/h.
A fianco è mostrata, con una termovisione, la situazione delle temperature del soffitto
Giacoklima serie GK dopo 10 min dall’avviamento. È stata utilizzata una temperatura di
mandata di 16 °C con una portata di 320 l/h. La temperatura ambiente è di 26 °C.
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B.4
Impianti termici a bassa temperatura
Schema impiantistico
I pannelli radianti vengono collegati tra loro come in un impianto due tubi, con un tubo
di mandata ed uno di ritorno.
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B.4
Impianti termici a bassa temperatura
Radiatori a battiscopa
Tecnologia inventata negli Stati Uniti negli anni ’50, in Europa nel 1953 fu realizzato in
Germania il primo radiatore a zoccolo, in Italia fu prodotto solo nel 1966 ma non trovo
mercato.
Radiatore costituito da una coppia (mandata e ritorno) di tubi in rame o in alluminio
alettati, posizionato generalmente lungo le pareti più fredde.
L’aria riscaldata per contatto con la superficie alettata
del tubo salendo lentamente riscalda la superficie
della parete che emette irraggiando verso l’ambiente
circostante.
Le temperature di esercizio non superano i 55-60°C
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B.4
Impianti termici a bassa temperatura
Si segnano le tubazioni di andata e di ritorno per ogni circuito.
Nei locali, per garantire il calore dove sono previsti mobili fissi quali cucine o armadi a muro, i
moduli possono essere installati sullo zoccolino degli stessi purché sia alto 12 cm.(ma cosi non
scaldo anche il mobile ed il suo contenuto?)
Si scelgono i moduli per tutte le pareti a seconda della loro lunghezza usando delle tabelle
facendo attenzione che la lunghezza massima di moduli riscaldanti per un circuito è di 20m.
(Causa eccessive perdite di carico?)
Si calcola i fabbisogno termico del locale Qtot .
Si ricava la resa del modulo dividendo Qtot per la lunghezza dell’impianto.
Si ricava il ? T dalla tabella fornita dal produttore entrando con la resa termica ottenuta.(avere la
temperatura di mandata,quella dell’aria della stanza..?)
Si sceglie la portata del circuito tenendo presente che la portata massima consigliata è di 150lt/h.
Si calcola il salto termico:
∆TH O
2
Qtot
=
cH O ⋅ G
2
Si determina la temperatura di mandata mediante la formula: Tm = Tam + ? TH2O, verificando che
sia uguale o inferiore alla temperatura massima del progetto.
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