Università degli Studi di Salerno   FACOLTÀ DI INGEGNERIA CORSO DI LAUREA IN INGEGNERIA CIVILE TESI DI LAUREA   CONFRONTO PRESTAZIONALE ED ECONOMICO TRA IMPIANTI DI RISCALDAMENTO TRADIZIONALI E A PANNELLI RADIANTI RELATORE: CANDIDATO: Ch.mo Prof. Ing. Vincenzo Pascale Gennaro Cuccurullo Matr.: 063/000831 ANNO ACCADEMICO 2008/09

Premessa: gli impianti a pannelli radianti Gli impianti a pannelli radianti presentano prerogative favorevoli: basse temperature minori consumi libertà architettonica migliore benessere negli ambienti serviti ciò, unitamente alla raggiunta maturità installativa (componenti, materiali), ha prodotto un trend estremamente positivo anche in Italia per la quantità di impianti installata D’altra parte, ci sono difficoltà nel sintetizzare le curve prestazionali dovute a: maggiore complessità dello scambio termico in gioco complessità della geometria influenza delle condizioni al contorno Scopi ed obiettivi Studio della norma valutazione economica comparativa con diverse tipologie tradizionali di impianto in particolare si è preso in considerazione un caso reale: Chiesa di “Gesù Redentore” e relativo complesso parrocchiale in costruzione a Sant’Antonio Abate (NA). È stato scelto tale complesso per la diversità della destinazione d’uso degli ambienti riscaldati In risposta: la recente norma UNI EN 1264, caratterizzazione prestazionale basata su modelli semi-empirici.

Impianto a pannelli radianti (1/2) consiste in una tubazione a spirale entro cui circola l'acqua calda/fredda i circuiti vengono alimentati da uno o più collettori di distribuzione i circuiti sono annegati nel massetto portante del pavimento dei locali da servire L’isolante ha varie funzioni: supporto della tubazione contenere le dispersioni verso il piano inferiore ridurre l’inerzia termica del pavimento riscaldante NO corpi scaldanti, l’intero pavimento/soffitto li sostituiscono da un punto di vista funzionale. isolante/supporto tub. massetto isolante tubazione rete antiritiro banda perimetrale Sprirale = uniformità di distribuzione del calore Collettore di distribuzione solaio

Elementi comparativi con altre tipologie di terminali Impianto a pannelli radianti (2/2) Elementi comparativi con altre tipologie di terminali Proprietà Radiatore Ventil convettore Pannelli Radianti Benessere termico Qualità dell'aria Condizioni igieniche Rispetto delle forme originali degli ambienti e libertà di arredo Possibilità di abbinamento a fonti energetiche alternative a basse temperature Economia di installazione Economia di esercizio Flessibilità di regolazione Semplicità progettuale Curva del benessere termico

Norma UNI EN 1264: “Riscaldamento a pavimento - Impianti e componenti” Parametro chiave ai fini del benessere in ambiente La “curva di base” ha come obiettivo la caratterizzazione del flusso termico superficiale e ne consente la correlazione alla T del pavimento . q [W/m2] 9

Potenza termica scambiata da una sup. orizzontale Aliquota convettiva Legge di Newton Aliquota radiativa Legge di Stefan – Boltzmann D’altra parte la Tpav non è una variabile indipendente, è legata alla geometria, ai materiali e alla temperatura media dell’acqua in circolo…. Superficie infinita Letteratura Ashrae semplificato 200 q [W/m2] .

Curva caratteristica prestazionale dove: B è il coefficiente caratteristico dell’impianto in W/(m2 · K); aB è il fattore di rivestimento del pavimento in funzione di Rλ,B e di λE aP è il fattore di passo in funzione di Rλ,B aU è il fattore di ricoprimento in funzione di P e di Rλ,B aD è il fattore del diametro esterno del tubo in funzione di P e di Rλ,B P=15 cm DT=TM-TR= 5K

Emissione areica limite dove: BG è un coefficiente funzione di su, P e λE f è il fattore di conversione per i valori di Tpav,max e Ta con =ΔT0 = 9 K L’intersezione della curva caratteristica di base con la curva limite prestazionale è data dalla seguente equazione:

Curve caratteristiche “quantitative” elaborate su un caso tipo (1/2) Curve caratteristiche prestazionali e limite . . Dipendenza dell’emissione areica dal passo

Curve caratteristiche “quantitative” elaborate su un caso tipo (2/2) Verifica della Tpav

Temperatura superficiale del pavimento in funzione della temperatura di mandata 29 Tpav29°C zona soggiornale Tpav35°C zona marginale

Determinazione della portata di progetto Equazione di bilancio dell’energia qu . Ra Ta qimp . Tc Rb Rb Tb qp .

Caso studio: Chiesa di “Gesù Redentore” e complesso parrocchiale Zona aule ventilconvettori Zona sagrestia pannelli radianti Livello 2 Livello 3 Zona Casa canonica Radiatori Zona casa canonica Pannelli radianti Zona aule ventilconvettori Zona WC radiatori Livello 1

Posa dei circuiti Livello 2 Livello 1 Per ampie superfici bisogna prevedere dei giunti di dilatazione nel massetto

Giunto di dilatazione Giunti di dilatazione servono a consentire la dilatazione termica del massetto la dimensione massima dell'area contenuta tra i giunti di dilatazione è di 40m2, e comunque a dimensione massima del lato non può superare gli 8m lineari, evitare aree tra i giunti con rapporto tra i lati inferiore a 1:2, la larghezza minima del giunto di dilatazione è di 8mm, passare attraverso un giunto di dilatazione con le adduzioni e mai con parte di un circuito. proteggere il tubo che passa sul giunto con un tubo in plastica corrugato, non estendere mai la rete di rinforzo sopra un giunto di movimento.

Collocazione in Sant’Antonio Abate

Dimensionamento impianto i.e. costi iniziali Te,min=0°C Zona Superficie Volume Potenza [m2] [m³] [W] Casa canonica 141 424 11.340 Aule Livello 1 433 1.576 31.717 Chiesa 556 4.558 48.833 Salone 417 2.086 24.740 Aule Livello 2 125 437 11.545 Radiatori Livello 1 68 238 3.854 Radiatori Livello 2 9 32 697 Sagrestia 98 343 7.610 Totale 1847 9694 140.335 Talim radiatori = 70°C Talim ventilconvettori = 45 / 70 °C Talim pannelli = 38 °C

Fabbisogno energetico edificio  (no accumulo) Valori medi mensili della temperatura media giornaliera dell’aria esterna [°C] GEN FEB MAR APR MAG GIU LUG AGO SET OTT NOV DIC 10,5 10,6 13,2 16,0 19,5 24,1 26,7 26,5 23,8 19,6 15,5 12,1 Zona climatica C periodo di riscaldamento: 15 novembre - 31 marzo casa canonica costi di esercizio Maggiori costi rispetto a quelli legati al mero fabbisogno dell’edificio in quanto si tiene in conto delle perdite lungo il percorso dell’energia dalla fase di produzione a quella di distribuzione-erogazione rendimenti

Quanto calore si perde lungo la tubazione? I rendimenti FEE FEE fabbisogno energetico edificio FEI fabbisogno energetico impianto he rendimento medio stagionale di emissione; hr rendimento medio stagionale di regolazione hd rendimento medio stagionale di distribuzione hp rendimento medio stagionale di produzione rendimento medio stagionale globale hg = he . hr . hd . hp I 4 rendimenti dipendono da fattori ricollegabili alla tecnica impiantistica (scelta della tipologia di impianto e dei relativi componenti) hr he he hd hp FEI hp =Qu/FEI he =Qu/Qr hr =Qu/Qr hd =Qu/(Qu+ Qp) Quanto calore si perde lungo la tubazione?

Flusso termico lungo una tubazione (1/2) b) esterno a) interno Il problema studiato prevede: profilo di velocità sviluppato (parabolico) funzione della sola coordinata R profilo di temperatura che si sta sviluppando funzione di X e di R con scambio convettivo alla parete le due assunzioni precedenti sono giustificate dall’essere il numero di Prantl = n/a>>1 per l’acqua: ciò comporta che lo strato limite dinamico si sviluppa prima di quello termico la struttura della soluzione in termini adimensionali è del tipo: t(x,r) = (T-Tw)/(Ti-Tw) = Sn Cn fn(r) exp( - 2l 2x) i risultati sono plottati in figura per un tubazione di diametro 1 cm isolata secondo legge e per due collocazioni diverse una interna ed una esterna con riferimento ad una lunghezza tipica di 20 m si nota come sia limitato l’abbassamento di temperatura, ciò autorizza l’uso del modello 1D si nota che la temperatura dell’acqua può comportare notevoli dispersioni stante l’elevato valore della capacità termica di questa e se le portate massiche sono elevate

Si può valutare il rendimento di distribuzione Flusso termico lungo una tubazione (2/2) Te temperatura esterna Tf temperaura fluido D1 diametro tubazione R raggio esterno isolante L lunghezza del tubo Qp calore disperso Te Tf raggio medio logaritmico dove resistenza termica dell’isolante Flusso termico perso lungo la tubazione Qp Si può valutare il rendimento di distribuzione

Fabbisogno energetico impianto I rendimenti Rendimenti Pannelli Radiatori Fan-Coil (bassa temp.) (alta temp.) ηe Emissione 0,97 0,96 0,98 ηr Regolazione 0,94 0,92 ηd Distribuzione 0,87 0,77 0,85 ηp Produzione 1,02 0,90 ηg Globale 0,809 0,612 0,799 0,638 Fabbisogno energetico impianto Metano: PCI=34,02 MJ/kg , ρ=0,71 kg/m3 , prezzo = 0,40 €/m3 Fabbisogno energetico annuale di un aula e relativi costi di esercizio. Funzionamento 4h/giorno FEI [MJ] Vol Metano [m3] Costo Pannelli Radianti 3391,3 140,4 € 56,2 Fan-Coil bassa temp. 4512,9 186,8 € 74,7 Radiatori 5522,7 228,6 € 91,5 Fan-Coil alta temp 5718,4 236,7 € 94,7 Funzionamento 12h/giorno 9495,6 377,3 € 150,9 12535,9 498,3 € 199,3 15242,5 605,8 € 242,3 15884,5 631,5 € 252,6

Costi di esercizio annuali Configurazione radiatori Configurazione pannelli radianti Zona Tipologia di impianto Costi Esercizio Risparmio energetico Casa Canonica Pannelli Radianti € 263,95 € 165,89 4h= clima mite Esempio: salerno Radiatori € 429,85 - Casa Canonica Pannelli Radianti € 739,07 € 447,30 12h = clima rigido Radiatori € 1.186,38 -

Costi di esercizio annuali Configurazione pannelli radianti Configurazione fan coil Ai costi di esercizio bisogna contrapporre i costi di impianto Zona Tipologia di impianto Costi Esercizio Risparmio energetico Zone Livello 2 Pannelli Radianti € 434,12 € 297,90 (4h) Fan Coil Bassa Temp € 577,71 € 154,32 Fan Coil Alta Temp € 732,02 - Zone Livello 2 Pannelli Radianti € 810,36 € 545,24 (8h) Fan Coil Bassa Temp € 1.069,82 € 285,77 Fan Coil Alta Temp € 1.355,60 -

DESIGNAZIONE DEI LAVORI Costi di impianto TARIFFA DESIGNAZIONE DEI LAVORI U.M. quantità IMPORTI unitario TOTALE NP 001 Pannello in polistirene espanso, prodotto con sistema ad iniezione a stampo unico, autoestinguente, riciclabile, senza CFC. SPESSORE ISOLAMENTO 35 mm m2 € 16,04   Livello 1 353 Livello 2 223 Livello 3 120 Totale 696 € 11.162,75 NP 002 Tubo in polietilene mod. PEX-b reticolato con tecnologia a ”silani”, caratterizzato da qualità superiori di resistenza alla pressione. Fornito con barriera all’ossigeno in EVOH. MM 17X2 m € 2,28 2164 1505 874 4543 € 10.366,66 NP 016 Gruppo compatto di regolazione mod. PREMIX V-MAX BASSA TEMPERATURA ideato appositamente per la termoregolazione degli impianti radianti a punto fisso. 8 vie cad € 1.359,10 1 Costi di impianto casa canonica Pannelli Radianti € 9.474,03 Radiatori € 6.039,94 Costi di impianto Livello 2 Pannelli Radianti € 13.195,04 Fan Coil bassa temp. € 11.700,62 Fan Coil alta temp. € 10.711,62

Confronto economico Zona Soluzione adottata Aula liturgica e salone Casa Canonica (12h) Costi Impianto Differenza Costi Esercizio Risparmio energ. Tempo Pannelli Radianti € 9.474,03 € 3.434,09 € 739.07 € 447.30 8.4 Radiatori € 6,039.94   € 1,186.38 Zona Livello 2 (4h) Costi Impianto Differenza Costi Esercizio Risparmio energ. Tempo Pannelli Radianti € 13,195.04 € 2,483.42 € 434.12 € 297.90 9.2 Fan Coil Bassa Temp € 11,700.62 € 988.99 € 577.71 € 154.32 6.9 Fan Coil Alta Temp € 10,711.62   € 732.02 Zona Livello 2 (8h) Costi Impianto Differenza Costi Esercizio Risparmio energ Tempo Pannelli Radianti € 13,195.04 € 2,483.42 € 810.36 € 545.24 4.8 Fan Coil Bassa Temp € 11,700.62 € 988.99 € 1,069.82 € 285.77 3.6 Fan Coil Alta Temp € 10,711.62   € 1,355.60 Zona Soluzione adottata Aula liturgica e salone Aule Sagrestia e ufficio Casa canonica Pannelli radianti Ventilconvetori

Conclusioni I rendimenti rappresentano un metodo semi-empirico per valutare il fabbisogno energetico e si dimostra tipicamente più alto all’aumentare del tempo di accensione dell’impianto. Il rendimento di distribuzione è tale per cui si è praticamente autorizzati a utilizzare modelli semplici unidimensionali per il calcolo delle dispersioni nelle tubazioni. Le zone dove è d’obbligo l'utilizzo degli impianti a pannelli radianti, per le loro evidenti peculiarità, sono l’aula liturgica e il salone. Mentre, per le altre zone, la scelta dei pannelli radianti comporta un recupero del maggior costo, rispetto agli impianti tradizionali, in diversi anni. Il tempo di ritorno si riduce all'aumentare delle ore di funzionamento dell'impianto a pannelli radianti come in caso di clima rigido. Il criterio economico non è l'unico a determinare le scelte del progettista o dell'utente visto che tali impianti enfatizzano peculiarità attrattive descritte.