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 PascaleGennaro 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.

isolante/supporto tub.

massetto

isolante

tubazione

rete antiritirobanda perimetrale

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.

Impianto a pannelli radianti (1/2)

Collettore di distribuzione

solaio

Elementi comparativi con altre tipologie di terminali

Impianto a pannelli radianti (2/2)

PROPRIETÀ RADIATORE

VENTILCONVETTO

RE

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”

La “curva di base” ha come obiettivo la caratterizzazione del flusso termico superficiale e ne consente la correlazione alla T del pavimento

1.1apav

.

)T-(T · 8,92q

Parametro chiave ai fini del

benessere in ambiente

0 2 4 6 8 10 12 14 160

20406080

100120140160180200

Tpav - Ta [K]

.q [W/m2]

9

Potenza termica scambiata da una sup. orizzontale

4/3apavconv

.

)T(TλCq

0.081.32apavconv

.

)Ap

()T-(T2.16q

1.31apavconv

.

)T-(T2.18q

Superficie infinita

Letteratura

Ashrae semplificato

Aliquota convettiva Legge di Newton

Aliquota radiativa Legge di Stefan – Boltzmann

T-Tσ F= q 4j

4iijirr

.

aTpavT

LλNu

qconv

.

0 2 4 6 8 10 12 14 16

Uni 1264 Idronica Analitico Ashrae

Tpav - Ta [K]

Ashrae semplificato

0

200

q [W

/m2 ]

.

D’altra parte la Tpav non è una variabile indipendente, è legata

alla geometria, ai materiali e alla temperatura media dell’acqua in circolo….

Curva caratteristica prestazionale

lnmD

mU

mTB

.

ΔTaaaaBq DUT

aR

aM

aRaMln

TTTT

ln

TTTTΔT

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

0 5 10 15 20 25 30 35 400

20

40

60

80

100

120

140

160

180

200

ΔTln [K]

R,B [m2·K/W]

Ceramica R ,B =0.01

Parquet R ,B =0.05

P=15 cm DT=TM-TR= 5K

Emissione areica limite

Gn

GGG

TBq

ln,

.

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:

1.1

0

max,

T

TT apav

G

i

n

i

mi

GG aB

BT

1

1

ln, )(

Curve caratteristiche “quantitative” elaborate su un caso tipo (1/2)

0 5 10 15 20 25 30 35 400

20406080

100120140160180200

ΔTln [K]

Ceramica

Parquet MoquetteR ,B

=0

qG (15°C)

qG (9°C)

R ,B =0,15

P=15 cm

Curve caratteristiche prestazionali e limite

0.00 0.05 0.10 0.15 0.20 0.25 0.30 0.35 0.400

20406080

100120140160

Series1

Passo P [m]

R,B =0

Ceramica R,B =0.01

Parquet R,B =0.05

Moquette R,B =0.13

R,B =0.15

Dipendenza dell’emissione areica dal passo

.

.

0 5 10 15 20 25 30 35 400

20406080

100120140160180200

Series1Series3Series5Series7

qG 15KqG 9KP = 0,05 mP = 0,10 mP = 0,15 mP = 0,20 mP = 0,30 m

Dipendenza dell’emissione areica dal passo - Rivestimento in ceramica

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

0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 0.12 0.14 0.160

20

40

60

80

100

120

140 P=0,10 m

P=0,20 m

P=0,30 m

R,B [m2K / W]

Dipendenza dell’emissione areica dalla resistenza termica del rivestimento

Verifica della Tpav

Temperatura superficiale del pavimento in funzione della temperatura di mandata

a

1.11

.

pav T8.92

q=T

25 30 35 40 45 50 55 60 65 7020

25

30

35

40

45

50P=0,10 m

P=0,15 m

P=0,20 m

P=0,30 m

TM [K]

TPav [K] Rivestimento di Ceramica

lnmD

mU

mTB

.

ΔTaaaaBq DUT

Tpav29°C zona soggiornale

Tpav35°C zona marginale

29

Determinazione della portata di progetto

Equazione di bilancio dell’energia Tcm Q..

imp

Ta

Tb

Ra

RbRb

Tc

qu.

qimp.

qp.

b

bc

a

acp

.

u

.

imp

.

R

)T-(T+

R

)T-(T=q+q=q

bu

ba

b

a

Rq

TT

R

R.

u

..

1Tc

Aqm

Caso studio: Chiesa di “Gesù Redentore” e complesso parrocchiale

Zona aule ventilconvettori

Zona sagrestia pannelli radianti

Livello 2

Zona aule ventilconvettori

Zona WC radiatori

Livello 1Livello 3

Zona Casa canonica Radiatori

Zona casa canonicaPannelli radianti

Posa dei circuiti

Livello 1Livello 2

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

Zona Superficie Volume Potenza[m2] [m³] [W]

Casa canonica 141 424 11.340Aule Livello 1 433 1.576 31.717Chiesa 556 4.558 48.833Salone 417 2.086 24.740Aule Livello 2 125 437 11.545Radiatori Livello 1 68 238 3.854Radiatori Livello 2 9 32 697Sagrestia 98 343 7.610

Totale 1847 9694 140.335

Talim radiatori = 70°CTalim ventilconvettori = 45 / 70 °CTalim pannelli = 38 °C

)T-(Tc m)T-(TAU=Q min,eapvent

.

imin,eaii

.

Te,min=0°C

Fabbisogno energetico edificio

GEN FEB MAR APR MAG GIU LUG AGO SET OTT NOV DIC10,5 10,6 13,2 16,0 19,5 24,1 26,7 26,5 23,8 19,6 15,5 12,1

Valori medi mensili della temperatura media giornaliera dell’aria esterna [°C]

Zona climatica Cperiodo di riscaldamento: 15 novembre - 31 marzo

(no accumulo)

0

5

10

15

20

25Temperature medie mensili Fabbisogno energetico mensile

Ott Nov Dic Gen Feb Mar Apr

°CMJ

9000

6750

4500

2250

0

casa canonica costi di esercizioMaggiori 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

(t))T-(Tc m)T-(TAU=(t)Q eapvent

.

ieaii

.

)(t (t)dtQFEE.

Δtrisc

I rendimenti

FEI

he

hr

hd

he

FEE fabbisogno energetico edificioFEI fabbisogno energetico impiantohe rendimento medio stagionale di emissione;

hr rendimento medio stagionale di regolazionehd rendimento medio stagionale di distribuzionehp 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)

hp

hp =Qu/FEI he =Qu/Qr

hd =Qu/(Qu+ Qp)hr =Qu/Qr

gηFEE

c =PCI m=FEI

FEE

Quanto calore si perde lungo la tubazione?

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 paretele 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)

Flusso termico lungo una tubazione (1/2)

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

00.5025125999999911.005025099999991.507537699999992.01005032.51256283.015075399999983.5175884.020100599999974.522612999999995.025125499999995.527638399999996.0301516.532663300000047.035175999999997.53768838.0402018.5427139.0452269.54773910.05025110.55276411.05527711.55778912.06030212.56281513.06532713.5678414.07035214.57286515.075376515.5778916.08040216.582913999999917.085425999999917.5879418.09045218.59296419.09547819.5979920.10050220.60301421.10552821.608039999999922.110554000000122.61306623.11557823.6180924.12060424.62311625.125629999999825.62814126.13065326.633167000000127.1356827.63819128.140702999999928.64321529.145729999999829.648240999999930.15075330.653265000000231.1557831.6582932.16080532.663315000000433.165830000000133.668343000000234.17085334.67336735.1758835.67839436.18090436.6834237.1859337.68844238.190956000000238.69346639.1959839.69849440.20100440.703518000000341.20602841.70854642.21105642.71356643.2160843.71859444.22110744.723618000000345.226130000000445.7286446.231155000000346.7336747.2361847.73869348.24120748.74371749.2462349.7487450.2512650.75376551.25628351.75879752.26130752.7638253.266335000000453.76884554.2713654.7738755.27638255.77889656.28140656.7839257.2864357.78894458.2914658.793970000000359.29648259.798996000000360.30150660.8040261.3065361.80904462.3115662.814067999999763.3165863.8190964.3216164.8241265.3266365.8291566.331660000000166.8341767.33668567.83919568.34170568.844220000000769.3467369.8492470.3517670.8542771.356789999999971.8592972.3618172.8643373.3668473.8693574.3718674.87437475.376883999999975.87939576.3819176.8844277.3869377.8894578.3919678.8944779.3969979.899580.4020180.904526000000681.40703681.90954682.41205682.9145783.417090000000683.919590000000184.4221184.924620000000685.4271385.9296586.4321686.934680000000387.437190000000487.939788.442215000000688.944720000000689.447235000000789.9497590.4522690.9547791.4572891.959892.4623192.964820000000693.4673493.9698594.4723694.9748895.4773995.979996.48241496.984924000000797.48743497.9899598.4924698.9949899.4974810070

72

74

76

78

80

82

Tubo interno (asse)

Tubo esterno (asse)

Tubo interno (parete)

Tubo esterno (parete)

ASSE X [m]

TE

MP

ER

AT

UR

A [

°C]

100

Caduta di temperatura lungo un condottob) esternoa) interno

Te temperatura esternaTf temperaura fluidoD1 diametro tubazioneR raggio esterno isolanteL lunghezza del tuboQp calore disperso

Te

Tf

raggio medio logaritmico

dove resistenza termica dell’isolante

Flusso termico perso lungo la tubazione Si può valutare il

rendimento di distribuzione

Flusso termico lungo una tubazione (2/2)

Qp

I rendimenti

Rendimenti Pannelli Radiatori Fan-Coil (bassa temp.)

Fan-Coil(alta temp.)

ηe Emissione 0,97 0,96 0,98 0,98ηr Regolazione 0,94 0,92 0,94 0,94ηd Distribuzione 0,87 0,77 0,85 0,77ηp Produzione 1,02 0,90 1,02 0,90ηg Globale 0,809 0,612 0,799 0,638

Fabbisogno energetico impiantoMetano: PCI=34,02 MJ/kg , ρ=0,71 kg/m3 , prezzo = 0,40 €/m3

Funzionamento 4h/giorno FEI [MJ] Vol Metano [m3] Costo

Pannelli Radianti 3391,3 140,4 € 56,2Fan-Coil bassa temp. 4512,9 186,8 € 74,7Radiatori 5522,7 228,6 € 91,5Fan-Coil alta temp 5718,4 236,7 € 94,7Funzionamento 12h/giornoPannelli Radianti 9495,6 377,3 € 150,9Fan-Coil bassa temp. 12535,9 498,3 € 199,3Radiatori 15242,5 605,8 € 242,3Fan-Coil alta temp 15884,5 631,5 € 252,6

Fabbisogno energetico annuale di un aula e relativi costi di esercizio. gηFEE

c =PCI m=FEI

Costi di esercizio annuali

Casa Canonica Pannelli Radianti € 739,07 € 447,3012h = clima rigido Radiatori € 1.186,38 -

Zona Tipologia di impianto Costi Esercizio Risparmio

energeticoCasa Canonica Pannelli Radianti € 263,95 € 165,894h= clima mite

Esempio: salerno Radiatori € 429,85 -

Configurazione radiatori

Configurazione pannelli radianti

Costi di esercizio annuali

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 -

Zona Tipologia di impianto Costi Esercizio Risparmioenergetico

Zone Livello 2 Pannelli Radianti € 434,12 € 297,90(4h) Fan Coil Bassa Temp € 577,71 € 154,32

Fan Coil Alta Temp € 732,02 -

Configurazione fan coil

Configurazione pannelli radianti

Ai costi di esercizio bisogna contrapporre i

costi di impianto

Costi di impianto

Pannelli Radianti € 9.474,03Radiatori € 6.039,94

Costi di impianto casa canonica

Pannelli Radianti € 13.195,04

Fan Coil bassa temp. € 11.700,62

Fan Coil alta temp. € 10.711,62

Costi di impianto Livello 2

TARIFFA DESIGNAZIONE DEI LAVORI U.M. quantità IMPORTI

unitario TOTALE

NP 001Pannello 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 002Tubo 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  

  Livello 1 2164      Livello 2 1505      Livello 3 874      Totale 4543   € 10.366,66

NP 016Gruppo 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

  Livello 2   1      Totale   1   € 1.359,10

Confronto economico

Aula liturgica e salone Aule Sagrestia e ufficio Casa canonica

Casa Canonica (12h) Costi Impianto Differenza Costi Esercizio Risparmio energ. TempoPannelli Radianti € 9.474,03 € 3.434,09 € 739.07 € 447.30 8.4Radiatori € 6,039.94 € 1,186.38

Zona Livello 2 (4h) Costi Impianto Differenza Costi Esercizio Risparmio energ. TempoPannelli Radianti € 13,195.04 € 2,483.42 € 434.12 € 297.90 9.2Fan Coil Bassa Temp € 11,700.62 € 988.99 € 577.71 € 154.32 6.9Fan Coil Alta Temp € 10,711.62 € 732.02

Zona Livello 2 (8h) Costi Impianto Differenza Costi Esercizio Risparmio energ TempoPannelli Radianti € 13,195.04 € 2,483.42 € 810.36 € 545.24 4.8Fan Coil Bassa Temp € 11,700.62 € 988.99 € 1,069.82 € 285.77 3.6Fan Coil Alta Temp € 10,711.62 € 1,355.60

Pannelli radiantiVentilconvetoriPannelli radiantiPannelli radianti

Zona Soluzione adottata

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.