Domande e risposte sui sistemi radianti - Parte 3: Raffrescamento e regolazione

È stato recentemente pubblicato un articolo dal titolo “Ten questions about radiant heating and cooling systems” scritto da Kyu-Nam Rhee, Bjarne W. Olesen e Kwang Woo Kim nella rivista scientifica Building and Environment. L’articolo contiene 10 domande e risposte relative ai sistemi radianti. 
Nel presente articolo ne vengono riportati alcuni contenuti  integrando alcuni aspetti per adattarli alla realtà italiana.
In particolare vengono descritte le differenze tra i sistemi radianti e sistemi ad aria nel calcolo del carico di raffrescamento, i parametri per la regolazione e le strategie da adottare per prevenire il problema di condensa superficiale.

sistemi radianti a parete, pavimento e soffitto
 Fonte immagini: aziende Consorzio Q-RAD

Qual è la differenza tra i sistemi radianti e ad aria nel calcolo del carico di raffrescamento?

Il calcolo del carico di raffrescamento può essere considerato come un punto di partenza per determinare la potenza di raffrescamento e il dimensionamento dei sistemi HVAC per i sistemi radianti in freddo. Nei metodi di calcolo tradizionali, il carico di raffrescamento è definito come la velocità alla quale il calore sensibile e latente deve essere rimosso dallo spazio per mantenere una temperatura e un'umidità dell'aria ambiente costante. Gli apporti di calore sono composti da componenti convettivi e radianti; si ipotizza che il componente convettivo venga rimosso immediatamente, contribuendo al carico di raffrescamento. La parte radiante invece viene prima assorbita dalle superfici interne e poi trasferita per convezione all'aria, contribuendo al carico di raffrescamento con un certo ritardo (Figura 1). L'effetto del ritardo degli apporti di calore radiante viene tenuto in considerazione usando il metodo del bilancio termico, le funzioni di trasferimento, le serie temporali radianti, e così via. Tuttavia, questi metodi si basano sul presupposto che un sistema ad aria venga utilizzato per rimuovere gli eccessi di calore.

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               Figura 1. Apporti di calore convettivi eradianti

Rispetto ai tradizionali sistemi ad aria, i sistemi radianti asportano gli apporti di calore attraverso diversi sistemi di trasferimento del calore (trasferimento di calore radiante).Le superfici radianti raffreddano altre superfici interne, con un conseguente aumento di calore attraverso l'edificio. Inoltre, lo scambio di calore radiante con superfici non attive può ridurre l'accumulo di calore nella massa dell'edificio, influenzando i picchi di carico termico. E' quindi necessario considerare una ricorretta definizione del carico di raffrescamento per i sistemi radianti.

Definendo il carico di raffrescamento radiante come "il calore rimosso dai pannelli radianti a soffitto", in una ricerca condotta da Feng et al. (riportata nell'articolo del 2013 "Cooling load differences between radiant and air systems") è stato dimostrato che il carico di raffrescamento di picco di un sistema radiante a soffitto può essere superiore del 7% - 35% rispetto a quello di un sistema ad aria. È stato dimostrato che il motivo della differenza di carico di raffrescamento è dovuto alla riduzione dell'accumulo di calore nella massa dell'edificio a causa della rimozione diretta di guadagni di calore radiante e dell'assorbimento di calore da parte di superfici non attive a causa di una temperatura dell'aria relativamente più elevata.

In un altro studio condotto da Niu et al. (nell'articolo dal titolo "Cooling load dynamics of rooms with cooled ceilings") sulla dinamica del soffitto radiante in freddo è stato dimostrato che l'assorbimento di calore diretto dovuto al soffitto raffreddato riduce la capacità termica dell'involucro dell'edificio, con conseguente aumento del carico di raffrescamento. Considerando questa differenza nel carico di raffrescamento, Feng et al. ha proposto uno schema di calcolo rivisto per il carico di raffrescamento dei sistemi radianti, come riportato di seguito in Figura 2.

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Figura 2. Schemi di calcolo del carico di raffrescamento per sistemi ad aria e per sistemi radianti (Fonte: Rhee et al. 2017)

Inoltre, l'assorbimento diretto del calore radiante aumenta in modo significativo il carico di raffrescamento degli edifici con un'elevata radiazione solare. Il pavimento radiante nell'Aeroporto Internazionale Suvarnabhumi di Bangkok, in Tailandia, è stato progettato per rimuovere 70 - 80 W/m2 di calore; il pavimento radiante potrebbe assorbire fino a 50 W/m2 per irraggiamento.

Il potenziale dei sistemi di raffrescamento radianti per ottenere una maggiore capacità di raffrescamento con la radiazione solare è stato oggetto di numerosi studi e sono stati proposti alcuni coefficienti che rappresentano il miglioramento del trasferimento di calore in regime stazionario. Causone et al. (nell'articolo dal titolo "Solar radiation and cooling load calculation for radiant systems: definition and evaluation of the direct solar load") ha definito e calcolato il carico solare diretto al fine di quantificare l'apporto di calore solare direttamente convertito in carico di raffrescamento a causa dell'azione di un soffitto radiante. 

Utilizzando simulazioni dinamiche, è stato dimostrato che l'assorbimento della radiazione solare può aumentare la capacità di raffrescamento dei sistemi radianti fino a 130 - 140 W/m2. 

Quali parametri per la regolazione vengono comunemente usati per i sistemi radianti? 

Nelle applicazioni pratiche, la temperatura dell'acqua di mandata e la portata vengono comunemente utilizzate per i regolare il sistema radiante. Tipicamente viene applicato un controllo sulla temperatura esterna, che modula la temperatura dell'acqua di mandata in base alla temperatura dell'aria esterna (regolazione climatica) e controlla la portata dell'acqua in ogni stanza in base alla temperatura di set-point. Si raccomanda inoltre di controllare la temperatura media dell'acqua (valore medio tra la temperatura di mandata e di ritorno) sulla base alla temperatura esterna e/o interna, poiché ciò può determinare un controllo più rapido e più accurato della potenza del sistema.

dispositivi e sistemi regolazione radianti 
Figura 3. Dispositivi e sistemi di regolazione per pavimenti, soffitti e pareti radianti. Fonte: aziende Consorzio Q-RAD

Anche le temperature della superficie del pavimento possono essere utilizzate come parametro di controllo al fine di migliorare l'efficienza energetica e evitare il discomfort locale. Il controllo della temperatura della superficie del pavimento in freddo può evitare un eccessivo raffreddamento del pavimento dovuto all'improvviso aumento dei carichi da asportare.

In un edificio con un sistema di riscaldamento a pavimento radiante, l'installazione impropria di un sensore che misura la temperatura della superficie del pavimento può portare a surriscaldamento degli ambienti oppure ad un surriscaldamento locale, specialmente quando il rivestimento del pavimento e la radiazione solare influenzano significativamente la distribuzione della temperatura sulla superficie del pavimento. E' necessario quindi progettare la corretta collocazione dei sensori al fine di garantire comfort e risparmio energetico. 

Quali strategie possono essere adottate per prevenire il problema di condensa nei sistemi radianti in raffrescamento, specialmente in climi caldi e umidi?

Molteplici studi scientifici hanno dimostrato la possibile applicazione di sistemi radianti in raffrescamento in climi caldi e umidi

Ad esempio nell'articolo di Saber et al.(A review of high temperature coolingsystems in tropicalbuildings) è stata dimostrata l'applicabilità dei pannelli radianti in freddo accoppiati con un sistema ad aria esterna dedicato (DOAS) nel clima caldo e umido di Singapore.
In un altro studio realizzato da Chiang et al. è stato dimostrato che un sistema di ventilazione supplementare è indispensabile per sistemi di raffrescamento radiante nel clima subtropicale di Taiwan, poiché il sistema di ventilazione può migliorare la capacità di raffrescamento del soffitto. 
Nello studio di Memon et al. è stato dimostrato che le torri di raffrescamento possono essere utilizzate per rigenerare l'acqua per il sistema di radiante nel clima caldo e umido del Pakistan.
Simmonds et al. hanno dimostrato che il sistema di raffrescamento a pavimento radiante può essere applicato con successo in ampi spazi pubblici, come ad esempio l'aeroporto di Bangkok, dove è stato installato un sistema di ventilazione a volume variabile (VAV), combinato con un sistema radiante a pavimento, per far fronte a un grande carico latente.

Song et al. hanno dimostrato che un sistema di raffrescamento a pavimento radiante integrato con un sistema di ventilazione per la deumidificazione può risolvere il problema di condensazione nella stagione calda e umida della Corea.
Kim e Leibundgut hanno dimostrato che i pannelli radianti collegati a un terminale convettivo non solo prevengono la condensazione superficiale, ma aumentano anche la capacità di raffrescamento complessiva in un clima tropicale. 

Per evitare la formazione di condensa su superfici raffrescate, la temperatura dell'acqua di mandata deve essere impostata ad una temperatura superiore al punto di rugiada dello spazio climatizzato. Sebbene la distribuzione della temperatura del punto di rugiada possa essere non uniforme nell'ambiente climatizzato, è piuttosto difficile installare sensori di punto di rugiada con elevata risoluzione a causa del loro costo.
Per ragioni pratiche, in uno studio realizzato da Jin et al. è stato suggerito di monitorare la temperatura del punto di rugiada sopra la fonte umida e di adottare misure di controllo per prevenire la condensa. 
Lim et al. ha suggerito che la temperatura dell'acqua di alimentazione per il raffrescamento del pavimento dovrebbe essere determinata in base alla temperatura del punto di rugiada della stanza più umida, mentre la portata dell'acqua deve essere controllata in ogni ambiente. 

Se lo spazio viene raffrescato da più pannelli radianti, un sensore del punto di rugiada può essere posizionato all'ingresso del primo pannello radiante per ciascun gruppo gestito da una valvola di controllo. Nelle applicazioni pratiche, è possibile posizionare diversi sensori del punto di rugiada in stanze o zone diverse e utilizzare la temperatura massima del punto di rugiada per controllare la temperatura dell'acqua di alimentazione. 
La posizione e/o la quantità ottimale dei sensori del punto di rugiada dipendono dal clima, dall'uso dell'edificio, dagli apporti interni ecc.; pertanto, sono necessari ulteriori studi per determinare la posizione e/o il numero dei sensori del punto di rugiada con risoluzione sufficientemente elevata, al fine di minimizzare i rischi di condensa in ambienti termici non uniformi.

Un improvviso aumento del carico interno o delle infiltrazioni umide può deteriorare la stabilità del controllo della condensa. In particolare, una maggiore occupazione nelle sale conferenze o alti tassi di infiltrazione localizzati, che sono spesso causati da finestre aperte o ingressi di edifici, possono diventare un ostacolo al regolare controllodell'umidità. In questa condizione, il sistema radiante dovrebbe rispondere rapidamente al disturbo; tuttavia, la sua velocità di risposta è limitata a causa dell'elevata inerzia termica. Per questo motivo, le strategie di controllo della condensazione dovrebbero essere implementate con il margine di sicurezza di 1 e2 gradi. 

Song et al. hanno dimostrato che la differenza tra la superficie del pavimento e la temperatura del punto di rugiada deve essere controllata per essere sempre maggiore o uguale a 2 gradi. Per quanto riguarda il sistema a soffitto freddo, Hao et al. ha affermato che la temperatura superficiale del soffitto in freddo dovrebbe essere almeno 1 K superiore alla temperatura del punto di rugiada dell'aria interna per impedire la condensazione sul soffitto.

Riferimenti

  • Kyu-NamRhee, Bjarne W. Olesen, KwangWooKim. 2017. 10 Questions. Tenquestionsaboutradiantheating and coolingsystems. Building and Environment 112 (2017) 367 e 381
  • UNI EN 1264. Sistemi radianti alimentati ad acqua per il riscaldamento e il raffrescamento integrati nelle strutture
  • UNI EN ISO 11855. Progettazione dell'ambiente costruito - Progettazione, dimensionamento, installazione e controllo dei sistemi di riscaldamento e raffreddamento radianti integrati 

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