Dagli USA un nuovo metodo di classificazione per i sistemi radianti

Le norme e le linee guida per la progettazione dei sistemi radianti attualmente li classificano in funzione della loro struttura e geometria. Uno studio realizzato presso il Center for the Built Environment nell’Università della California ha proposto un nuovo metodo per tenere in considerazioni anche i metodi di prova, e le strategie di controllo e i parametri termici dei sistemi radianti a pavimento, parete e soffitto.

Lo studio è descritto e riassunto nell’articolo dal titolo “A  novel classification scheme  for  design  and  control  of  radiant systembased  on  thermalresponse  time” scritto da BaisongNing,  Stefano  Schiavon e  Fred  S.  Bauman nella rivista scientifica Energy  and  Buildings a dicembre 2016.

Il parametro di riferimento scelto è il tempo di risposta del sistema, definito cometempo necessario per la temperatura superficiale di un sistema radiante per raggiungere il 95% della differenza tra i valori finali e iniziali quando viene applicata una modifica nel sistema di regolazione.

Per creare la classificazione sono state realizzate 56,874 simulazioni. lo spessore di calcestruzzo, il passo delle tubazioni, e le proprietà del calcestruzzo hanno un impatto significativo sul tempo di risposta dei sistemi TABS (Attivazione termica della massa), mentre il diametro del tubo, la temperatura operativa, la temperatura dell'acqua e il regime di flusso d'acqua non influiscono quanto i parametri prima descritti.

La classificazione si è focalizzata sia sul funzionamento estivo che su quello invernale.

I riferimenti normativi e gli obiettivi dello studio

Per lo studio sono stati utilizzati due principali riferimenti: la norma ISO 11855  (recepita in Italia come UNI EN ISO 11855) e la guida REHVA numero 7 . Altri riferimenti riportati nel testo sono la il libro “ASHRAE  Handbook  −  HVAC  Systems  and Equipment” e diversi articoli in letteratura.

Gli obiettivi dello studio sono tre: 

1. selezionare, definire e valutare quali l'indice dovrebbe essere utilizzato per caratterizzare le prestazioni termiche dinamica dei sistemi radianti;
2. valutare come l'indice varia per diversi tipi di sistemi radianti;
3. proporre uno schema di classificazione in base all'indice.

I sistemi radianti oggetto dello studio

Oggetto dello studio sono diverse tipologie di sistemi radianti che si possono così classificare:

• Radiant ceiling  panels  (RCP): sistemi radianti a soffitto;
• Embedded  surface  systems  (ESS): sistemi radianti annegati;
• Thermally  activated  building  systems  (TABS): sistemi ad attivazione termica della massa.

Per i sistemi radianti annegati (ESS) sono state utilizzate le tipologie riportate nello standard ISO 11855 (recepito in Italia come UNI EN ISO 11855).

I sistemi TABS (Fonte: Q-TECNICO 2015 – Consorzio Q-RAD)

I sistemi TABS (Sistemi ad attivazione termica della massa) sono circuiti di raffrescamento e riscaldamento ad acqua i cui tubi trovano posto al centro del solaio (Figura 2). Il trasferimento di calore viene dunque fortemente influenzato dagli spessori di solaio posti sopra e sotto il piano tubi, nonché dalla presenza o meno di strati isolanti o di intercapedini di aria al di sopra o al disotto del solaio. A livello intuitivo, si può pensare che il flusso di energia termica (sia essa frigorifera o meno) interessi dapprima la regione circostante i tubi, per poi estendersi coinvolgendo il resto della parte strutturale del solaio, fino a raggiungere le superfici del solaio stesso, cioè il soffitto ed eventualmente il pavimento, e da qui l’ambiente. 

Nei sistemi radianti la presenza di consistente isolamento termico fornisce una ridotta capacità termica, disaccoppiando così gli tra ambienti sopra e sotto. Al contrario, nei sistemi TABS le tubazioni sono annegate nella massa del solaio “thermalslab” e presentano un’elevata capacità termica - accumulo - e flusso un bidimensionale.

I sistemi ad elevata inerzia termica consentono il “peak-shaving”, che consiste nella possibilità di riscaldare o raffrescare le strutture dell’edificioin un periodo in cui esso non è occupato (di notte); durante il giorno le strutture, non piùcollegate all’impianto, cedono o assorbono calore mentre la potenza termica (ofrigorifera) dell’impianto è disponibile per il trattamento dell’aria di rinnovo. Si limitacosì il picco di potenza con conseguente riduzione della potenza installata (equindi del costo di impianto) e della potenza elettrica eventualmente impegnata (conpossibili benefici tariffari); non è da sottovalutare il minor aggravio nell’assorbimentoelettrico dalla rete nelle ore di punta.

Di seguito è riportata la distribuzione di temperatura di un pannello radiante isolato (a sinistra) e un sistema TABS a destra.

La metodologia dello studio

Analizzando le norme e le linee guida sono stati raccolti gli indici per le prestazioni dei sistemi radianti. I parametri più utilizzato sono la capacità termica e di raffrescamento e la resistenza termica: questi però on danno indicazioni sugli aspetti dinamici del sistema. In prima analisi si può ipotizzare che tali parametri non dinamici (ovvero stazionari) siano adatti per i sistemi a bassa inerzia, ma non per quelli tradizionali oppure ad alta inerzia come i sistemi annegati.

Le performance dinamiche dei sistemi radianti sono state indagate nelle normative, nelle linee guida e negli articoli in letteratura. Sono così stati riassunti in una tabella comparativa riportata di seguito.

Si può notare che non vi è una metodologia condivisa e definita, ma vi sono metodi e parametri differenti. A seguito di questa analisi è stato scelto l’indice di riferimento e la sua definizione:

Per quanto riguarda la metodologia di studio sono state prese in considerazione diverse possibilità: analisi sperimentale (che è risultata troppo onerosa), analisi CFD (che è risultata troppo lunga) e ilmetodo state  space (SSM). Quest’ultimo è stato così scelto per la realizzazione delle simulazioni dei sistemi annegati mentre per i sistemi con intercapedine d’aria è stata scelta la CFD.

Le principali conclusioni dello studio

Insieme alla categorizzazione in funzione del tempo di risposta un importante conclusione riguarda le metodologie di approccio progettuale. È infatti stato dimostrato che le prestazioni termiche dei sistemi risultano più rilevanti per la progettazione, il collaudo e il controllo dei diversi sistemi radianti rispetto alla geometria e struttura.

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Riassumendo i risultati delle simulazioni in funzione del tempo di risposta sono stati definite tre classi, come rappresentato di seguito in figura. 

• Sistemi a risposta rapida (soffitti radianti): il tempo di risposta è inferiore a 10 minuti;
• Sistemi a risposta media (sistemi annegati): il tempo di risposta varia tra una e nove ore;
• Sistemi a risposta lenta (TABS): il tempo di risposta varia tra nove e diciannove ore.

Per ogni sistema analizzato sono riportati i valori della mediana del tempo di risposta.

• Sistemi radianti a soffitto: tempo di risposta medio = 4 minuti;
• Sistemi annegati, Tipo A: tempo di risposta medio = 4.9 ore;
• Sistemi annegati, Tipo B: tempo di risposta medio = 3.3ore;
• Sistemi annegati, Tipo D: tempo di risposta medio = 2.5 ore;
• Sistemi annegati, Tipo G: tempo di risposta medio = 1.5 ore;
• TABS, Tipo E: tempo di risposta medio = 13.8 ore;
• TABS, Tipo F: tempo di risposta medio = 12.4 ore.

In Figura 4 è rappresentata la distribuzione statistica dei risultati delle simulazioni attraverso boxplot. 

Attraverso questa analisi sono stati classificati i sistemi radianti in funzione delle velocità di risposta ad una variazione di temperatura indotta. I sistemi a pavimento a bassissima inerzia non oggetto dello studio potranno essere approfonditi in future ricerche.

Riferimenti

• M. De Carli, C. Peretti. 2015. Q-TECNICO - Sistemi radianti a bassa differenza di temperatura
• Progettazione, installazione e regolazione.EdicomEdizioni
• Z.  Tian,  J.A.  Love,  Energy  performance  optimization  of  radiant  slab  cooling using  building  simulation  and  field  measurements,  Energy  Build.  41  (2009) 320–330.
• G.P.  Henze,  C.  Felsmann,  D.E.  Kalz,  S.  Herkel,  Primary  energy  and  comfort performance  of  ventilation  assisted  thermo-active  building  systems  in continental  climates,  Energy  Build.  40  (2008)  99–111.
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• J.  Babiak,  B.W.  Olesen,  D.  Petras,  REHVA  Guidebook  No  7:  Low  Temperature Heating  and  High  Temperature  Cooling,  Federation  of  European  Heating  and Air-conditioning  Associations,  Brussels,  2009.
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• ASHRAE,  Handbook,  HVAC  Systems  and  Equipment,  American  Society  of Heating,  Refrigerating  and  Air-Conditioning  Engineers,  Inc.,  Atlanta,  GA,  2012.
• UponorInc,  Radiant  Cooling  Design  Manual,  2013  http://www.uponorpro.com/.
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• ZehnderCarboline,  Radiant  Heating  and  Cooling  Ceiling  Panels,  2016  http://www.zehnder-systems.us/.
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