Efficienza termica degli edifici: i passaggi importanti per la riqualificazione impiantistica integrata

Il contributo del sistema radiante a basso spessore e bilanciamento dinamico delle portate

La nuova direttiva EPBD in materia di prestazione energetica degli edifici richiede per tutti gli edifici residenziali esistenti il raggiungimento della classe energetica D entro il 2033, oltre al divieto di impiego di sistemi di riscaldamento a combustibili fossili dal 2035. Il conseguente percorso verso l’elettrificazione ci porta a valutare soluzioni e passaggi che consentano il superamento tecnico ed economico delle difficoltà di implementare massivi interventi di riqualificazione.

Valuteremo nell’articolo quali sono i passaggi logici e razionali in cui si sviluppa una strategia di riqualificazione impiantistica integrata.

Nella transizione dalla alta alla bassa temperatura verranno analizzati in particolare il contributo del sistema radiante a basso spessore e del bilanciamento dinamico delle portate.

La necessità di progettare e pianificare interventi di riqualificazione di diversa natura, dalle grandi installazioni centralizzate al piccolo alloggio, le difficoltà legate alle tempistiche necessarie e i molti vincoli, ci portano a pensare che la traiettoria volta a raggiungere gli obiettivi minimi di prestazione energetica non possa essere sostenuta da azioni di efficientamento basate su soli interventi sull’involucro, ma attraverso azioni sinergiche che coinvolgano in maniera primaria le scelte impiantistiche.

I tre pilastri dell’approccio progettuale :

La classe energetica di un edificio è in sintesi il risultato che deriva dalla combinazione della sua configurazione geometrica e di involucro, i quali determinano la domanda di energia termica e frigorifera dell’edificio stesso, con l’utilizzo di sistemi impiantistici in grado di soddisfare la domanda energetica attraverso una conversione più o meno efficiente dei vettori energetici e con una copertura più o meno ampia da parte di fonti energetiche rinnovabili.

In buona sostanza quindi i cardini dell’approccio progettuale sono:

1. Ridurre la domanda energetica dell’involucro;
2. Rendere efficiente l’uso dell’energia;
3. Ampliare la quota rinnovabile dell’energia stessa;

Il primo punto, ovvero quello della riduzione della domanda attraverso l’incremento della coibentazione, è sicuramente importante ma non è certo l’unico aspetto. Infatti è senza dubbio necessario intervenire rispettando i limiti di legge, ma i molti vincoli negli edifici ci portano a pensare che una applicazione a tappeto non possa essere risolutiva sia dal punto di vista applicativo sia dal lato comfort.

Il punto di maggiore interesse sia in senso tecnico sia dal punto di vista economico è invece il secondo, ovvero la possibilità di rendere efficiente l’uso dell’energia attraverso opportune scelte impiantistiche.

 

I passaggi della riqualificazione impiantistica integrata

L’implementazione di una strategia di riqualificazione impiantistica integrata si articola in tre passaggi :

1. Sostituzione dell’impianto ad alta temperatura costituito da caldaia e radiatori con un sistema costituito da una pompa di calore e terminali radianti che lavorino a bassa temperatura (quindi tipicamente pavimento ma anche soffitto radiante).
   Questa azione, oltre ad aumentare le efficienze globali del sistema offre anche l’opzione del raffrescamento estivo;
2. Implementazione di un sistema di ventilazione meccanica controllata. Questa azione, oltre a ridurre la domanda energetica intervenendo sulle dispersioni per ventilazione, assicura la qualità dell’aria interna con conseguenti benefici sulla salute e sul benessere degli occupanti;
3. Installazione di un impianto fotovoltaico dimensionato per ottenere la copertura del 60% dei consumi energetici da fonti rinnovabili (inclusa la quota di energia rinnovabile fornita dalla pompa di calore) come da attuali requisiti normativi vigenti sugli edifici di nuova costruzione.

Il terzo passaggio, ovvero quello del fotovoltaico, ha lo scopo esclusivo di ampliare la base rinnovabile da cui andiamo ad attingere.

 

  

Dall’alta alla bassa temperatura: Le peculiarità dei sistemi radianti a basso spessore

Nell’ambito del punto uno, ovvero nella transizione dall’alta alla bassa temperatura, la soluzione preferibile e quella di maggiore diffusione è sicuramente quella del pavimento radiante.

I sistemi radianti sono una categoria molto ampia e non sono tutti uguali (soprattutto nelle performances). I sistemi radianti a pavimento possono essere sostanzialmente definititi secondo due categorie: sistemi tradizionali e sistemi a basso spessore o a bassa inerzia.

Questa distinzione non deriva da alcuna normativa ma ha origine operativa e applicativa.

Le principali caratteristiche dei sistemi radianti a basso spessore sono:

• Ridotto spessore rispetto ai sistemi radianti tradizionali considerando la somma di isolante + strato di supporto + pavimentazione
• Bassa inerzia quindi velocità di raggiungimento della temperatura superficiale desiderata e della temperatura di set point in ambiente
• In alcune applicazioni: possibilità di applicazione sulla pavimentazione esistente quale layer aggiuntivo e senza demolizioni

 

  

Osservazioni circa l’inerzia nei sistemi radianti

In fisica, in particolare in meccanica, l'inerzia di un corpo è la proprietà che determina la resistenza alle variazioni dello stato di moto, ed è quantificata dalla sua massa inerziale.

Applicare questo concetto ai sistemi radianti è complesso perché molte sono le condizioni termodinamiche di contorno che ne definiscono le prestazioni.

I fattori che influiscono sull’inerzia del sistema sono:

• Caratteristiche del sistema (materiali, spessore, conducibilità termiche)
• Temperatura di mandata, portata e salto termico
• La temperatura iniziale
• La temperatura dell’ambiente da climatizzare
• La collocazione del sistema (interpiano oppure verso l’esterno).

Una metodologia rapida e precisa per la valutazione dell’inerzia è la realizzazione di simulazioni dinamiche agli elementi finiti su sezioni di impianto.

Dovendo invece ricondurre questa analisi ad un approccio sperimentale e applicativo sicuramente possiamo affermare che una valida impostazione può essere quella di misurare partendo da freddo quella che è la potenza erogata al massetto tenendo contemporaneamente sotto osservazione la temperatura di mandata e di ritorno, la temperatura ambiente e ovviamente una media delle temperature superficiali.

 

 

Un esempio dei risultati che si possono ottenere è riportato in Fig. 3. dove sono rappresentate le temperature di mandata e di ritorno in abbinamento alla potenza assorbita dal massetto in funzione del tempo.

Per il sistema a basso spessore il tempo impiegato a raggiungere la temperatura superficiale desiderata (punto di minima potenza sulla curva verde) è inferiore a 30 minuti. Per il sistema tradizionale composto da isolante e massetto cementizio il tempo impiegato a raggiungere la temperatura superficiale è senza dubbio maggiore.

Questo aspetto dovrà essere considerato nella progettazione della regolazione del sistema, per garantire le temperature desiderate durante tutta la giornata, ma soprattutto nell’ottica della possibilità di un impiego saltuario. D’altra parte l’aspetto dell’inerzia risulta importante anche in fase di spegnimento dell’impianto: un sistema a bassa inerzia impiegherà meno tempo a raffreddarsi rispetto ad un sistema tradizionale.

In estrema sintesi i sistemi a bassa inerzia termica oltre che offrire significative possibilità nelle ristrutturazioni a basso spessore, certamente offrono importanti prospettive nelle applicazioni con involucri a elevata coibentazione.
Tali sistemi si prestano infatti, vista la velocità di reazione, a sfruttare al meglio gli apporti gratuiti senza rischi di sovratemperature ambiente.

Leggi anche: Sistemi radianti a bassa inerzia termica in abbinamento a collettori con bilanciamento dinamico della portata
Nel presente articolo sono descritti i sistemi radianti a basso spessore per gli edifici nuovi e, in particolar modo, da riqualificare.

 

L’effetto della tecnologia del bilanciamento dinamico nei sistemi a basso spessore

La frontiera di sviluppo, nell’ottica del potenziamento del risparmio energetico, vede i sistemi a basso spessore non procedere soli ma sicuramente in accoppiamento con sistemi di bilanciamento dinamico della portata.

É infatti dal sovrapporsi dell’effetto della bassa inerzia termica e del controllo dinamico della portata che si ottengono i migliori risultati.

Il bilanciamento dinamico della portata ha sicuramento un potenziale impatto energetico importante e tante volte sottovalutato e trascurato.

Il tema è rendere il bilanciamento fruibile e facile da applicare in applicazioni nuove ed esistenti. Un impianto con collettori con bilanciamento dinamico serie DB è in grado di mantenere la portata sempre bilanciata per tutti i circuiti dell’impianto, contribuendo così alla riduzione delle sovra portate e, di conseguenza, ad un apprezzabile risparmio energetico.

 

 

Ingombri e applicazioni sono quelle di un collettore standard ma il vitone brevettato installato in ciascun circuito svolge diverse funzioni:

• regolazione di portata: al variare della pressione, a causa dell’apertura o chiusura di alcuni circuiti, la membrana della cartuccia del vitone interviene variando la sua sezione di passaggio e adattando la portata al valore preimpostato, anche in presenza di pressioni differenziali elevate: funzionamento fino a 60 kPa per le versioni Low Flow; funzionamento fino a 150 kPa per quelle High Flow;
• preregolazione della portata: è possibile impostare per ogni singolo circuito la portata massima di progetto che dovrà essere mantenuta costante;
• ottimizzazione della temperatura ambiente: l'abbinamento a teste elettrotermiche e termostati ambiente permette di ottimizzare la gestione della temperatura nei vari ambienti.

Per ottenere una quantificazione numerica sono sati realizzati vari studi ed in particolare facciamo riferimento a quello realizzato prof. Stefano P. CORGNATI Ordinario di Fisica Tecnica del Dipartimento Energia del Politecnico di Torino dal titolo “POTENZIALITÀ DI RISPARMIO ENERGETICO LEGATE ALL’UTILIZZO DEL COLLETTORE CON BILANCIAMENTO DINAMICO DELLA PORTATA “.

Lo studio si esplicita attraverso l’ideazione e lo sviluppo di un modello analitico-numerico applicato a due casi esemplari, indicati come “individuale” e “collettivo”. Il caso “individuale” esamina la situazione tipica degli effetti propri ed interni ad una singola unità abitativa, caso che può manifestarsi con una villetta o un appartamento con impianto autonomo.

Viceversa, il caso “collettivo” esamina la situazione tipica di edifici residenziali collettivi/multi-famigliari (i condomini, a titolo di esempio) con impianto centralizzato dove il risparmio energetico è legato alle dinamiche indotte dal comportamento energetico delle singole unità.

Nell’ambito del modello di simulazione suddetto l’azione del bilanciamento dinamico risulta di impatto concreto nell’eliminare le sovraportate che inducono sovraconsumi e ribaltando il punto di osservazione, questo sovra-consumo corrisponde al RISPARMIO ENERGETICO ottenibile attraverso l’utilizzo del collettore con “bilanciamento dinamico della portata”.

Relativamente ai due casi esaminati e con riferimento a condizioni al contorno di calcolo (input e parametri caratteristici del modello) abbiamo che:

• il caso “individuale”, esemplificativo del risparmio energetico di unità abitative con impianto di riscaldamento autonomo, ha evidenziato un risparmio sui consumi energetici per il riscaldamento fino al 12%;
• il caso “collettivo”, esemplificativo del risparmio energetico di edifici multi-famigliari con impianto di riscaldamento centralizzato, ha evidenziato un risparmio sui consumi energetici per il riscaldamento fino al 25%. I risparmi conseguiti sono importanti e sanciscono in maniera chiara il perfetto matrimonio applicativo di radianti a basso spessore e sistemi di bilanciamento.

Questo accoppiamento non solo è solido a livello teorico, ma va a braccetto con una semplicità applicativa che rende i prodotti idonei ad un utilizzo facile, flessibile e massivo, offre quindi importanti soluzioni per la diffusione matura ed efficace di questi sistemi ad alto risparmio energetico.

In definitiva quindi riduzione del fabbisogno energetico, efficientamento dell’utilizzo e ampliamento della quota di energia rinnovabile rimangono i driver della progettazione.

Tra questi proprio l’efficientamento, che passa attraverso le scelte impiantistiche migliori e maggiormente applicabili, è quello che offre il maggior contributo in termini di flessibilità e di risultati, soprattutto nel senso della Cost-Optimality.

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