Pannelli radianti - Ordine Ingegneri Napoli

Pannelli radianti:
comportamento termico
e prestazioni
ing. Stefano Paolo Corgnati, Ph.D.
POLITECNICO DI TORINO
Dipartimento di Energetica
[email protected]
1
Pannelli radianti: comportamento termico e prestazioni
Stefano Corgnati, maggio 2007
Indice delle tematiche
Comfort
termoigrometrico
Tipologie di pannelli radianti
Dinamiche di asportazione dei carichi
termici
Prestazioni
(in
riscaldamento
e
raffrescamento) dei pannelli radianti
Accoppiamento dei pannelli radianti con le
strategie di ventilazione (miscelazione e
dislocamento)
2
Pannelli radianti: comportamento termico e prestazioni
Stefano Corgnati, maggio 2007
Comfort termoigrometrico
Teoria di Fanger e norma ISO 7730
Comfort globale
Discomfort locale
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Pannelli radianti: comportamento termico e prestazioni
Stefano Corgnati, maggio 2007
Comfort termoigrometrico
Comfort globale – parametri ambientali:
convezione
Temperatura dell’aria
Temperatura media radiante irraggiamento
Umidità relativa dell’aria
Velocità dell’aria
Pannello radiante
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Pannelli radianti: comportamento termico e prestazioni
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Comfort termoigrometrico
Comfort globale – parametri soggettivi:
Attività metabolica
Resistenza dell’abbigliamento
Indici di comfort globale (Fanger):
Voto Medio Previsto: -0,5<PMV<+0,5
% Prevista di Insoddisfatti: PPD < 10%5
Pannelli radianti: comportamento termico e prestazioni
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Comfort termoigrometrico
Comfort globale – PMV e PPD
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Pannelli radianti: comportamento termico e prestazioni
Stefano Corgnati, maggio 2007
Comfort termoigrometrico
Discomfort locale – aspetti:
Correnti d’aria (draft risk, DR)
Temperatura pavimento
Gradiente verticale temperatura dell’aria
Asimmetria radiante
Pannello radiante
7
Pannelli radianti: comportamento termico e prestazioni
Stefano Corgnati, maggio 2007
Comfort termoigrometrico
Discomfort locale:
Draft risk (rischio di correnti d’aria, ISO 7730)
dovuta alla caduta del getto nella zona occupata
PDDR = DR = (34-Ta) (V-0.05)0.62 (0.37 V Tu + 3.14)
8
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Comfort termoigrometrico
Discomfort locale:
Temperatura del pavimento
Livelli di temperatura superficiale del
pavimento:
accettabile una temperatura del pavimento
compresa tra 18°C e 30°C (ottima intorno a
25°C), limiti ai quali corrisponde una
percentuale prevista di insoddisfatti di circa
il 10%.
Questi
limiti
di
comfort
influenzano
direttamente la resa in raffrescamento e
9
riscaldamento del pavimento radiante.
Pannelli radianti: comportamento termico e prestazioni
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Comfort termoigrometrico
Temperatura del pavimento
10
Pannelli radianti: comportamento termico e prestazioni
Stefano Corgnati, maggio 2007
Comfort termoigrometrico
Temperatura del soffitto
Livelli di temperatura superficiale del soffitto:
la
massima temperatura accettabile è
influenzata numerosi fattori, tra i quali il più
significativo è l’altezza del soffitto.
Nell’edilizia residenziale, con una tipica altezza
di 3 metri e temperatura dell’aria a 20°C, la
pratica consiglia di non superare temperature
di 35°C.
11
Pannelli radianti: comportamento termico e prestazioni
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Comfort termoigrometrico
Temperatura del soffitto
la
minima temperatura non è legata a problemi
di benessere, abbondantemente soddisfatto
con le usuali temperature di esercizio.
Il vincolo è legato ai problemi di condensa
superficiale, quando la sua temperatura scende
al di sotto di quella di rugiada dell’aria
ambiente.
Indicativamente,
con
una
temperatura dell’aria di 26°C la temperatura di
rugiada varia da 12°C per U.R. del 40% a 18°C
12
per U.R. del 60%.
Pannelli radianti: comportamento termico e prestazioni
Stefano Corgnati, maggio 2007
Comfort termoigrometrico
Asimmetria Radiante
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Tipologie di pannelli radianti
I Sistemi Radianti
Scambio di calore con l’ambiente circostante
avviene in larga misura per radiazione
per riscaldamento
ELEMENTI RADIANTI
per raffrescamento
PANNELLI RADIANTI
(piastre,termostrisce,…)
Sistemi a basso differenziale di temperatura e
grandi superfici di scambio termico 14
Tipologie di
Pannelli Radianti
Pannelli a capacità
termica trascurabile
(p.es. serpentina su
pannello metallico)
Soffitti
Pannelli con capacità
termica
(serpentina annegata
nelle strutture)
Pareti
Pavimento
con moderata attivazione termica della massa
15
con elevata attivazione termica della massa
Dinamiche di asportazione
dei carichi termici
direttamente asportati
Carico asportato
dall'acqua circolante
nelle serpentine
radiativi
Apporti
convettivi
si "trasformano"
in carico
Carico asportato
dall'azione raffrescante
sull'ambiente
superficiale
Carico asportato
dall'aria primaria
16
Dinamiche di asportazione
dei carichi termici
α c (F f-cρ fF w-f
& )
Q
sol
& )
ρ c (F f-cρ fF w-f Q
sol
& )
F f-c (ρ
ρ fF w-f Q
sol
ρ s (F f-sρ fF w-f
& )
Q
sol
α s (F f-sρ f F w-f
&
Q
sol
ρ f(F w-f
F w-f
& )
Q
sol
F f-s (ρ
ρ fF w-f
& )
Q
sol
& )
Q
sol
&
Q
sol
17
α f(F w-f
& )
Q
sol
Dinamiche di asportazione
dei carichi termici
Convective and
Latent Gains
Radiative
Gains
Heat
Gains
Structure heat
storage capacity
Room
Load
Cooling
Load
Direct
Load
Radiant Panel
18
Dinamiche di asportazione
dei carichi termici
Convective
Gains
Sensible
Heat Gains
Room Load
(RL)
Room Transfer
Function
Air Load (AL)
Cooling
Load (CL)
Surface Load (SL)
Radiative
Gains
1- F
Direct
Load (DL)
Panel Load (PL)
F
19
Dinamiche di asportazione carichi
Carico direttamente rimosso DL
Controsoffitto Radiante -Locale Intermedio
ρ = 0.7
Proprietà ottiche
ρ = 0.8
Tipo di pannello
delle pareti
0.20
0.19
w
0.18
c
0.17
= 0.6
ρf = ρ0.6
0.16
Posizione del locale
0.15
Fsol
Fsol
0.14
ρ = 0.5
0.13
ρ = 0.4
0.12
0.11
ρ = 0.3
0.10
Tipo di apporto
0.09
0.08
Geometria del locale
0.07
0.06
0.05
1
1.25
1.5
1.75
2
2.25
L/h
Leq / h
2.5
2.75
3
3.25
3.5
20
Prestazione dei pannelli radianti
Componenti di carico termico da rimuovere
Pavimento Radiante
HG
180
CL
RL
DL
140
Heat Gain
120
Room Load
2
2]
Potenza
Termica
Thermal
power [W/m[W/m
]
160
100
Cooling Load
80
Direct Load
60
40
20
0
-20
-40
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
Time [h]
Tempo [h]
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
21
Prestazione dei pannelli radianti
Componenti di carico termico da rimuovere
Controsoffitto Radiante
HG
180
CL
RL
DL
160
Room Load
Heat Gain
120
2
2]
PotenzaThermal
Termica
[W/m
power [W/m
]
140
100
Direct Load
Cooling Load
80
60
40
20
0
-20
-40
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
Time[h]
[h]
Tempo
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
22
Prestazione dei pannelli radianti
Confronto potenze termiche di progetto
160
110
100
90
80
70
60
50
40
30
20
Direct Load
120
Room Load
130
Heat Gain
2]
2
Potenza
Termica
Thermal
power [W/m[W/m
]
140
Cooling Load
Pavimento Radiante
Controsoffitto Radiante
Tutt’aria
150
10
0
Floor Panel
Ceiling Panel
All-Air
HG
CL
RL
DL
153
120
69
52
160
156
108
93
15
160
105
105
0
23
Prestazioni dei pannelli radianti
Pavimento
Soffitto (h=3m)
Riscadamento
Emissiva
∆T=9°C
99
∆T=20°C
120
Resa [W/m2]
Raffrescamento (con ∆T = 6°C)
Superficiale
Totale
ordine dei 100, in funzione dell'
42
ammontare degli apporti radiativi
66
Circa 90 W/m2 con ∆T = 15°C
24
Pannelli radianti: comportamento termico e prestazioni
Stefano Corgnati, maggio 2007
Dimensionamento del sistema misto
pannelli radianti e aria primaria
Grandezza vincolante: temperatura
superficiale del pannello (media e minima)
Limitazione della potenzialità raffrescante
superficiale del pannello
quando
Carico Ambiente (RL) > Capacità
Raffrescante Superficiale del pannello (SL)
il carico residuo deve essere rimosso 25
dall’aria primaria
Dimensionamento del sistema misto
pannelli radianti e aria primaria
Pannelli a capacità termica trascurabile e non
Il carico sul pannello si traduce
istantaneamente in carico sull’acqua
(p.es. controsoffitto radiante)
Esiste uno sfasamento tra carico
sul pannello e quello sull’acqua
(p.es pavimento radiante) 26
Pannelli radianti: comportamento termico e prestazioni
Stefano Corgnati, maggio 2007
Considerazioni economiche
COSTO D’INVESTIMENTO
Tutt’aria VAV = 120 Euro/m2
Misto (CC+MV) = 150 Euro/m2
Sovra-costo Investimento = + 30 Euro /m2
COSTO DI GESTIONE/ESERCIZIO
Sovra-costo Gestione/Esercizio = - 5 Euro /m2
PAY-BACK PERIOD Semplice
PB = 6 anni
(nota: appalto di gestione di un Ospedale = 20 anni)
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Impianti ad aria:
strategie di ventilazione
Dislocamento
(DV)
Miscelazione
(MV)
Problematiche di comfort
in presenza di elevati carichi termici
Gradiente verticale di temperatura
Correnti d’aria
Velocità dell’aria a pavimento
28
Soluzione: Controsoffitti Radianti (CC)
Impianti ad aria:
strategie di ventilazione
Miscelazione (MV) – Obiettivo:
Rendere
uniformi
le
condizioni
termoigrometriche e la concentrazione di
contaminati in tutto il locale. La distribuzione
dell’aria
è
“guidata”
dalle
proprietà
termofluidodinamiche
del
getto
d’aria
immesso per miscelare l’aria ambiente.
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Impianti ad aria:
strategie di ventilazione
Miscelazione (MV)
To , co
Toc = TR
coc = cR
TR , cR
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Impianti ad aria:
strategie di ventilazione
Dislocamento (DV) – Obiettivo:
Creare un gradiente positivo (al crescere
dell’altezza) sia di temperatura che di
concentrazione di contaminanti nel locale. La
distribuzione dell’aria è “guidata” dai
pennacchi termici delle sorgenti termiche
presenti nel locale.
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Impianti ad aria:
strategie di ventilazione
Dislocamento (DV)
TR , cR
Toc < TR
coc < cR
To , co
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Impianti ad aria:
strategie di ventilazione
Dislocamento (DV)
OUT
pennacchio
termico
Taria
Ccontaminante
IN
33
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Sistemi ad aria primaria:
strategie di ventilazione
Mixing
Ventilation
Displacement
Ventilation
Problematiche di comfort
in presenza di elevati carichi termici
Controsoffitti Radianti
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Ventilazione a miscelazione (MV)
problema: caduta del getto
xs
IN
OUT
Lunghezza di
penetrazione del getto
caduta del getto
zona occupata
Discomfort per correnti
fredde d’aria
Y
X
Problema: elevate velocità e/o basse temperature
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Displacement Ventilation (DV)
DV : immissione di aria leggermente
sottoraffreddata a livello del pavimento
DV + riscaldamento: accoppiamento
con pavimento caldo (soluzione ideale)
DV + raffrescamento: accoppiamento
con soffitto freddo (soluzione ideale) o
pavimento freddo
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Pannelli radianti: comportamento termico e prestazioni
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Pannelli radianti: comportamento termico e prestazioni
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Displacement Ventilation (DV)
mixed-flow region
h
h
air
ys
t
wall
T
C
MAX Qtot = 25-45 W/m2
Problema con alti carichi: alto gradiente verticale di
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temperatura o bassa temperatura a pavimento
Pannelli radianti: comportamento termico e prestazioni
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DV + Controsoffitto Radiante
mixed-flow region
h
h
air
yst
wall
T
C
MAX Qpannello = 50 W/m2 (fino a Qtot 100 W/m2 )
Problema se Qpan/Qtot > 0,5 :
estensione della mixed-region
38
Pannelli radianti
Conclusioni
Nel caso dei pannelli radianti gli aspetti di comfort
legati alle temperature superficiali ammissibili
sono inscindibilmente connessi alle prestazioni (in
riscaldamento e raffrescamento) del sistema
I pannelli radianti presentano una singolare
peculiarità nella dinamica di rimozione dei carichi
termici (p.s. in presenza di carichi solari la resa di
rimozione del carico cresce sensibilmente per la
presenza di un alto carico diretto) … ciò deve
essere attentamente valutato in fase di progetto
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Pannelli radianti: comportamento termico e prestazioni
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Pannelli radianti
Conclusioni
I pannelli radianti presentano delle capacità
superficiali di cessione e asportazione dei carichi
termici ben definite ed eslusivamente legate alla
temperatura superficiale imposta
L’accoppiamento tra pannelli radianti e sistemi di
distribuzione dell’aria (sia MV e DV) permette di
coprire un elevato numero di casistiche
progettuali anche in presenza di elevati carichi,
garantendo contemporaneamente un elevato
livello di comfort e qualità dell’aria
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Pannelli radianti: comportamento termico e prestazioni
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