Comfort abitativo gli impianti radianti sono la soluzione: analisi tecnica e simulazioni
Introduzione
L’impianto a pannelli radianti rappresenta il riferimento per tutti i nuovi impianti! Vediamo insieme se questa affermazione è effettivamente sempre vera e se basta solo l’impianto suddetto per creare il cosiddetto “comfort”.
Dopo una panoramica sulle normative di riferimento, relative al calcolo del carico termico e al dimensionamento dell’impianto radiante, abbiamo simulato un caso pratico di edificio residenziale, considerando le ultime specifiche legislative e gli effetti che hanno introdotto.
Normativa
La progettazione di qualsiasi impianto di riscaldamento o raffrescamento richiede come dato di input il calcolo di potenza di ogni locale da riscaldare e raffrescare.
Le potenze in riscaldamento possono essere determinate secondo la norma UNI EN 12831. Tale norma fornisce metodi di calcolo delle dispersioni termiche e del carico termico in condizioni di progetto. Invece le potenze in raffrescamento possono essere determinate secondo il metodo Carrier.
Questo consente la valutazione distinta dei carichi termici per irraggiamento solare (attraverso i componenti finestrati) e di quelli per trasmissione (attraverso i componenti opachi o finestrati), dei carichi termici per ventilazione e dei carichi termici interni.
Per il dimensionamento degli impianti radianti a pavimento è possibile utilizzare le seguenti normative:
- UNI EN 1264:2021, sistemi radianti alimentati ad acqua per il riscaldamento e il raffrescamento integrati nelle strutture;
- UNI EN ISO 11855:2021, Sistemi di riscaldamento e raffreddamento radianti integrati.
Tipologia dell’edificio
L’edificio utilizzato come esempio è una villetta, sita nel comune di Padova (con una temperatura esterna minima di -5°C), completamente indipendente, composta da tre livelli di cui quello al piano terra è riscaldato, mentre il piano seminterrato e il sottotetto sono locali non riscaldati.
La superficie calpestabile è di circa 120 m2, il rapporto tra la superficie disperdente ed il volume risulta maggiore di 0,9 (tipico per questo tipo di edifici).
Figura 1: simulazione degli ombreggiamenti con EC700 V13
Figura 2: Schema di posa pannelli radianti con EC717 V8
Per maggior chiarezza, nella tabella sottostante sono riportate le caratteristiche geometriche principali e le temperature di progetto per tutti i locali della villetta.
Occorre subito prestare attenzione alla differenza tra i valori di superficie calpestabile (Sc) e di superficie di posa pannelli (Sp): quest’ultimo valore rappresenta la superficie effettivamente disponibile per la posa dei pannelli ed in alcuni casi, ad esempio per i locali ad uso bagno, può essere sensibilmente inferiore rispetto a quella disponibile. La norma UNI EN 12831 consiglia, per il calcolo delle dispersioni dei locali ad uso bagno, una temperatura di progetto di 24°C.
L’insieme di questi due effetti determina una potenza specifica maggiore per i locali ad uso bagno che, non sempre è gestibile solo con l’impianto a pannelli a pavimento.
Le ultime due colonne della tabella riportano le dispersioni totali e per singolo locale, calcolate con il regime normativo della prima del decreto requisiti minimi.
Tabella 1: dati geometrici e potenze di calcolo
Calcolo della potenza invernale
Per evidenziare l’effetto dell’evoluzione normativa sul calcolo delle dispersioni in termini di potenza si è deciso di verificare lo stesso edificio con le normative che si sono susseguite in questi ultimi 30 anni.
Ipotizzando che l’edificio venga costruito con prestazioni al limite della normativa, abbiamo realizzato otto modelli con il programma EC700 v.13 di Edilclima (appena al di sotto del limite fissato dalla normativa di riferimento dell’epoca) utilizzando la stessa planimetria e le stesse condizioni al contorno.
L’edificio che risulta dalle varie simulazioni è sostanzialmente diverso per quanto concerne la prestazione energetica sia dal lato involucro che dal lato impianto; infatti si passa da un edificio non isolato con generatore a gas tradizionale ad uno “NZEB” pesantemente isolato, con impianto VMC, recuperatore, pompa di calore e impianto fotovoltaico.
Da queste simulazioni abbiamo realizzato la tabella 2 e la tabella 4.
La prima tabella è così composta:
- nelle due righe iniziali sono presenti tutti i regimi normativi e le loro corrispettive date di entrata in vigore;
- la sezione centrale riporta le potenze specifiche di progetto (W/m2) per ogni singolo locale e per l’intero edificio: il colore differente è legato alla massima potenza specifica che può erogare un pannello radiante secondo norma UNI EN 1264;
- nell’ultima riga è calcolata la percentuale (rispetto all’intero edificio) che indica di quanto sono diminuite le dispersioni rispetto al caso non isolato.
Tabella 2: risultati della potenza specifica invernale al variare dei regimi normativi.
La tabella 3 riporta le rese teoriche in riscaldamento legata alle temperature massime superficiali del pavimento e del soffitto radiante secondo UNI EN 1264.
Tabella 3.: temperature del pavimento e rese teoriche correlate (riscaldamento).
Nel caso in cui la potenza da fornire al locale sia così elevata (non è il caso dell’esempio trattato) da portare una temperatura superficiale del pavimento maggiore di 29°C, si può suddividere l’area in due zone: una centrale, dove usualmente si sosta, e un'altra marginale, larga non più di un metro, dove si può arrivare fino a 35°C.
Figura 3: pre-dimensionamento tabellare con EC717 V8
Figura 4: esempio di posa con zona periferica
In caso di soffitti radianti, quando l'altezza dei locali supera 2.7 m, è consentito utilizzare temperature superficiali medie superiori a 33 °C purché sia verificato il limite fisiologico degli occupanti con la EN ISO 7730. Discorso analogo per le pareti radianti quando la temperatura sale oltre i 40 °C.
Per approfondire l’argomento si veda il focus al fondo di questo articolo: Focus: il calcolo del comfort secondo EN ISO 7730
Analisi dei risultati in riscaldamento
Per quanto riguarda la tipologia di edificio e la destinazione d’uso residenziale, secondo quanto emerso dalle simulazioni eseguite, sarebbe consigliato un impianto radiante a pavimento o a soffitto solo dopo l’introduzione del D.Lgs. 192/05.
Il caso non isolato porterebbe a temperature superficiali del pavimento superiore a quelle consentite dalla normativa, invece l’estremo opposto è rappresentato dalla seconda fase del D.M.26/06/15 dove l’impianto riesce a gestire completamente le dispersioni senza l’aggiunta di nessun elemento di integrazione.
Ovviamente questo è solo un esempio ed ogni edificio ha un suo carico termico, quindi prima di partire verso una determinata scelta si consiglia sempre di determinare il carico termico specifico per ciascun locale (W/m2).
Calcolo della potenza estiva
Fino all’emanazione del D.P.R. 59/09 (in vigore dal 25/06/09) non c’erano vincoli espressamente definiti sulla quantità massima di energia estiva. Era quindi compito esclusivo del progettista architettonico che, in base alla propria esperienza, doveva realizzare le misure atte a ridurre il più possibile i carichi termici estivi. Se tali valutazioni non venivano fatte in modo opportuno, ci si poteva trovare con edifici dai carici estivi così elevati da rendere molto difficile e dispendiosa una soluzione impiantistica.
Se volete vedere un esempio di questo tipo guardate “La casa invisibile di Joshua Tree”.
Figura 5: La casa invisibile di Joshua Tree
Come per il calcolo invernale, abbiamo realizzato un’ulteriore tabella che indica come varia la potenza estiva con l’applicazione dei vincoli di legge.
Nella tabella 4 viene indicata la potenza sensibile di progetto (W/m²) con colorazioni diversificate in base alla temperatura minima del pavimento.
Tabella 4: risultati della potenza specifica estiva al variare dei regimi normativi.
La tabella 5 riporta le rese teoriche in raffrescamento legate alle temperature superficiali minime e all’umidità relativa massima sia per pavimento che per soffitto.
Tabella 5: temperatura del pavimento, soffitto e relative rese teoriche (raffrescamento).
Analisi dei risultati in raffrescamento
Analizzando il carico estivo, anche nel caso considerato, pure rispettando gli attuali limiti di legge, abbiamo delle rientrate tali da dover abbinare all’impianto sempre un sistema di integrazione. Tale sistema si rende strettamente necessario per due motivi: il radiante non gestisce il carico latente (effetto cantina assicurato) e la potenza da asportare potrebbe non essere sufficiente per tutti locali.
Una tipologia di impianto che potrebbe essere adottata è quella riportata in figura di seguito ovvero PdC aria-acqua, VMC + batteria ed integrazione in raffrescamento con ventil, canalizzato per la zona più alto carico.
Figura 6: schema tipico per casa unifamiliare di un impianto a pannelli radianti e sistema VMC centralizzato con trattamento aria.
Considerazioni finali
L’impianto radiante risulta sicuramente una scelta vincente per motivi di igiene e di non invasività, ma per ottenere il corretto funzionamento del sistema e anche il cosiddetto “comfort termico” non ci si può affidare esclusivamente alla tipologia impiantistica ma occorre sempre eseguire una verifica del sistema Edificio-Impianto che tenga conto delle effettive dispersioni sia in regime invernale che estivo.
Se non eseguiamo questo tipo di verifica rischiamo di utilizzare temperature di mandata troppo elevate (o troppo basse) per gestire gli alti carichi termici compromettendo il comfort termico e in alcuni casi anche la prestazione energetica.
Viceversa qualora l’edifico abbia un carico termico specifico basso, esempio edifico isolato, il sovradimensionamento dell’impianto radiante potrebbe non essere un problema, in quanto la regolazione, di tipo climatico, diminuirebbe la temperatura a valori più bassi, che in presenza di pompe di calore, porterebbe anche ad un aumento del rendimento.
Focus: il calcolo del comfort secondo EN ISO 7730
La norma di riferimento per il calcolo del comfort è la EN ISO 7730.
Essa, come si legge nella sua premessa, nasce pensata per gli uffici ma risulta in realtà applicabile a qualunque tipologia di ambiente.
Il principio di base su cui si basa la norma è il bilancio termico del corpo umano, il quale risulta influenzato da tre fattori principali: l’attività che si sta compiendo, l’abbigliamento indossato e i parametri ambientali che circondano l’individuo quali temperatura, velocità dell’aria e temperatura media radiante.
Il comfort dell’individuo all’interno di un ambiente climatizzato viene quindi stimato eseguendo un’equazione di bilancio termico ed esprimendo il risultato con due fattori:
- PMV, Predicted Mean Vote, rappresentante la sensazione termica provata, misurata in una scala di valori che si estende da -5 a +5;
- PPD, Predicted Percentage Dissatisfied, rappresentante la percentuale di individui insoddisfatti della sensazione termica provata nello specifico ambiente.
Figura 3 La teoria del benessere termico (Fonte: fybra.co)
All’interno dell’Annex A della EN ISO 7730 vengono infine indicate 3 categorie A, B e C, indicate in ordine di bontà dei risultati, nelle quali si ricade a seconda dei valori di PMV e PPD ottenuti dalla valutazione del bilancio energetico.
Tabella 3 Categorie per il calcolo del comfort
Il calcolo del comfort può essere eseguito mediante l’uso di un software che esegua valutazioni di prestazione energetica in regime dinamico orario. Con EC700, abbinato al modulo EC701, è possibile attivare tale calcolo ed eseguire una valutazione, locale per locale, dei valori di PMV e PPD.
Nel caso del villino residenziale in esame, nonostante non venissero superate le temperature superficiali medie previste dalla norma di riferimento per la progettazione del sistema radiante, sì è comunque proceduto alla valutazione del comfort con calcolo degli indici di PMV e PPD.
Più in dettaglio si è impostato un calcolo dinamico orario prevedendo un profilo di utilizzo dell’abitazione tipico di una villetta indipendente andando poi a impostare uno specifico profilo di utilizzo dei sistemi di chiusure oscuranti per i locali con esposizione a sud pieno per evitare un eccessivo ingresso di apporti solari gratuiti nelle ore centrali della giornata nel periodo estivo.
Dal calcolo sono stati esclusi il disimpegno e i bagni, locali in cui non è prevista una presenza continuativa di individui.
Il risultato ottenuto ha comprovato la buona riuscita della progettazione dell’edificio in quanto i valori di comfort si sono attestati su categorie A e B.
Figura 4 Il profilo orario impostato per la zona termica Villetta
Figura 5 Il risultato del calcolo degli indici di comfort sul locale Camera
Figura 6 I risultati di calcolo degli indici di comfort