Un confronto tra sistemi radianti e altri sistemi di emissione a parità di comfort

In questo articolo viene presentato un confronto tra le prestazioni energetiche e di comfort termico, simulate mediante il programma EnergyPlus, di due sistemi ad aria (tutta aria e fan coil) e di riscaldamento e raffrescamento radiante a pavimento/soffitto realizzato su un edificio per uffici.

Il confronto è focalizzato sull'analisi dei consumi energetici e delle emissioni di CO2 a livelli di qualità di comfort termico equivalenti nei casi in esame.


Temperatura e comfort termico

La temperatura che rappresenta il comfort degli occupanti è definita Temperatura operativa. 

  • La Temperatura media radiante è la temperatura uniforme di una cavità nera in cui gli occupanti scambierebbero per irraggiamento la stessa energia termica che scambiano nell’ambiente reale non uniforme; 
  • La Temperatura operativa è definita come la temperatura uniforme delle pareti e dell’aria di un ambiente fittizio, in cui il soggetto scambierebbe la stessa potenza termica per irraggiamento e convezione che scambia effettivamente nel locale reale.

La termoregolazione dei sistemi di riscaldamento/raffrescamento è usualmente fatta sul controllo della temperatura dell’aria, non sulla temperatura operativa. Similmente, nei software di simulazione termoenergetica, viene impostato come parametro di input la temperatura dell’aria.

 

Sistemi radianti a confronto

 

Quali conseguenze?

L'inerzia termica dei vari sistemi di climatizzazione (radiante, tutta aria) è variabile, mentre l'inerzia termica del sistema controllato (l'ambiente termico interno) è costante. Il comfort termico dipende dalla temperatura dell'aria e dalla temperatura media radiante (abbinate nella temperatura operativa), mentre il controllo degli impianti può essere effettuato sulla temperatura dell'aria.

Nel presente articolo vengono analizzati gli effetti sul comfort e sui consumi energetici di questo aspetto in un caso studio di tipo terziario.

 

Il caso studio

L’edifici in esame è lo ”small size office of the DOE buildings benchmarks for new construction” e presenta un’area climatizzata di 511 m2 suddivisa in 5 zone termiche di altezza 2,74 m, come rappresentato nelle rappresentazioni in figura. Sono riportati di seguito i risultati per la località di Roma.

 

"small size office of the DOE buildings benchmarks for new construction” sistemi radianti

 

Le caratteristiche dei quattro sistemi analizzati sono le seguenti:

  • Sistema di riferimento tutt’aria: VAV (variable air volume) multizona con doppio set point con banda morta (21 °C e 25.5 °C);
  • Sistema a ventilconvettori 4 tubi: nessun controllo UR in inverno, parziale deumidificazione in estate;
  • Sistema radiante a pavimento: accoppiato ad impianto ad aria primaria;
  • Sistema radiante a soffitto: accoppiato ad impianto ad aria primaria.

Anche se i programmi di temperatura di set point e le tipologie di controllo degli impianti di condizionamento e le condizioni meteorologiche sono sempre le stesse, la temperatura dell'aria e quella media radiante non sono esattamente le stesse nei vari casi. Ciò è dovuto alla diversa inerzia termica del sistema di controllo (impianto radiante, fan coil, ecc.), soprattutto con doppio set point con regolazione termostatica a banda morta. Se si vuole confrontare l'energia consumata da diversi sistemi su lunghi periodi, è necessario verificare, tramite un'analisi di comfort termico, che il livello di comfort termico di lungo periodo garantito dai vari sistemi sia lo stesso.

Effettuare un confronto tra l'energia consumata da diversi sistemi impiantistici è un compito complesso per il numero di grandezze coinvolte, le condizioni al contorno e le numerose ipotesi da fare. L’analisi è stata eseguita sulla base di due aspetti, che necessariamente devono essere analizzati insieme:

  • Il comfort termico;
  • Il consumo energetico.

L'analisi del comfort termico a lungo termine è stata effettuata seguendo la norma UNI EN 16798-1:2019 (Parametri di ingresso dell'ambiente interno per la progettazione e la valutazione della prestazione energetica degli edifici in relazione alla qualità dell'aria interna, all'ambiente termico, all'illuminazione e all'acustica). 

Ad ogni categoria può essere associato un indice di prestazione PI che viene calcolato come percentuale di ore in cui la temperatura operativa scende nel range di accettabilità. Una zona termica può essere etichettata con una certa categoria se PI> 90%.

Nella tabella sono riportati i quattro livello di aspettativa secondo la norma UNI EN 16798-1:2019.

 

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Livelli di aspettativa secondo UNI EN 16798-1:2019

 

Nel grafico di seguito sono riportate per l’analisi invernale eseguita per la località di Roma con ventilconvettori le classi di temperatura operativa e indice di prestazione PI espresso in percentuale per la categoria II (livello di aspettativa medio). In viola è riportata la frequenza cumulata.

 

Classi di temperatura operativa-Ventilconvettori in inverno

 

Nel secondo grafico, riportato di seguito sono rappresentati i risultati per l’analisi invernale eseguita con sistema radiante a pavimento. In viola è riportata la frequenza cumulata. Il confronto dei due diagrammi consente di notare come, pur con una distribuzione di temperatura leggermente diversa, sia possibile comparare i due sistemi di climatizzazione in quanto garantiscono una medesima classe di comfort.

 

Sistema radiante a pavimento-Classi di temperatura operativa

 

I risultati sulle emissioni di CO2 e di consumo di gas ed elettrico sono graficati di seguito. 

L'adozione di un impianto radiante, e di un adeguato impianto di generazione, si traduce sempre in una riduzione delle fonti energetiche utilizzate, dei costi per i prodotti energetici acquistati e delle emissioni di anidride carbonica.

 

Riassunto sistemi di emissione

 

Effettuare un confronto tra l'energia consumata da diversi sistemi impiantistici per la climatizzazione, soprattutto se di natura diversa, è un compito complesso per il numero di grandezze coinvolte, le condizioni al contorno e le numerose ipotesi da fare. La temperatura operativa è il parametro da considerare quando si effettuano dei confronti tra sistemi di climatizzazione di natura diversa, ed è necessario trovare delle modalità per verificare che le condizioni di comfort dei diversi sistemi impiegati siano se non identiche quantomeno comparabili ai sensi della vigente normativa tecnica

Anche nei sistemi di controllo si stanno diffondendo regolatori basati sulla misura (diretta/indiretta) di varie grandezze ambientali e non solo la temperatura dell’aria, tali prodotti sono attualmente in fase di studio e verranno a breve immessi sul mercato.


SPECIALE

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Sistemi radianti: tutto quello che è importante sapere

Una raccolta di appunti tecnici dedicata alle caratteristiche principali, alla normativa e alla posa in opera della tecnologia radiante.

Con l'obiettivo di dare un supporto immediato ai nostri lettori interessati a capire di più sul tema, abbiamo realizzato questa pagina di collegamento a diversi articoli pubblicati sul nostro portale grazie al contributo di tecnici esperti ed in particolare dell'ing. Clara Peretti.

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