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Raffrescamento radiante

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Raffrescamento radiante

Rimuovere carichi termici in modo “diretto”

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I sistemi radianti hanno ormai anche in Italia una consolidata applicazione per il riscaldamento ambientale.
Tuttavia, oggi vengono impiegati sempre più anche per il raffrescamento: si analizzeranno qui alcune specificità di "comportamento" dei sistemi radianti in questa modalità di funzionamento.
Si descriverà in particolare il singolare meccanismo di formazione del Cooling Load (CL), cioè la potenza termica che è necessario sottrarre a un ambiente ad ogni istante al fine di mantenervi la temperatura prefissata.
Ricerche sull'argomento condotte sia su controsoffitti che su pavimenti radianti hanno mostrato come il Cooling Load per questa tipologia di impianti sia formato da una quota dovuta agli apporti radiativi direttamente asportati dal pannello radiante (Direct Load, DL) e da una quota di carico sottratta all'ambiente (Room Load, RL) dall'azione raffrescante della superficie radiante fredda.
Per spiegare questa dinamica termica, risulta utile esemplificarla con riferimento ai controsoffitti radianti leggeri (in metallo o in cartongesso) che presentano una capacità di accumulo termico estremamente ridotta se confrontata con quella di un comune elemento strutturale.
Si immagini ora che un flusso termico di origine radiativa (solare, proveniente da sorgenti luminose, etc.) colpisca direttamente il pannello radiante: l'energia termica da questo assorbita non viene accumulata, bensì istantaneamente asportata dal fluido freddo (acqua) che circola nelle serpentine del pannello stesso.
Questa frazione di carico radiativo è definita carico diretto (Direct Load) sul pannello radiante. Con riferimento agli apporti termici radiativi, la dinamica termica di asportazione del pannello è quindi assimilabile a quella di un "pozzo termico" a temperatura imposta dal fluido termovettore (acqua).

Dinamica di asportazione dei carichi termici da parte di un sistema radiante: dagli apporti termici (Heat Gain) al carico di raffrescamento (Cooling Load)

La figura esemplifica a tal proposito il meccanismo di rimozione del carico attuato da un sistema radiante: si evidenzia in particolare la quota di carico diretto.
Il pannello asporta pertanto una quota degli apporti termici radiativi in maniera istantanea, cioè prima che questa possa divenire carico ambiente, come avviene invece nel caso di un sistema di raffrescamento tradizionale.
In un sistema di raffrescamento tradizionale (si pensi, per esempio, di impiegare dei ventilconvettori al posto di un sistema radiante), l'intera quota radiativa viene prima accumulata dalle componenti capacitive dell'ambiente (pareti, mobilio, etc.) per poi trasformarsi in carico ambiente (Room Load, RL), come schematizzato in figura.
 
Dinamica di asportazione dei carichi termici da parte di un sistema tradizionale: dagli apporti termici (Heat Gain) al carico di raffrescamento (Cooling Load) 

 
E' ora interessante esaminare quali siano gli effetti di questa peculiarità nella rimozione dei carichi termici sopra illustrata sul dimensionamento del sistema impiantistico.
A tal proposito, si confrontano in particolare tre soluzioni impiantistiche:
• impianto a tutt'aria,
• impianto misto controsoffitto radiante e aria primaria,
• impianto misto pavimento radiante e aria primaria.
Le tre soluzioni sono confrontate in termini di potenza di raffrescamento di picco da rimuovere da un locale caratterizzato da una capacità termica medio-alta, e con apporti
termici sensibili totali (radiativi e convettivi) pari a 150 W/m2. Le potenze termiche nei tre casi sono presentate in figura 3: pur essendo il caso presentato puramente indicativo (è ovvio le quote di apporti radiativo e convettivo che compongono il carico di raffrescamento dipendono dalla specificità di ogni progetto), esso è pienamente esaustivo per spiegare la diversa modalità con cui si compone il Cooling Load nei tre casi.
In Figura 3 sono rappresentati il carico di raffrescamento (Cooling Load), il carico da rimuovere dal locale (Room Load) e il carico radiativo diretto rimosso dal sistema impiantistico (Direct Load).
 
Cooling Load, Room Load e Direct Load a parità di Heat Gain in 3 sistemi a confronto (tutt'aria, misto con controsoffitto radiante, misto con pavimento radiante).


Nel caso del sistema a tutt'aria, il Direct Load è nullo mentre il Room Load e il Cooling Load coincidono: tutti gli apporti termici prima si trasformano in carico ambiente e poi sono rimossi dal sistema.
Il caso opposto è rappresentato dal sistema a pavimento radiante, il quale avendo una elevata propensione a rimuovere direttamente i carichi solari, e radiativi in genere, che incidono direttamente su di esso è caratterizzato da un valore elevato di Direct Load (per visualizzare il fenomeno, si pensi alla radiazione solare che entrata dalla finestra incide sul pavimento che prima la assorbe e poi si trasforma in Direct Load).
Avendo una quota di Direct Load significativa, il corrispondente Room Load assume il valore minimo rispetto ai tre sistemi esaminati.
Il Cooling Load assume invece il valore massimo in quanto la quota radiativa di Direct Load non ha subito l'azione di smorzamento da parte delle componenti capacitive del locale.
Il caso del controsoffitto radiante è intermedio ai due sopra descritti. 
 
Alcune considerazioni conclusive:
• per effetto del Direct Load, il pavimento radiante è il sistema che istantaneamente rimuove un carico termico maggiore e conseguentemente avrà bisogno di essere alimentato da una potenza frigorifera opportunamente dimensionata;
• è ben noto che la capacità di raffrescamento dei sistemi radianti in termini di rimozione del Room Load è limitata dalla minima temperatura superficiale di esercizio
vincolata dall'evitare fenomeni di condensa superficiale (la eventuale quota eccedente di Room Load è rimossa istante per istante dal contributo dell'aria primaria);
• con riferimento all'affermazione precedente, è da tenere sempre ben presente che soprattutto in presenza di elevati carichi solari la capacità di raffrescamento dei sistemi radianti non è stabilità dalla sola quota "ambientale" (Room Load) ma dalla somma di Room Load e Direct Load.

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