pubblicato il 19 ottobre 2015

Ho eseguito un'analisi agli elementi finiti (FEM) della distribuzione delle temperature in un sistema costituito da un impianto a pavimento a tubi affogati in supporto di massetto cementizio. Nell'animazione è riportato l'andamento delle temperature su una sezione verticale del sistema pavimento-impianto.

Osservazione della simulazione e considerazioni sui risultati.

Nell'animazione riportata in figura è visualizzata la diffusione del calore in un impianto di riscaldamento a pavimento costituito da tubazioni multistrato PE-HD/Al/PE-Xb disposte a passo di 75 mm in configurazione di spirale affogate in un massetto di tipo tradizionale che fa da supporto. Il tubo è disposto su un pannello bugnato in polistirene di cui lo spessore dell'isolamento sottostante è pari a cm 3,0. Il sistema è disposto su un solaio in latero-cemento interno tra due abitazioni 25+5, quindi una struttura abbastanza standard. Lo spessore del massetto è di 5 cm sopra il profilo più alto del bugnato. La temperatura delle tubazioni di mandata è di 40 °C mentre quelle d'all'acqua di ritorno è di 35 °C.

La simulazione agli elementi finiti evidenzia come il calore inizialmente si diffonda in un contorno circolare intorno al perimetro delle tubazioni; quando il contorno del calore raggiunge una certa altezza dal profilo superiore del bugnato (mediamente un'altezza pari al passo diviso 2, in questo caso circa 3,5 / 4 cm dal profilo superiore del bugnato), i cerchi concentrici tendono ad unificarsi in una geometria che circonda completamente la struttura delle tubazioni, con i contorni ondulati, fino a diventare una figura praticamente omogenea quando il sistema raggiunge lo stato stazionario.

Poichè sotto i tubi è disposto l'isolamento termico , il gradiente di temperatura nella parte sottostante delle tubazioni è schiacciato nel breve spazio tra il profilo del tubo esterno e il primo centimetro di isolante (notare le segmentazioni colorate nel fotogramma finale), mentre la parte costituita dal solaio in latero-cemento non è coinvolta in maniera significativa nella diffusione del calore.

Si evidenzia in questa simulazione come, da un punto di vista della dinamica termica, l'elemento riscaldante finale del locale sovrastante sia costituito dalla pavimentazione che ha, nei primi centimetri partendo dal lato superiore, una temperatura pressoché omogenea in direzione orizzontale quindi in un piano parallelo al pavimento, fino ad arrivare alla temperatura limite di 29 °C nel piano esterno così come dettato dalle norme UNI 1264.

Nel caso degli impianti a pavimento, l'elemento terminale della catena impiantistica per il trasferimento del calore prodotto, dalla centrale termica fino all'elemento terminale, è costituito proprio dalla pavimentazione e che essa stessa ha la funzione di radiatore per il riscaldamento dell'abitazione, mentre le tubazioni di distribuzione dell'acqua sono una struttura intermedia dell'intero sistema impianto, il cui compito funzionale è quello di apportare il calore alla pavimentazione stessa.

L'evidenza che i sistemi di riscaldamento a pavimento debbano funzionare con temperature inferiori rispetto ai tradizionali radiatori, oltre che da motivazioni di comfort ambientale (temperatura limite 29°C, o 35°C in certi casi) è determinato dal fatto che la superficie di scambio termico (quindi i metri quadri) dei radiatori è di gran lunga superiore a quella dei radiatori (rapporto da 12 a 20 volte).

Poichè il flusso termico (watt) necessari per mantenere a 20°C un locale è fissato dal progettista e non cambia a seconda della tipologia di riscaldamento attuato e in virtù del fatto che

Watt = Superficie radiatore x ∆T1 = Superficie pavimento x ∆T2

per cui dal calcolo risulta che ∆T2 è inferiore a ∆T1. Quindi in pratica, mentre per i radiatori sono necessari cadute di temperature (per caduta di temperatura intendo la differenza tra la temperatura di mandata e di ritorno), di 20/25 °C, per gli impianti a pavimento le cadute di temperature possono arrivare a 2/3 °C. Ricordo che le norme UNI 1264 consigliano una caduta di temperatura massima di 5 °C.)

Il fatto vincolante che la temperatura massima superficiale sia di 29°C (o 35°C) vincola ad usare temperature di mandata normalmente non superiori a 40°C e temperature di ritorno sui 35/36 °C.

Domanda: ma il sistema a pannelli radianti fa veramente risparmiare sui consumi per il riscaldamento?

Per valutare i reali risparmi energetici di un impianto a pavimento dobbiamo fare il confronto con due abitazioni perfettamente identiche dal punto di vista delle geometrie , delle trasmittanze delle pareti, dei serramenti e degli impianti di generazione e tutto il resto, l'unica differenza è il sistema di emissione/distribuzione. Possiame fare il confronto con una stessa abitazione che dispone di impianti a radiatori.

Se osserviamo la nuova norma UNI/TS 11300:2014 prospetto 17 (prendiamo per semplicità il caso in cui il carico termico medio annuo sia maggiore a 10 W/m3 ) il rendimento di emissione di un sistema a radiatore su parete interna è del 92% mentre nel caso dei pannelli annegati a pavimento è del 97% da cui si evince che la differenza di rendimento tra i due sistemi è del 5%.

E' evidente come il rendimento dei pannelli radianti a pavimento sia superiore a quello dei più diffusi radiatori, e ciò è dovuto al fatto che i sistemi a pannelli radianti funzionano con continuità rispetto ad un sistema a raditori, di gran lunga più soggetto a cicli di accensione/spegnimento.

Inoltre è da sottolineare che, se si sostituisce una caldaia standard con una caldaia a condensazione (necessaria per gli impianti a pavimento radiante), si può aggiungere un 9/10% di rendimento dovuto alla condensazione dell'acqua dei fumi.

Per questo motivo il risparmio energetico che si può avere con la combinazione caldaia a condensazione+impianto a pavimento può dare un risparmio del 15% massimo sui consumi per il riscaldamento. Il vero risparmio energetico si ottiene intervenendo sulla coibentazione dell'abitazione, in quanto che sia a radiatori o a pannelli radianti, l'impianto deve fornire quella potenza necessaria per compensare le dispersioni dell'abitazione.

E' vero che i pannelli radianti funzionano con temperature più basse rispetto ai sistemi a radiatori (40 °C contro i 70/75 °C dei radiatori), ma è anche vero che la quantità di acqua che deve essere riscaldata è di gran lunga superiore nel caso dei pannelli radianti, a causa della maggiore lunghezza d'estensione della rete di distribuzione.

Spesso nei siti che pubblicizzano impianti a pavimento si vede scritto che il risparmio può arrivare anche al 20/25%. Questo può essere vero se si fa il confronto con una abitazione in cui non è posata alcuna coibentazione del pavimento. Molti costruttori considerano i pannelli isolanti per il sostegno degl'impianti a pavimento come se facessero parte dell'impianto stesso: in linea di principio questo non è corretto in quanto i pannelli isolanti possono essere installati anche senza necessità dell'impianto anche per un'abitazione dotata di comuni radiatori.

La necessità di progettare a norma un impianto a pavimento.

Un impianto a pavimento è un sistema soddisfacente per il committente se è ben progettato.

Spesso, soprattutto quando si tratta di piccole committenze, l'impiantista installa un impianto a pavimento senza chiedersi di quanta potenza c'è bisogno per mantenere la temperatura dell'abitazione. Normalmente si procede ad installare le tubazioni con il passo minimo in modo da stare sicuri con la massima potenza erogabile dall'impianto e poi si lascia al proprietario di casa il compito di regolare la temperatura di mandata della caldaia per trovare le condizioni più confortevoli. In questa maniera oltre ad un maggior investimento iniziale da parte del committente, c'è il rischio che l'impianto funzioni a temperature più elevate delle temperature di equilibrio tra dispersioni e immissione di calore, con conseguenti sprechi di calore. D'altro canto se si regola l'impianto con temperature troppo basse si rischia di avere degli elevati tempi d'inerzia per la messa a regime e uno scarso rendimento di regolazione a regime.

E' bene affidarsi inizialmente ad un progettista di impianti prima di far installare un impianto a pavimento in modo da valutare in maniera sistemica il complesso edificio-impianto e valutare correttamente le modalità di installazione di un impianto a pavimento radiante.

Conviene installare gli impianti a pavimento anche negli edifici esistenti?

Installare un impianto a pavimento in un edificio esistente è un operazione molto invasiva, ma fattibile. Esiste la possibilità di installare gli impianti a pavimento anche sopra il rivestimento piastrellato della pavimentazione. I cosidetti impianti posati a "secco" consentono di limitare le altezze dello strato a pochi centrimetri, centrimentri che vengono sottratti all'altezza totale degli interni.

Nella mia opinione, prima di procedere in questo modo è bene far valutare da un tecnico abilitato se è possibile procedere in modo alternativo e cioè divellando la pavimentazione e il massetto: in questo modo gli impianti a pavimento possono dare le loro prestazioni migliori. E poi c'è da chiedersi: conviene installare un impianto a pavimento nella mia abitazione? Normalmente far installare un impianto a pavimento in una abitazione dotata di vecchia caldaia semplice e radiatori comporta anche la sostituzione della caldaia con una a condensazione. E' da valutare quindi se l'investimento economico per il nuovo impianto può essere recuperato in tempi accettabili con il risparmio che deriva dai minori consumi energetici (pay back time), alla luce del fatto evidenziato precedentemente, e cioè che i risparmi dovuti alla semplice installazione di un impianto a pavimento sono limitati al 15%.

In una abitazione di nuova costruzione tutto è più facile, in quanto il nuovo impianto deve essere inserito in una casa che deve essere ancora costruita, e sicuramente sarà progettato in maniera congruente con il tipo di abitazione che sarà costruita.