Impianti radianti a pavimento, parete e soffitto…

Quando si progetta un impianto a pavimento (ma lo stesso discorso vale anche per un impianto a parete o a soffitto con i sistemi intonacabili), una volta stabilito l’interasse da utilizzare nella posa della tubazione, bisogna decidere quanti circuiti dedicare a ciascun ambiente da climatizzare.
Facciamo un esempio: camera da letto di 19 mq ed interasse di posa (di progetto) pari a 10 cm, per un funzionamento in riscaldamento e raffrescamento. E’ abbastanza facile determinare la lunghezza del tubo necessario a coprire il pavimento della camera da letto, attraverso una semplice tabella:
Il tubo necessario per la nostra camera da letto è pari a:
10 (tubo per ogni mq) x 19 (superficie camera da letto in mq) = 190 m
In base alla nostra esperienza, sapendo che un circuito non può superare i 90-100 m (perché altrimenti, come ci viene sempre detto dai produttori di sistemi radianti, le perdite di carico sarebbero troppo elevate e potremmo avere problemi di circolazione dell’acqua insufficiente), saremmo portati a decidere per 2 circuiti di 95 m ciascuno (più i metri necessari per coprire la distanza tra la camera da letto e il collettore).
Ma questa decisione è valida per qualunque diametro della tubazione? Se invece del tubo 17x2 mm dovessimo utilizzare un tubo 16x2 mm oppure un tubo 14x1,5 mm, la scelta di adottare 2 circuiti sarebbe ancora valida? E se volessimo realizzare un sistema radiante ribassato che prevede l’utilizzo di un tubo 12x2? In quest’ultimo caso quale dev’essere la lunghezza massima del singolo circuito? Ci possiamo fidare ancora della nostra esperienza? E poi… le ipotesi che facciamo sono valide sia in riscaldamento che in raffrescamento?

Quali sono le perdite di carico dei vari tubi esistenti in commercio per la realizzazione di un sistema radiante? E in base ai diametri commercializzati, qual è la lunghezza massima da adottare per un singolo circuito?

Per dare una risposta il più precisa possibile alle 2 domande precedenti, dobbiamo procedere con ordine. 

1) Innanzitutto vediamo quali sono le tipologie di tubo che possiamo trovare sul mercato per la realizzazione di un sistema radiante di tipo abitativo. Quella che segue è una tabella riepilogativa delle principali tubazioni in polietilene (reticolato o multistrato) ad oggi commercializzate:
I diametri più piccoli sono utilizzati generalmente negli impianti radianti a parete e a soffitto. Per gli impianti a pavimento si preferiscono i diametri a partire dal 12 in su, a secondo dello spessore del pacchetto radiante che si vuole ottenere (più o meno ribassato). 

2) In secondo luogo dobbiamo cercare di capire che cosa sono le perdite di carico in un impianto radiante.
La circolazione dell’acqua nell’impianto è garantita dalla pompa di circolazione (in caldaia o in centrale termica) che provvede a mantenere il flusso d’acqua ad una velocità più o meno costante attraverso una determinata “spinta”. Le “perdite di carico distribuite” sono una “perdita di spinta” dovuta all’attrito dell’acqua con le pareti delle tubazioni. Invece le “perdite di carico concentrate” sono una “perdita di spinta” dovuta all’attrito dell’acqua in corrispondenza di un improvviso cambio di direzione (curve secche e gomiti) o di un restringimento di sezione (raccordi, valvole, detentori, ecc…). 
L’argomento oggetto di questo articolo sono le perdite di carico distribuite, cioè la resistenza incontrata dall’acqua nella sua circolazione all’interno di un circuito radiante a pavimento (che si presume privo di raccordi e di curve secche). Il nostro obbiettivo è quello di calcolare queste perdite di carico per ogni tubazione adottabile. Una volta calcolate le perdite, che sono espresse per metro lineare di tubazione, e una volta stabilito qual è il limite massimo di perdite di carico che possiamo accettare al collettore (cioè al punto di partenza del nostro circuito a pavimento), saremo in grado di stabilire qual è la lunghezza massima del singolo circuito per ogni diametro di tubo esistente in commercio. 

3) Qual è il limite massimo di perdite di carico che possiamo accettare al collettore?
La risposta a questa domanda non sempre mette d’accordo tutti i progettisti o tutti gli installatori di impianti radianti. Diciamo che il range di valori che maggiormente viene riportato nella manualistica termotecnica è il seguente:
1200 – 1500 mm c.a (millimetri di colonna acqua) per il circuito più sfavorito
E’ anche vero che le prestazioni dei circolatori che oggi troviamo in commercio sono tali per cui sarebbe accettabile perfino un limite di 2000 mm c.a. Ma credo che il range 1200-1500 sia quello più indicato al nostro scopo ed è quello che adotteremo per i nostri calcoli (a fine articolo motiverò meglio questa scelta).
   
4) Quali sono i fattori che determinano le perdite di carico distribuite?
Le perdite di carico, espresse in mm c.a. per metro di tubazione, possono essere calcolate con la seguente formula:
Non lasciamoci spaventare dalla complessità della formula e analizziamo meglio i fattori che incidono sulle perdite di carico:

• La viscosità cinematica (mq/sec). Si tratta della capacità che ha un fluido di trascinare con sé tutti gli elementi di cui è composto quando scorre lungo una superficie o all’interno di un tubo. L’acqua è un fluido poco viscoso… viceversa il mercurio è un fluido molto viscoso. In ogni caso, come si può facilmente intuire, la viscosità di un fluido diminuisce con l’aumentare della temperatura (maggiore è la temperatura di un fluido e maggiore è la sua “scorrevolezza”).
• La massa volumica o densità (Kg/mc). Tutti siamo portati a pensare che 1 metro cubo d’acqua corrisponde a 1000 lt d’acqua e di conseguenza la densità è pari convenzionalmente a 1000 Kg/mc. Ma non è proprio così, perché la densità dell’acqua varia in base alla sua temperatura!
• La portata d’acqua (l/h). Questo parametro è strettamente legato alla velocità con cui l’acqua scorre all’interno del tubo. Diventa quindi fondamentale stabilire una velocità minima ed una velocità massima dell’acqua all’interno di un circuito di un impianto radiante.
• Il diametro interno della tubazione (mm). Se consideriamo la posizione di questo fattore nella formula, ci  accorgiamo subito che, a parità di tutti gli altri fattori, un diametro più piccolo comporta un aumento esponenziale delle perdite di carico!  

5) Come variano la viscosità cinematica e la massa volumica dell’acqua?
Nella seguente tabella sono riportati i valori di questi due fattori al variare della temperatura dell’acqua:
Come si può notare, viscosità e massa volumica subiscono consistenti variazioni al variare della temperatura dell’acqua. Per il nostro scopo, cioè quello di determinare le perdite di carico, adotteremo come range di temperatura quello normalmente utilizzato per un impianto radiante:
Temperatura acqua: 30° – 50° (riscaldamento)
Temperatura acqua: 5° – 15° (raffrescamento)

6) Qual è la portata minima e massima e, di conseguenza, la velocità minima e la velocità massima dell’acqua in un impianto radiante?
Torniamo all’immagine precedente e agli effetti della velocità dell’acqua sulla portata e sulle perdite di carico.
Maggiore è la velocità dell’acqua, maggiore è la portata… maggiori sono le perdite di carico. Ma possiamo stabilire un valore minimo ed un valore massimo per la velocità dell’acqua in un impianto radiante?
Esistono dei limiti specifici per la velocità di circolazione dell’acqua:

1. Una velocità troppo bassa determina un moto laminare e questo tipo di moto non è particolarmente adatto allo scambio di energia tra l’acqua e la parete del tubo (e di conseguenza allo strato inerziale dell’impianto radiante). Dobbiamo tenere in considerazione che tutte le formule per il calcolo della potenza termica emessa da un impianto radiante sono valide in regime turbolento e non in regime laminare! In secondo luogo dobbiamo ricordarci che una velocità troppo bassa dell’acqua non consentirebbe il trascinamento di eventuali bollicine d’aria (che inevitabilmente si formano all’interno di un impianto) verso i punti di espulsione (valvole di sfiato al collettore, in centrale termica o in caldaia).
2. Una velocità troppo elevata comporterebbe perdite di carico inaccettabili. Generalmente si adotta negli impianti radianti civili una velocità massima pari a 0,7 m/sec, non solo per limitare le perdite di carico ma anche per evitare fenomeni di rumorosità e di usura delle tubazioni.

Abbiamo quindi stabilito il limite massimo per la velocità dell’acqua:
Vmax = 0,7 m/sec
Per stabilire il limite di velocità minima, dobbiamo fare in modo che, qualunque sia il diametro interno della tubazione, il moto avvenga in regime “non laminare” (numero di Reynolds > 2000) e che la velocità non scenda sotto il limite di trascinamento di eventuali bollicine d’aria (V = 0,2 m/sec). 
Questa verifica va fatta per i 2 range di temperatura che abbiamo stabilito: in riscaldamento (30° – 50°) e in raffrescamento (5° – 15°).
In questa maniera riusciamo ad ottenere i seguenti valori di velocità minima e massima per i vari diametri di tubo commercializzati e per i due tipi di utilizzo (riscaldamento e raffrescamento), a cui corrispondono i valori di portata minima e portata massima: 
Siamo così riusciti a stabilire dei limiti per la velocità minima dell’acqua in riscaldamento e in raffrescamento:
Vmin = 0,27-0,20 m/sec (riscaldamento, in base al diametro del tubo dal più piccolo al più grande)
Vmin = 0,51-0,23 m/sec (raffrescamento, in base al diametro del tubo dal più piccolo al più grande)
Come si può notare, le velocità minime sono leggermente più alte in raffrescamento.  Ce lo dovevamo aspettare… visto che l’acqua fredda è più densa e più viscosa, e quindi necessita di una velocità leggermente superiore per passare dal moto laminare a quello turbolento!

7) A questo punto conosciamo tutti i parametri (viscosità cinematica, massa volumica e portata d’acqua alle varie temperature utili per il funzionamento di un impianto radiante in riscaldamento e in raffrescamento) da utilizzare nella famosa formula (che ci sembrava così complessa) e possiamo finalmente calcolare le perdite di carico distribuite:
Siamo giunti alla fine della nostra ricerca!

8) Adesso che conosciamo le perdite di carico delle varie tubazioni alle varie temperature, possiamo finalmente rispondere alla domanda iniziale: qual è la lunghezza massima dei circuiti da adottare in riscaldamento e in raffrescamento?
Le tabelle seguenti tengono conto del range di perdite di carico (1200-1500 mm c.a.) che riteniamo accettabili al collettore:

RISCALDAMENTO
RAFFRESCAMENTO

Come si può notare (ed era facilmente intuibile), la lunghezza massima dei circuiti in riscaldamento è inferiore in raffrescamento rispetto al riscaldamento: l’acqua calda ha una maggiore fluidità e scorrevolezza, con conseguente diminuzione dell’attrito con le pareti del tubo!
Quella che segue è una tabella riepilogativa che può essere utilizzata in fase di progettazione di un impianto radiante. Ci permette di stabilire immediatamente quanti circuiti dedicare a ciascun ambiente da climatizzare, sulla base del diametro del tubo utilizzato e dell’utilizzo dell’impianto: riscaldamento o raffrescamento:
Per chi volesse scaricare la tabella in formato PDF è possibile utilizzare il link alla fine dell’articolo.

Scopo della tabella

La lunghezza massima dei singoli circuiti è determinata con l’obbiettivo di rispettare 2 parametri:
A) Le perdite di carico massime che possiamo accettare al collettore: 1500 o 1200 mm c.a.
B) La velocità minima e la velocità massima dell’acqua con cui vogliamo far funzionare il nostro impianto:

• Velocità massima pari a 0,7 m/sec per evitare fenomeni di rumorosità e usura delle tubazioni.
• Velocità minima pari a 0,20-0,27 m/sec (riscaldamento) oppure 0,23-0,51 m/sec (raffrescamento), in base al diametro utilizzato, per garantire il moto turbolento e il trascinamento di eventuali bolle d’aria.

Per quanto riguarda la velocità dell’acqua, un impianto può funzionare anche ad una velocità inferiore a 0,20 m/sec. Ma siamo sicuri che il flusso riuscirà a trascinare eventuali bolle d’aria verso le valvole di sfogo? E quale potrà essere la resa dell’impianto, considerato che il regime sarà di tipo laminare e non turbolento?
Analogamente un impianto può funzionare anche a velocità superiori a 0,7 m/sec. Ma siamo sicuri che l’utente finale sarà disposto ad accettare un impianto con eventuali rumorosità al collettore?
Per quanto riguarda le perdite di carico accettabili al collettore, se pensiamo che il range 1200-1500 mm c.a. sia “modesto” rispetto alle prestazioni dei moderni circolatori, ricordiamoci che:

• Le perdite di carico distribuite che abbiamo calcolato, partono dal presupposto che il tubo sia privo di curve “secche”. Ma è pur vero che ogni circuito viene posato con l’aiuto di moltissime curve “dolci”, e queste ultime implicano sicuramente un aumento percentuale delle perdite di carico!
• Le perdite di carico distribuite che abbiamo calcolato sono valide per acqua che conserva nel tempo le sue caratteristiche di densità e viscosità. Ma siamo sicuri che, col tempo, l’acqua dell’impianto non aumenti la sua viscosità a causa di torbidità, formazioni algali o aggiunta di liquidi “biocidi”, con conseguente aumento esponenziale delle perdite di carico?

Considerazioni finali

Torniamo al nostro esempio iniziale: camera da letto di 19 mq ed interasse di posa (di progetto) pari a 10 cm, per un funzionamento in riscaldamento e raffrescamento.
Avevamo calcolato il tubo necessario per coprire il pavimento dell’ambiente:
10 (tubo per ogni mq) x 19 (superficie camera da letto in mq) = 190 m
Se volessimo realizzare il nostro impianto a pavimento con il tubo 16x2, con l’utilizzo della tabella possiamo determinare la lunghezza di ogni singolo circuito: 68-73 mt con 1500 mm c.a. di perdite di carico al collettore.
Pertanto risulta abbastanza evidente che l’ipotesi iniziale di ricorrere a 2 circuiti era sbagliata! Sono necessari 3 circuiti per realizzare l’impianto a pavimento della nostra camera da letto.

I consigli Tekno Training

Non fidiamoci degli opuscoli e delle brochure commerciali, che arrivano a promettere anche i miracoli. Cerchiamo di progettare e realizzare il nostro impianto radiante nella migliore maniera possibile, a garanzia di un funzionamento ottimale ed una durata massima nel tempo!

N.B. Fonte di alcune delle immagini utilizzate: web

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