Come calcolare il riscaldamento a pavimento: esempio con sistema ad acqua

Molti fattori influenzano l'efficienza del pavimento radiante. Senza tenerne conto, anche se il sistema è installato correttamente e con i materiali più moderni, l'efficienza termica reale non sarà all'altezza delle aspettative.

Per questo motivo, i lavori di installazione devono essere preceduti da un corretto calcolo del pavimento radiante, solo allora si può garantire un buon risultato.

Lo sviluppo del progetto del sistema di riscaldamento non è economico, quindi molti artigiani domestici effettuano i calcoli da soli. D'accordo, l'idea di ridurre i costi per l'installazione di un pavimento radiante sembra molto allettante.

Vi indicheremo come creare un progetto, quali criteri considerare nella scelta dei parametri del sistema di riscaldamento e descriveremo il metodo di calcolo passo dopo passo. Per chiarezza, abbiamo preparato un esempio di calcolo del pavimento radiante.

Dati iniziali per il calcolo

Inizialmente, una pianificazione corretta dei lavori di progettazione e installazione eviterà sorprese e problemi sgradevoli in futuro.

Nel calcolo del pavimento radiante è necessario partire dai seguenti dati:

• materiale delle pareti e caratteristiche della loro struttura;
• dimensioni del locale in pianta;
• tipo di rivestimento finale;
• struttura di porte, finestre e loro posizione;
• posizione degli elementi strutturali in pianta.

Per una corretta progettazione è necessario tenere conto del regime di temperatura impostato e della possibilità di regolarlo.

Per un calcolo approssimativo si assume che 1 m² di impianto di riscaldamento debba compensare la perdita di calore di 1 kW. Se il circuito di riscaldamento ad acqua viene utilizzato come supplemento al sistema principale, deve coprire solo una parte delle dispersioni termiche.

Esistono raccomandazioni riguardanti la temperatura a pavimento che garantiscono un comfort in ambienti di diversa destinazione:

• 29°C — zona residenziale;
• 33°C — bagno, ambienti con piscina e altri con elevata umidità;
• 35°C — fasce fredde (presso porte d'ingresso, pareti esterne, ecc.).

Il superamento di questi valori comporta il surriscaldamento sia del sistema stesso che del rivestimento finale, con conseguente inevitabile danneggiamento del materiale.

Dopo aver effettuato calcoli preliminari, è possibile scegliere la temperatura del fluido termovettore ottimale in base alle sensazioni personali, determinare il carico sul circuito di riscaldamento e acquistare apparecchiature di pompaggio che gestiscano in modo impeccabile la stimolazione del movimento del fluido termovettore. Vengono selezionate con un margine del 20% sulla portata del fluido termovettore.

Ci vuole molto tempo per riscaldare un massetto di spessore superiore a 7 cm. Pertanto, quando si installano sistemi ad acqua, si cerca di non superare questo limite. La ceramica per pavimenti è considerata la pavimentazione più adatta per i pavimenti riscaldati ad acqua; sotto il parquet, a causa della sua bassissima conducibilità termica, non vengono installati pavimenti riscaldati.

In fase di progettazione, bisogna decidere se il pavimento riscaldato sarà la fonte principale di calore o verrà utilizzato solo come supplemento al circuito di riscaldamento a radiatori. Da questo dipende la quota di perdite di energia termica che dovrà compensare. Può variare dal 30% al 60% con variazioni.

Il tempo di riscaldamento del pavimento ad acqua dipende dallo spessore degli elementi che compongono il massetto. L'acqua come fluido termovettore è molto efficace, ma il sistema stesso è complesso da installare.

Determinazione dei parametri del pavimento radiante

Lo scopo del calcolo è ottenere il valore del carico termico. Il risultato di questo calcolo influenza i passi successivi. A sua volta, il carico termico è influenzato dalla temperatura media invernale in una specifica regione, dalla temperatura prevista all'interno delle stanze, dal coefficiente di trasmissione termica del soffitto, delle pareti, delle finestre e delle porte.

La causa della perdita di calore sono le pareti, le finestre e le porte della casa scarsamente isolate. La percentuale maggiore di calore si disperde attraverso il sistema di ventilazione e il tetto (+).

Il risultato finale dei calcoli prima dell'installazione del pavimento riscaldante ad acqua dipenderà anche dalla presenza di ulteriori dispositivi di riscaldamento, inclusa la produzione di calore delle persone che vivono in casa e degli animali domestici. Nel calcolo si deve tenere conto anche della presenza di infiltrazioni.

Uno dei parametri importanti è la configurazione delle stanze, pertanto sarà necessaria la planimetria della casa e i relativi tagli.

Metodologia di calcolo delle perdite di calore

Determinato questo parametro, saprete quanto calore deve produrre il pavimento per il comfort delle persone nella stanza, e potrete scegliere la caldaia, la pompa e il pavimento in base alla potenza. In altre parole: il calore ceduto dai circuiti di riscaldamento deve compensare le perdite di calore dell'edificio.

La relazione tra questi due parametri è espressa dalla formula:

M_p = 1,2 x Q, dove

• M_p — potenza richiesta dei circuiti;
• Q — perdite di calore.

Per determinare il secondo indicatore si effettuano misurazioni e calcoli dell'area di finestre, porte, solai, pareti esterne. Poiché il pavimento verrà riscaldato, l'area di questa struttura di chiusura non viene considerata. Le misurazioni vengono effettuate dal lato esterno, includendo gli angoli dell'edificio.

Nel calcolo verranno considerati sia lo spessore che il coefficiente di conducibilità termica di ciascuna struttura. I valori normativi del coefficiente di conducibilità termica (λ) per i materiali più comunemente usati possono essere presi dalla tabella.

Dalla tabella si può prendere il valore del coefficiente per il calcolo. È importante chiedere al fornitore il valore della resistenza termica del materiale nel caso in cui vengano installate finestre in metallo-plastica (+)

Il calcolo delle perdite di calore viene eseguito separatamente per ogni elemento dell'edificio, utilizzando la formula:

Q = 1/R*(t_int-t_est)*S x (1+∑b), dove

• R – resistenza termica del materiale di cui è composta la struttura di chiusura;
• S – area dell'elemento costruttivo;
• t_int e t_est — temperatura interna ed esterna rispettivamente, dove il secondo valore viene preso al valore più basso;
• b — perdite di calore aggiuntive legate all'orientamento dell'edificio rispetto ai punti cardinali.

Il valore della resistenza termica (R) si ottiene dividendo lo spessore della struttura per il coefficiente di conducibilità termica del materiale di cui è composta.

Il valore del coefficiente b dipende dall'orientamento della casa:

• 0,1 – nord, nord-ovest o nord-est;
• 0,05 – ovest, sud-est;
• 0 – sud, sud-ovest.

Se si esamina la questione con un esempio di calcolo del pavimento riscaldato ad acqua, diventa più chiaro.

Esempio concreto di calcolo

Supponiamo che le pareti di una casa per residenza non continuativa, di spessore 20 cm, siano realizzate in blocchi di calcestruzzo aerato. La superficie totale delle pareti perimetrali, escluse le aperture di finestre e porte, è di 60 m². La temperatura esterna è di -25°C, quella interna di +20°C, e la struttura è orientata a sud-est.

Considerando che il coefficiente di conducibilità termica dei blocchi è λ = 0,3 W/(m°C), si possono calcolare le perdite di calore attraverso le pareti: R = 0,2/0,3 = 0,67 m²°C/W.

Si osservano perdite di calore anche attraverso lo strato di intonaco. Se il suo spessore è di 20 mm, allora R_int. = 0,02/0,3 = 0,07 m²°C/W. La somma di questi due indicatori darà il valore delle perdite di calore attraverso le pareti: 0,67+0,07 = 0,74 m²°C/W.

Avendo tutti i dati iniziali, li si sostituisce nella formula e si ottengono le perdite di calore della stanza con tali pareti: Q = 1/0,74*(20 — (-25)) *60*(1+0,05) = 3831,08 W.

Allo stesso modo si calcolano le perdite di calore attraverso le altre strutture di chiusura: finestre, porte, tetto.

Il calore emesso dai circuiti di riscaldamento potrebbe non essere sufficiente per riscaldare l'aria all'interno della casa al valore desiderato, se la loro potenza è sottostimata. Con una potenza eccessiva si avrà un consumo eccessivo del fluido termovettore.

Per determinare le perdite di calore attraverso il soffitto, si assume la sua resistenza termica pari al valore per il tipo di isolante previsto o esistente: R = 0,18/0,041 = 4,39 m²°C/W.

L'area del soffitto è identica all'area del pavimento ed è pari a 70 m². Sostituendo questi valori nella formula, si ottengono le perdite di calore attraverso la struttura di chiusura superiore: Q_suff. = 1/4,39*(20 — (-25))* 70* (1+0,05) = 753,42 W.

Per determinare le perdite di calore attraverso la superficie delle finestre, è necessario calcolare la loro area. Avendo 4 finestre di larghezza 1,5 m e altezza 1,4 m, la loro area totale sarà: 4*1,5*1,4 = 8,4 m².

Se il produttore indica separatamente la resistenza termica per il vetrocamera e per il profilo — 0,5 e 0,56 m²°C/W rispettivamente, allora R_finestre = 0,5*90+0,56*10)/100 = 0,56 m²°C/W. Qui 90 e 10 sono la percentuale attribuibile a ciascun elemento della finestra.

Sulla base dei dati ottenuti, si proseguono i calcoli: Q_finestre = 1/0,56*(20 — (-25))*8,4*(1+0,05) = 708,75 W.

La porta esterna ha un'area di 0,95*2,04 = 1,938 m². Quindi R_porta = 0,06/0,14 = 0,43 m²°C/W. Q_porta = 1/0,43*(20 — (-25))* 1,938*(1+0,05) = 212,95 W.

Poiché le porte esterne vengono aperte spesso, attraverso di esse si perde una grande quantità di calore. Pertanto è importante garantire la loro chiusura ermetica.

In totale, le perdite di calore saranno: Q = 3831,08 +753,42 + 708,75 + 212,95 + 7406,25 = W.

A questo risultato si aggiunge un altro 10% per l'infiltrazione d'aria, quindi Q = 7406,25+740,6 = 8146,85 W.

Ora si può determinare anche la potenza termica del pavimento: M_p = 1,*8146,85 = 9776,22 W o 9,8 kW.

Calore necessario per il riscaldamento dell'aria

Se la casa è dotata di un sistema di ventilazione, una parte del calore prodotto dalla sorgente deve essere utilizzata per riscaldare l'aria proveniente dall'esterno.

Per il calcolo si applica la formula:

Q_v. = c*m*(t_v—t_n), dove

• c = 0,28 kg°C e indica la capacità termica della massa d'aria;
• m il simbolo indica la portata massica dell'aria esterna in kg.

Si ottiene l'ultimo parametro moltiplicando il volume totale d'aria, pari al volume di tutti gli ambienti considerando che l'aria viene rinnovata ogni ora, per la densità, che varia in funzione della temperatura.

Il grafico mostra la dipendenza della densità dell'aria dalla sua temperatura. I dati sono necessari per calcolare la quantità di calore richiesta per riscaldare la massa d'aria che entra in casa a seguito della ventilazione forzata (+).

Se nell'edificio entrano 400 m³/h, allora m=400*1,422 = 568,8 kg/h. Qv. = 0,28*568,8*45 = 7166,88 W.

In questo caso, la potenza termica necessaria del pavimento aumenterà notevolmente.

Calcolo del numero di tubi necessari

Per la realizzazione di un pavimento a riscaldamento ad acqua si scelgono diversi metodi di posa dei tubi, che si differenziano per forma: serpentina di tre tipi – serpentina semplice, angolare, doppia e a chiocciola. In un singolo circuito installato può essere presente una combinazione di forme diverse. A volte per la zona centrale del pavimento si sceglie la «chiocciola» e per i bordi uno dei tipi di «serpentina».

La 'spirale' è una scelta razionale per ambienti voluminosi con geometria semplice. Negli ambienti molto allungati o con forme complesse, è meglio applicare la 'serpentina' (+).

La distanza tra i tubi viene chiamata passo. Scegliendo questo parametro è necessario soddisfare due requisiti: la pianta del piede non deve percepire differenze di temperatura nelle singole zone del pavimento, e i tubi devono essere utilizzati nel modo più efficiente possibile.

Per le zone di confine del pavimento si consiglia di utilizzare un passo di 100 mm. Nelle altre aree è possibile scegliere un passo compreso tra 150 e 300 mm.

L'isolamento termico del pavimento è di grande importanza. Al piano terra, il suo spessore deve raggiungere almeno 100 mm. A questo scopo si utilizzano lana minerale o polistirene espanso estruso.

Per calcolare la lunghezza del tubo esiste una semplice formula:

L = S/N*1.1, dove

• S – area del circuito;
• N – passo di posa;
• 1,1 – margine per le curve del 10%.

Al valore finale si aggiunge il tratto di tubo posato dal collettore alla distribuzione del circuito di riscaldamento sia sul ritorno che sulla mandata.

Esempio di calcolo.

Valori iniziali:

• superficie – 10 m²;
• distanza dal collettore – 6 m;
• passo di posa – 0,15 m.

La soluzione del problema è semplice: 10/0,15*1,1+(6*2) = 85,3 m.

Utilizzando tubi in metallo-plastica di lunghezza fino a 100 m, si sceglie più spesso un diametro di 16 o 20 mm. Con una lunghezza del tubo di 120-125 m, la sua sezione deve essere di 20 mm².

Una costruzione a circuito singolo è adatta solo per ambienti di piccole dimensioni. In stanze grandi, il pavimento è suddiviso in più circuiti in rapporto 1:2 – la lunghezza della costruzione deve superare la larghezza di 2 volte.

Il valore calcolato in precedenza è la lunghezza totale del tubo per pavimento. Tuttavia, per completezza, è necessario distinguere la lunghezza del singolo circuito.

Questo parametro è influenzato dalla resistenza idraulica del circuito, determinata dal diametro dei tubi scelti e dal volume d'acqua fornito per unità di tempo. Se si trascurano questi fattori, le perdite di pressione saranno così elevate che nessuna pompa riuscirà a far circolare il fluido termovettore.

Determinazione del consumo di tubo in base al passo di posa scelto

Circuiti della stessa lunghezza rappresentano un caso ideale, ma in pratica si verifica raramente, poiché le superfici di ambienti con diversa destinazione d'uso differiscono notevolmente e portare la lunghezza dei circuiti a un unico valore è semplicemente poco vantaggioso. I professionisti consentono una differenza nella lunghezza dei tubi dal 30 al 40%.

Il valore del diametro del collettore e della portata del gruppo di miscelazione determina il numero ammissibile di anelli collegati ad esso. Nel manuale del gruppo di miscelazione è sempre possibile trovare il valore del carico termico per cui è progettato.

Supponiamo che il coefficiente di portata (Kvs) sia pari a 2,23 m³/h. Con questo coefficiente, alcuni modelli di pompa sopportano un carico da 10 a 15 W.

Per determinare il numero di circuiti, è necessario calcolare il carico termico di ciascuno. Se l'area occupata dal pavimento radiante è di 10 m² e la resa termica per 1 m² è di 80 W, allora il valore Kvs è 80 W, quindi 10*80 = 800 W. Significa che il gruppo di miscelazione potrà alimentare 15.000/800 = 18,8 ambienti o circuiti di 10 m² ciascuno.

Questi valori sono massimi e possono essere applicati solo teoricamente; in realtà, il numero va ridotto di almeno 2, quindi 18 - 2 = 16 circuiti.

Nella scelta del gruppo di miscelazione (collettore), è necessario verificare se dispone di tale numero di uscite.

Verifica della corretta scelta del diametro dei tubi

Per verificare se la sezione dei tubi è stata scelta correttamente, si può utilizzare la formula:

υ = 4*Q*10ᶾ/n*d²

Quando la velocità corrisponde al valore trovato, la sezione dei tubi è scelta correttamente. I documenti normativi consentono una velocità massima di 3 m/s per diametri fino a 0,25 m, ma il valore ottimale è 0,8 m/s, poiché all'aumentare della velocità aumenta l'effetto acustico nella tubazione.

Ulteriori informazioni sul calcolo dei tubi del pavimento riscaldante sono fornite in questo articolo.

Calcolo della pompa di circolazione

Affinché il sistema sia economico, è necessario selezionare una pompa di circolazione che garantisca la prevalenza necessaria e la portata ottimale dell'acqua nei circuiti. Nei manuali delle pompe di solito vengono indicati la prevalenza nel circuito di lunghezza maggiore e la portata totale del fluido termovettore in tutti gli anelli.

Sulla prevalenza influiscono le perdite idrauliche:

∆ h = L*Q²/k1, dove

• L — lunghezza del circuito;
• Q — portata d'acqua l/s;
• k1 — coefficiente che caratterizza le perdite nel sistema; il valore può essere ricavato dalle tabelle di riferimento di idraulica o dal manuale dell'apparecchiatura.

Conoscendo il valore della prevalenza, si calcola la portata nel sistema:

Q = k*√H, dove

k — è il coefficiente di portata. I professionisti considerano una portata di 0,3-0,4 l/s per ogni 10 m² di casa.

Tra i componenti del pavimento riscaldante ad acqua, un ruolo speciale è affidato alla pompa di circolazione. Solo un'unità con una potenza superiore del 20% rispetto alla portata effettiva del fluido termovettore è in grado di superare la resistenza nei tubi.

I valori di prevalenza e portata indicati nel manuale non devono essere presi alla lettera: sono i massimi, ma in realtà sono influenzati dalla lunghezza e dalla geometria della rete. Se la prevalenza è troppo alta, si riduce la lunghezza del circuito o si aumenta il diametro dei tubi.

Raccomandazioni per la scelta dello spessore del massetto

Nei manuali si trovano informazioni secondo cui lo spessore minimo del massetto è di 30 mm. Quando l'ambiente è piuttosto alto, sotto il massetto si posa un isolante che aumenta l'efficienza dell'utilizzo del calore ceduto dal circuito di riscaldamento.

Il materiale più popolare per il sottofondo è il polistirene espanso estruso. La sua resistenza al trasferimento di calore è significativamente inferiore a quella del calcestruzzo.

Nella realizzazione del massetto, per bilanciare le dilatazioni lineari del calcestruzzo, il perimetro dell'ambiente viene rifinito con un nastro di dilatazione. È importante scegliere correttamente il suo spessore. Gli specialisti consigliano, per superfici non superiori a 100 m², di realizzare uno strato di compensazione di 5 mm.

Se la superficie è maggiore a causa di una lunghezza superiore a 10 m, lo spessore si calcola con la formula:

b = 0,55*L, dove

L – è la lunghezza della stanza in m.

Conclusioni e video utili sull'argomento

Questo video riguarda il calcolo e l'installazione del pavimento riscaldante idraulico:

Nel video vengono forniti consigli pratici per la posa del pavimento. Le informazioni aiuteranno a evitare gli errori che di solito commettono i dilettanti:

Il calcolo consente di progettare un sistema di "pavimento riscaldante" con prestazioni operative ottimali. È possibile installare il riscaldamento utilizzando i dati del manuale e le raccomandazioni.

Funzionerà, ma i professionisti consigliano comunque di dedicare tempo al calcolo, in modo che il sistema consumi meno energia.

Ha esperienza nel calcolo del pavimento riscaldante e nella preparazione del progetto del circuito di riscaldamento? Oppure ha domande sull'argomento? La preghiamo di condividere la sua opinione e di lasciare un commento.