Energy performance, comfort and ventilation effectiveness of radiant systems coupled with mechanical ventilation

This work presents the results of different numerical and experimental studies about energy performance, thermal comfort and ventilation effectiveness of radiant systems combined with different types of mechanical ventilation. Experimental studies have been carried out in Italy, in a test room in the laboratories of the company RHOSS S.p.A in Codroipo (Udine) and in Denmark, in a test room in the laboratories of the International Centre for Indoor Environment and Energy (ICIEE), at DTU (Danish Technical University), in Lyngby. Radiant systems in residential and in office buildings are increasingly used because of the low heating or cooling demand and, at the same time, for the good thermal comfort they assure. The thermal output estimation of radiant system in steady state condition needs the determination of the convective heat transfer coefficient from the surface to the room; a critical review among the correlations available in literature have been carried out and correlations for heated ceiling and cooled floor have been presented. Furthermore the variation of convective heat transfer coefficients, depending on the considered ventilation systems, has been estimated by means of the Computational Fluid Dynamics (CFD) technique. The energy performance and thermal behavior of radiant systems during transient conditions have been predicted by using experimental tests and numerical calculations with the software Digithon that was developed by the University of Padua. In this work the validation of this software by comparison with experimental data has been presented. In new and renovated buildings the high tightness and high insulation determine a potential risk of poor indoor air quality and condensation at the surfaces; for this reason an efficient ventilation system is necessary to provide for fresh air in the rooms. In a low polluted building air quality depends on human bioeffluents, among which carbon dioxide is considered the most significant one. By using numerical simulations (CFD) the effects of the supply and extract air terminals on contaminants distribution in offices equipped with a cooled ceiling has been investigated. Besides, in order to fully characterize the indoor climate of residential rooms or offices, an extensive experimental study has been carried out in a test room to determine both thermal comfort and ventilation effectiveness for different solutions of mixing ventilation and displacement ventilation combined with floor radiant systems. In particular, the effects of supply and extract air terminals positions by using low air change rates in mixing ventilation and the effects of different ventilation rates with displacement ventilations terminals have been analyzed. Results from experiments have been used for the validation of a CFD model for the prediction of air distribution in rooms equipped with mixed or displacement ventilation, combined with heating/cooling floor systems.

In questo lavoro di dottorato vengono presentati i risultati di uno studio sui sistemi radianti per il raffrescamento ed il riscaldamento in ambito civile e sulla loro integrazione con opportuni sistemi di ventilazione meccanica. Le prestazioni energetiche in regime stazionario e transitorio, così come le prestazioni di comfort termico e di qualità dell’aria garantita, sono state studiate mediante l’ausilio di prove sperimentali, di simulazioni fluidodinamiche e di altri codici di calcolo. Gli studi sperimentali sono stati realizzati in parte in Italia, presso i laboratori dell’azienda RHOSS S.p.A di Codroipo (Udine), e in parte presso i laboratori dell’ICIEE (International Centre for Indoor Environment and Energy), dell’Università Tecnica di Danimarca, (DTU) a Lyngby (DK). L’aspetto più rilevante di questo lavoro è legato alla sempre maggiore diffusione dei sistemi radianti come soluzione per il riscaldamento ed il raffrescamento di ambienti interni, in quanto combinano vantaggi energetici ad elevati livelli di comfort termico. Per ragioni dovute alla piccola differenza di temperatura tra l’ambiente e il fluido termovettore, i sistemi radianti si interfacciano molto bene con caldaie a condensazione, pompe di calore, sistemi free cooling, collettori solari e altre sorgenti rinnovabili e soluzioni ad alta efficienza energetica. Il calcolo della resa termica di tali sistemi viene eseguito mediante le equazioni valide per la convezione in regime stazionario, come quelle fornite dalle norme Europee EN 1264 ed EN 15377. In letteratura esistono numerose correlazioni valide per il calcolo della potenza convettiva di superfici orizzontali e verticali e di superfici interne di stanze reali; le norme EN 1264 ed EN 15377 consigliano correlazioni diverse e lo stesso accade per codici si simulazione energetica degli edifici. Ad oggi non è disponibile una chiara definizione di coefficiente di scambio termico convettivo per i sistemi radianti, specialmente per quanto riguarda pavimenti freddi e soffitti caldi. Il primo obiettivo di questa tesi è stato di realizzare un’analisi critica delle correlazioni disponibili in letteratura adatte ai sistemi radianti e di proporre delle equazioni per ogni configurazione di riscaldamento o raffrescamento da soffitto, pavimento o parete. In ambito residenziale il pavimento radiante rappresenta una delle soluzioni più richieste grazie all’elevato livello di comfort termico garantito; tuttavia, al fine di migliorare la qualità dell’aria e specialmente a causa della necessità di deumidificare l’aria in estate per evitare formazione di condensa, accanto al sistema radiante andrebbe installato un sistema di ventilazione meccanica. L’aria primaria in estate è solitamente a temperatura più bassa della temperatura della stanza e dotata di una certa velocità; nel caso di immissione da bocchette installate vicino ad una superficie radiante, lo scambio convettivo potrebbe venire variato rispetto ad una soluzione senza ventilazione. Mediante uno studio con simulazioni fluidodinamiche CFD è stato possibile valutare l’incremento dello scambio convettivo da un soffitto freddo mediante lo sfruttamento di aria primaria. I sistemi radianti, in particolare i sistemi a soffitto, rappresentano un’ottima soluzione per rimuovere i carichi termici degli uffici durante il periodo estivo, ma allo stesso tempo possono essere usati per il riscaldamento invernale degli stessi con buone prestazioni energetiche e di comfort termico. La differenza sostanziale è che durante la stagione invernale il sistema radiante si trova a lavorare prevalentemente in regime stazionario, mentre durante la stagione estiva i carichi esterni dovuti alla radiazione solare e all’escursione diurna, accompagnati da carichi interni dovuti all’occupazione umana, determinano condizioni piuttosto variabili durante la giornata. Il comportamento di sistemi radianti a regimi stazionari e transitori sono state studiate mediante prove in camera climatica; inoltre un modello di calcolo chiamato Digithon, sviluppato all’interno del Dipartimento di Fisica Tecnica dell’Università di Padova, è stato validato mediante un confronto con dati sperimentali. Seguendo un’opportuna procedura, riportata nella tesi, è stato possibile impostare dei profili di carico che simulano una tipica giornata estiva o invernale su una parete della stanza ed è stato studiato come il soffitto radiante reagisca per cercare di mantenere una certa temperatura di comfort nella stanza. Al fine di mantenere una buona qualità dell’aria, evitare la formazione di condensa, ma anche per incrementare la capacità di raffrescamento quando richiesto, i sistemi radianti per gli uffici andrebbero sempre associati a sistemi di ventilazione meccanica. Accanto ai tradizionali sistemi a soffitto con ventilazione a miscelazione, le soluzioni con ventilazione a dislocamento accoppiate a sistemi a pavimento o a soffitto sono alternative di crescente interesse per gli uffici. In edifici dove sia bassa la quantità di inquinanti emessi dai materiali edili, dai mobili e dalle attrezzature, la quantità di bioeffluenti dagli occupanti, dei quali l’anidride carbonica CO2 è normalmente usata come principale indicatore, è determinante per la qualità dell’aria interna. La capacità di rimozione dei contaminanti e, parallelamente, la capacità di immettere aria pulita negli ambienti sono espresse dall’efficienza di ventilazione (ventilation effectiveness). Mediante simulazione fluidodinamiche CFD è stato possibile confrontare l’efficienza di rimozione dei contaminanti utilizzando diverse soluzioni di ventilazione a dislocamento piuttosto che soluzioni tradizionali a miscelazione. La qualità di un ambiente interno andrebbe misurata in termini sia di comfort termico garantito all’occupante che di qualità dell’aria. Attraverso prove sperimentali in laboratorio, i principali indici di comfort termico e di efficienza di ventilazione sono stati determinati per diverse configurazioni di ventilazione a miscelazione e di ventilazione a dislocamento in ambienti rappresentativi di applicazioni residenziali o del terziario. I risultati sono stati in seguito utilizzati per effettuare una validazione di un modello fluidodinamico (CFD) creato per la previsione del movimento dell’aria in ambienti residenziali o uffici.