Riscaldamento a pavimento
Nonostante il fatto che il riscaldamento per irraggiamento con grandi superfici irradianti con aria calda nei canali del pavimento sia noto da oltre due millenni, rispettivamente il riscaldamento idronico per irraggiamento con tubazioni di riscaldamento incassate nella struttura edilizia (soffitto, parete e pavimento) da quasi 100 anni, nella realizzazione prevale nettamente l'impiego di impianti di riscaldamento con corpi scaldanti tradizionali - radiatori - e con trasferimento di calore all'interno mediante convezione.
Quindi la domanda fondamentale è: perché riscaldamento per convezione e non per irraggiamento?
RISCALDAMENTO PER IRRAGGIAMENTO
Nel riscaldamento per irraggiamento degli ambienti interni si utilizza il flusso termico irradiante della superficie riscaldata (corpo), che riscalda direttamente, cioè senza l'intermediazione dell'aria interna, le strutture edilizie circostanti negli ambienti e solo una piccola parte del flusso termico viene consegnata per convezione direttamente all'aria nell'ambiente riscaldato (ossia l'opposto del riscaldamento per convezione di un ambiente con corpo scaldante per convezione). Per questo motivo anche le temperature superficiali interne delle strutture edilizie che creano l'ambiente sono nel caso del riscaldamento per irraggiamento più elevate della temperatura dell'aria in tale ambiente riscaldato (nuovamente l'opposto del riscaldamento per convezione di ambienti).
I raggi termici emessi (irradiati) dalla superficie dei corpi solidi riscaldati (superfici riscaldanti irradianti) sono in realtà onde elettromagnetiche con lunghezza d'onda da 0,78 a 400, ossia nell'intervallo della parte infrarossa dello spettro delle onde elettromagnetiche, che si propagano alla velocità di 300.000 km/s.
DISTRIBUZIONE DEL CALORE NEL RISCALDAMENTO PER IRRAGGIAMENTO
Nella soluzione teorica degli impianti di riscaldamento negli ambienti interni degli edifici terrestri bisogna sempre determinare la potenza termica di riscaldamento, ossia il flusso termico necessario per garantire il comfort termico richiesto per l'uomo - l'utente.
La potenza termica nel riscaldamento si calcola spesso partendo dalle condizioni di equilibrio termico dell'ambiente riscaldato (interno, stanza ecc.) nello stato stabile. Proprio in questo calcolo bisogna distinguere nettamente il riscaldamento per convezione (dove il corpo scaldante cede al riscaldamento dell'ambiente interno principalmente il flusso termico per convezione) e il riscaldamento per irraggiamento, cioè riscaldamento a pavimento (dove la superficie riscaldata cede principalmente il flusso termico all'ambiente riscaldato per irraggiamento).
Dai suddetti ragionamenti emerge che nel modo di riscaldamento per irraggiamento la superficie riscaldata cede il flusso termico per irraggiamento - senza l'intermediazione dell'aria dell'ambiente - alle superfici circonvicine raffreddate dell'ambiente, dove vale che la temperatura efficace (ossia la temperatura media delle superfici circonvicine) è maggiore della temperatura dell'aria.
Quindi è evidente che nel riscaldamento per irraggiamento una parte sostanziale del calore si propaga per irraggiamento e solo una piccola quantità del flusso termico viene consegnata per convezione. Per questo motivo nel calcolo della potenza di riscaldamento dobbiamo determinare:
- l'equilibrio termico della superficie riscaldata irradiante,
- l'equilibrio termico dell'aria,
- l'equilibrio termico della superficie riscaldata irradiante e dell'aria,
- l'equilibrio termico dell'ambiente riscaldato.
TIPI DI RISCALDAMENTO PER IRRAGGIAMENTO
Oggi possiamo suddividere il riscaldamento per irraggiamento così:
- riscaldamento con grandi superfici (riscaldamento a soffitto, a parete e a pavimento), noto come riscaldamento a pavimento
- riscaldamento globale con pannelli irradianti appesi,
- riscaldamento individuale con lastre vicine (pannelli irradianti),
- riscaldamento con emettitori a infrarossi.
Dalla suddivisione si vede che in linea di principio la superficie riscaldata irradiante può essere disposta nella struttura edilizia come sua parte indivisibile (grandi sistemi di riscaldamento) oppure creata come superficie riscaldata separata disposta liberamente nello spazio (pannelli irradianti, lastre riscaldanti, emettitori a infrarossi).
Se partiamo da detta differenza costruttiva, allora ci sono differenze fondamentali anche in relazione alla temperatura superficiale delle superfici riscaldate, quindi anche sulla scelta del mezzo termovettore e la sua temperatura e infine anche sul relativo potere termico specifico della superficie riscaldata irradiante.
RISCALDAMENTO PER IRRAGGIAMENTO CON GRANDI SUPERFICI
La superficie riscaldata nel riscaldamento per irraggiamento con grandi superfici è di norma una delle pareti che delimitano lo spazio riscaldato e cioè il soffitto, la parete o il pavimento.
La temperatura superficiale della superficie riscaldata deve essere relativamente bassa (40-45 °C per il soffitto, 55-60 °C per la parete e 25-30 °C per il riscaldamento a pavimento), da cui deriva che anche la temperatura del fluido termovettore sarà ugualmente bassa. La superficie riscaldata può essere riscaldata :
- con acqua calda (più frequentemente),
- con aria calda,
- elettricamente (per resistenza).
Dal suddetto emerge che i sistemi di riscaldamento per irraggiamento con grandi superfici operano con temperature basse del mezzo termovettore. Questi sistemi a basse temperature sono adatti all'utilizzo dell'energia ottenuta da fonti energetiche a basso potenziale, che sono acque geotermiche, energia solare, rispettivamente calore residuo e calore ambientale. La superficie riscaldata nel riscaldamento con grandi superfici è una delle pareti che delimitano lo spazio riscaldato. In base alla superficie utilizzata dividiamo i sistemi con grandi superfici in:
- soffitti
- pareti.
Dal riscaldamento per convezione con corpi scaldanti si distingue il riscaldamento per irraggiamento con grandi superfici per il modo di trasporto del calore e per i rapporti termici nella stanza. Nel riscaldamento convenzionale il corpo scaldante riscalda l'aria nella stanza, che cede calore alle pareti. La temperatura dell'aria interna è più alta della temperatura delle pareti. Nella stanza si genera un tipico movimento d'aria e conseguentemente un abbastanza grande differenziale di temperatura tra l'aria vicino al soffitto e vicino al pavimento.
Nel riscaldamento con grandi superfici il trasporto del calore avviene per irraggiamento e convezione. La quota del calore irradiante nel riscaldamento a soffitto è dell'80%, nel riscaldamento a parete del 65% e nel riscaldamento a pavimento del 55%.
L'esecuzione costruttiva della superficie riscaldata è molto varia. In linea di massima distinguiamo due soluzioni fondamentali:
- la superficie riscaldata è incorporata, ossia è parte indivisibile della struttura edilizia,
- la superficie riscaldata è autonoma, è una lastra riscaldata, che è:
- fissata a una delle strutture edilizie,
- oppure disposta liberamente nell'ambiente riscaldato.
Nel primo caso la superficie della struttura edilizia viene riscaldata dall'acqua calda fluente in tubi (registri), dove questi tubi sono incassati nella struttura edilizia. Nell'esecuzione del riscaldamento per irraggiamento si appendono successivamente, in una costruzione finita, i tubi riscaldanti sotto il soffitto portante e si coprono con uno strato di intonaco. Le lastre riscaldanti irradianti, che si dispongono sulle strutture edilizie nella stanza (oppure liberamente nello spazio), sono di norma metalliche o ceramiche e di vetro. Queste lastre vengono riscaldate di norma elettricamente.
RISCALDAMENTO A PAVIMENTO CON GRANDI SUPERFICI RISCALDAMENTO A PAVIMENTO
Se il tubo riscaldante (registro) è parte del pavimento dell'ambiente dato, si parla di riscaldamento a pavimento con grandi superfici. Oggi si tratta di un sistema di riscaldamento che, grazie a molteplici proprietà positive, vive una certa rinascita e si inizia sempre più frequentemente ad utilizzare nella costruzione residenziale (specialmente in case unifamiliari), negli edifici per il servizio civile (asili, scuole materna, palestre, piscine ecc.), ma anche nelle grandi sale (garage collettivi, fabbriche industriali, costruzioni agricole).
Gli impianti di riscaldamento a pavimento estesi si utilizzavano in passato come complemento al riscaldamento convettivo, quando la superficie del soffitto non era sufficiente a coprire le perdite termiche. L’espansione più significativa del riscaldamento a pavimento fu ostacolata anche dalla richiesta di una temperatura bassa della superficie del pavimento, che comportava un modesto potere termico. Nuove costruzioni, progetti architettonici, miglioramenti delle proprietà termotecniche degli edifici e materiali costruttivi progressivi per realizzare impianti di riscaldamento oggi hanno permesso la nascita di molti sistemi di riscaldamento a pavimento.
La scelta del riscaldamento a pavimento è determinata in primo luogo dall’edificio stesso. Questo deve soddisfare le proprietà termotecniche tali che la perdita media di calore dovrebbe essere inferiore a 20 W.m-3, oppure la media annua del consumo di energia termica dovrebbe essere inferiore a 70-80 kWh.m-2. Da quanto detto risulta evidente che la richiesta energetica minima è causata in primo luogo dall’edificio stesso, seguito dal regime operativo con la possibilità di accumulo di calore nel pavimento con inerzia termica approssimativamente di 4-8 ore e con un alto grado di autoregolazione.
Lo stato termico ottimale degli ambienti con riscaldamento a pavimento è generalmente garantito da temperature risultanti inferiori di 2-4 K rispetto al riscaldamento convettivo, con quasi ideali gradienti termici verticali e orizzontali.
RISCALDAMENTO A PAVIMENTO IDRAULICO
Dalle constatazioni precedenti risulta evidente che il riscaldamento a pavimento idraulico appartiene ai sistemi radianti, anche se la percentuale di componente radiante sul trasferimento complessivo del calore dalla superficie di riscaldamento è solo leggermente superiore al flusso termico per convezione (55 % : 45 %). Allo stesso tempo ciò influisce molto positivamente sulle reciproche vantaggi dei due modi di trasferimento del calore all’interno.
Il riscaldamento a pavimento idraulico è contemporaneamente esteso, cioè i tubi di riscaldamento sono parte della struttura del pavimento. Considerando le esigenze igieniche, che derivano dalla temperatura limitata della superficie del pavimento e quindi anche da relativamente bassi poteri termici specifici del pavimento riscaldato, i tubi di riscaldamento sono quasi sempre disposti sotto tutta la superficie del pavimento. Ciò influenza in modo particolarmente positivo l’uniformità del trasferimento del calore nell’ambiente e contribuisce alla creazione di un ambiente termicamente omogeneo, sia in senso verticale che orizzontale.
La temperatura dell’acqua di riscaldamento è generalmente inferiore a 50 °C, quindi possiamo parlare anche del riscaldamento a pavimento idraulico come di un sistema a bassa temperatura, il che ha diversi vantaggi. Da un lato garantisce considerevoli risparmi energetici durante l’esercizio, inoltre permette l’applicazione di fonti energetiche non convenzionali a basso potenziale, come l’irraggiamento solare, l’energia delle acque geotermiche, oppure pompe di calore che utilizzano il calore dell’ambiente.
Proprio questi fatti collocano il riscaldamento a pavimento idraulico tra i sistemi di riscaldamento progressivi, garantendo tutti e tre gli aspetti, cioè energetico, ambientale ed economico del riscaldamento degli edifici. D’altra parte, nonostante l’esistenza di questo tipo di riscaldamento già da oltre 2000 anni, oggi si registra il suo massimo sviluppo e rinascita.
Pertanto, è necessario definire in modo teoricamente esatto i principi per l’applicazione pratica del riscaldamento a pavimento idraulico, che riguardano la scelta, il calcolo, la progettazione, la valutazione, la costruzione, l’installazione, la regolazione, l’esercizio e le applicazioni.
SCELTA DEGLI EDIFICI PER IL RISCALDAMENTO A PAVIMENTO
Data la circostanza che non ogni edificio è adatto all’applicazione del sistema di riscaldamento a pavimento, è indispensabile garantire le richieste:
- termotecniche,
- igieniche,
- energetiche.
DEFINIZIONE DELLE GRANDEZZE TERMOTECNICHE DECISIVE
Le proprietà termotecniche delle strutture edilizie e degli edifici si assicurano grazie alle grandezze:
- resistenza termica delle strutture edilizie,
- attenuazione termica delle strutture edilizie,
- capacità termica delle strutture a pavimento,
- quantità di vapore acqueo condensato e evaporato nelle strutture edilizie,
- permeabilità all’aria delle strutture edilizie, loro giunzioni,
- stabilità termica della stanza,
- consumo energetico per il riscaldamento.
Nella progettazione delle strutture edilizie e degli edifici definiti dallo stato dell’ambiente interno richiesti sono i criteri della temperatura minima della superficie interna in base all’art. 3 STN 73 0540 e del consumo massimo di energia per il riscaldamento in base all’art. 21 STN 73 0540.
TUBI DI RISCALDAMENTO
Il componente più importante del pavimento riscaldato è costituito dai tubi di riscaldamento, pertanto proseguiremo con una caratterizzazione più dettagliata:
- tubi per il riscaldamento,
- tubi per il riscaldamento a pavimento.
TUBI PER IL RISCALDAMENTO
Attualmente nell’impianto di riscaldamento centrale si utilizza comunemente il seguente materiale tubolare:
- tubi metallici,
- tubi in plastica,
- tubi combinati.
TUBI METALLICI
Si utilizza acciaio (nero), zincato, inossidabile e rame. È vario il materiale degli raccordi e giunti (ghisa temprata, ottone, bronzo, metallo rosso ecc.). La varietà dei materiali è causa della corrosione di contatto, che ha un grande impatto sulla durata del riscaldamento.
a) Tubi in acciaio
Appartengono ai materiali tubolari tradizionali. Si utilizzano prevalentemente tubi in acciaio lisci senza saldatura. Il collegamento si è stabilito nella saldatura e le modifiche spaziali della rete tubolare si realizzano piegando a caldo. Le giunzioni filettate si utilizzano solo per il collegamento di rubinetteria e corpi scaldanti. Grazie ad esperienze plurisecolari si è riusciti a eliminare gran parte degli svantaggi. Rimane solo l’elevata richiesta di lavoro di saldatura. Proprio questa circostanza impedisce ora l’inserimento dei profili rettangolari chiusi in acciaio a parete sottile, perché la saldatura specchiata non è gradita e oggi non si utilizza più comunemente.
b) Tubi in acciaio zincato
I tubi in acciaio zincato sono uno dei materiali tubolari più antichi, che tuttavia richiedono un’ottima lavorazione artigianale. Lo strato di zinco non ha sempre lo stesso spessore e la stessa qualità. Nell’utilizzo di moderne macchine filettatrici durante la realizzazione del filetto spesso si verifica un considerevole indebolimento locale della parte portante del tubo. Questa circostanza insieme al rimozione dello strato zincato è causa di corrosione a fessura. Poiché le giunzioni filettate richiedono competenze e sono laboriose, si sostituiscono in misura possibile con la saldatura. Si può però constatare che l’utilizzo di tubazioni a spessore elevato è già in via di riduzione.
c) Tubi in acciaio inossidabile
Apparentemente ideale, il tubo in acciaio inossidabile incontra problemi nella realizzazione. La saldatura in questo caso richiede un processo tecnologico altamente specializzato, perché altrimenti si verificano indesiderabili deformazioni cristalline. Anche durante la brasatura con argento si verifica spesso il pericolo di corrosione nella zona di contatto tra la pasta di brasatura e la superficie inossidabile. Solo all’inizio degli anni settanta si ebbe un cambiamento fondamentale, quando la ditta Mannesmann sviluppò il collegamento di tubi in acciaio inossidabile mediante manicotti stampati in acciaio inossidabile autentico.
Questo tipo di tecnica di giunzione si è progressivamente esteso anche ad altri tipi di tubazioni (ad esempio quelle in plastica, dove si utilizzano principalmente manicotti in bronzo stampati). Premendo il manicotto con uno speciale utensile elettrico manuale si ottiene un collegamento stagno tra tubo e manicotto in circa 6 secondi. L'unica debolezza sembra essere l'O-ring sigillante incastonato, posizionato alla fine del manicotto, che è in genere realizzato in caucciù butilico. Le opinioni sulla durata di questo materiale differiscono tra loro e finora non si sono ancora ottenute esperienze sufficientemente lunghe.
d) Tubi in rame
Il rame appartiene ai materiali tubulari più nobili. È però fondamentale rispettare rigorosamente la dosatura dell'inibitore nell'acqua di riscaldamento. In seguito alla reazione dell'acqua con la superficie in rame si forma una doppia protezione: da un lato uno strato protettivo di ossido rameico e dall'altro vengono liberati ioni di rame. Se per mancanza di conoscenza o per necessità si colloca dopo un tratto di tubazione in rame una tubazione in acciaio (addirittura zincato) oppure alluminio, si verifica un attacco corrosivo intensivo su questa superficie. Qui può intervenire un inibitore appropriato.
Un importante procedimento lavorativo è l'unione dei tubi in rame. Questi si uniscono vantaggiosamente mediante brasatura morbida o dura. La brasatura morbida avviene a seconda della lega utilizzata a temperature di 230-240 °C e la brasatura dura a 710-730 °C. Queste temperature devono sempre essere rigorosamente rispettate. Si utilizzano soltanto saldature solubili in acqua, i residui delle quali vengono rimosse dal tubo mediante lavaggio.
Nel rispetto delle condizioni di unione e nell'utilizzo del rame deossidato SF-Cu con un contenuto minimo di rame del 99,9%, si garantisce un'elevata resistenza alla corrosione e una sufficiente forza anche nei tubi a sottile parete. L'installazione è relativamente semplice e rapida. Il tubo può essere utilizzato fino a pressioni operative di esercizio di 4 MPa e temperature di esercizio fino a 150 °C.
TUBI IN PLASTICA
Fra i tubi adatti per il riscaldamento centrale, è necessario distinguere tra sistemi di riscaldamento a pavimento e classici. I sistemi a pavimento richiedono infatti una grande flessibilità delle tubazioni e inoltre sono meno sollecitati termicamente rispetto ai sistemi di riscaldamento classici.
I tubi adatti per il riscaldamento a pavimento sono quindi i tipi PB, PE-X, PVC-C, PP-R. In proposito va tenuto presente che per il tipo PVC la temperatura massima operativa è solo di 60 °C e per il PVC-C la temperatura operativa è permanente di 90 °C e temporanea di 110 °C. Un campo simile vale per PB, PE-X e PP-R. Una posizione particolare occupa il PVDF, che può essere utilizzato fino a una gamma di 140 °C. Alcuni valori vanno periodicamente necessariamente chiariti. Ad esempio era noto che gli alogeni (fluoro, cloro, bromo, iodio) reagiscono con il PE e causano modificazioni molecolari, fragilità del materiale e perdita di forza già a temperature di 20 °C. Negli Stati Uniti si è ora constatato che avviene un invecchiamento e una distruzione del PB a causa dell'uso prolungato in seguito all'azione del cloro. Questa constatazione però non può essere applicata pienamente alle nostre condizioni, perché la concentrazione di cloro nell'acqua negli Stati Uniti ha valori decisamente più alti (fino a 2 ppm).
L'importante vantaggio dei tubi in plastica è la loro facile e rapida installazione. Essi si uniscono mediante incollaggio (PVC), saldatura (PB, PE, PP) o mediante manicotti e giunzioni filettate (PB, PE-X, PP).
L'importante svantaggio dei tubi in plastica è la bassa resistenza alla pressione a temperature elevate, la scarsa rigidezza (stabilità dimensionale nello spazio) e soprattutto l'elevata dilatazione termica lineare. A confronto con l'acciaio inox, la dilatazione termica nel caso del PB è 10 volte maggiore, nel caso del PP 12 volte, nel caso del PE 14 volte e nel caso del PE-LO addirittura 23 volte maggiore. Questo aspetto deve essere considerato nella progettazione degli ancoraggi e dei supporti per i tubi in plastica. Senza supporti intermedi e senza eliminare l'espansione del tubo mediante compensazione, i tubi in plastica non dovrebbero affatto essere installati.
TUBI MULTISTRATO CON INSERTO METALLICO
Un'altra direzione dello sviluppo nasceva dalla constatazione che una protezione al 100 % contro la diffusione dell'ossigeno è rappresentata dal metallo. Da questa base si sono sviluppati tubi plastici multistrato con inserto metallico. Fino ad oggi si sono imposti essenzialmente due tipi fondamentali:
a) Un tipo con una guaina in alluminio saldata longitudinalmente incorporata internamente con uno spessore di circa 0,5 mm. Questi tubi sono composti da una guaina interna in plastica (PB, PE-HD, PE-X, PP-R), una strato intermedio di colla adesiva, una guaina in alluminio saldata, nuovamente uno strato intermedio di colla adesiva e una guaina esterna in plastica.
b) Un secondo tipo si è evoluto da un tubo in plastica normale, avvolto strettamente con una pellicola in alluminio di circa 0,2 mm di spessore, rivestita bilateralmente con un componente adesivo e protetta esternamente da uno strato sottile di plastica.
Il composto di plastica con metallo non deve necessariamente essere realizzato solo con l'alluminio. In un tubo in acciaio inox a sottile parete può essere inserito un tubo in plastica con un componente adesivo applicato, che successivamente viene incollato al mantello in acciaio mediante un trattamento termico. I tubi multistrato con inserto metallico riducono drasticamente la dilatazione termica lineare fino a valori che si avvicinano all'alluminio. Sono più stabili, il che riduce considerevolmente il numero necessario di fissaggi.
Questo tubo può essere unito mediante giunzioni filettate, manicotti stampati o mediante stampatura diretta. La durata del tubo dipende da due condizioni fondamentali. Innanzitutto bisogna impedire l'ingresso possibile di acqua o, eventualmente, di umidità d'aria sulla superficie tagliata del tubo multistrato (evitando il contatto dell'acqua con l'alluminio) e in secondo luogo bisogna evitare la possibilità di generare corrosione elettrolitica tra ottone o bronzo rosso e alluminio.
TUBI PER IL RISCALDAMENTO A PAVIMENTO
Dalla parte precedente emerge chiaramente che la gamma dei materiali tubulari per il riscaldamento centrale è molto ampia, ma per il riscaldamento a pavimento sono adatti soprattutto:
- rame,
- plastica,
- tubi combinati.
TUBI IN RAME PER IL RISCALDAMENTO A PAVIMENTO
Il rame come materiale da lavoro ha certamente influenzato la storia della cultura. Dal momento che si trova anche allo stato puro in natura, come metallo poteva essere lavorato fin dagli antichi tempi. Nel vecchio Egitto il rame veniva utilizzato come moneta. Le prime menzioni sui condotti idrici in rame risalgono addirittura all'anno 2500 a.C., quando fogli di rame battuti venivano sistemati nella tomba di Sahure in Egitto.
Vicino all'anno 1900 il rame cominciò ad essere utilizzato come tegola di alta qualità soprattutto per edifici rappresentativi importanti e per chiese. Nel 1933 fu vietato utilizzare questo materiale per scopi non strategici. In Europa occidentale nel 1965 il materiale fu sbloccato per scopi di riscaldamento e impianti idraulici. Purtroppo, il blocco orientale continuò ad utilizzare questo materiale esclusivamente per scopi strategici.
L'applicazione versatile del rame è possibile soprattutto grazie alla alta qualità del materiale lavorato, per cui si richiedono elevati requisiti:
- costi minimi per l'installazione,
- funzionalità e sicurezza operativa stabili,
- lunga durata.
Alle caratteristiche principali degli impianti tubulari in rame appartengono:
• alta resistenza alla corrosione, e quindi in confronto con le tubazioni in acciaio
- spessori di parete minimi,
- peso specifico minimo,
• elevata forza del materiale,
• installazione semplice e rapida con poche richieste di spazio,
• buona capacità di adattamento alle condizioni edilizie e per questo motivo una particolarmente alta adatto anche per installazioni aggiuntive,
• tecnica di unione semplice e sicura (senza richiesta di giunzioni filettate),
• effetto battericida,
• assenza di depositi nei tubi (i tubi in rame non si ostruiscono), e quindi si garantiscono -alti portata, basse perdite di pressione,
- possibilità di fissare con precisione il diametro interno del tubo,
- buona conducibilità termica,
• ecologia del materiale (riciclaggio al 100%, tecnologia senza spreco).
Il materiale utilizzato per la produzione dei tubi in rame è rame deossigenato (SF-Cu) con una percentuale minima di rame puro del 99,90%.
In generale, distinguiamo due tipi di giunzioni per tubi in rame:
1. Giunzioni smontabili
• Filettatura
-cono/cilindrica,
-cono/circolare,
-guarnizione piana.
• Filettatura con anello di stringimento
-guarnizione metallica,
-guarnizione morbida.
• Giunti tubolari.
• Giunzioni a flangia.
2. Giunzioni non smontabili
• Saldatura dolce.
• Saldatura dura.
• Pressofusione.
• Saldatura.
Il tubo è stato sviluppato appositamente per l'installazione di riscaldamento a pavimento e per l'allacciamento degli apparecchi di riscaldamento nei sistemi unifilo e bifilo. Il tubo in rame è rivestito da un involucro protettivo in PVC che garantisce parzialmente la possibilità di espansione e protegge il tubo sia dagli effetti fisici che chimici del calcestruzzo o degli intonaci.
Attualmente non esiste alcun altro materiale installativo utilizzato nelle tubazioni domestiche che abbia una diffusione così ampia né una gamma di applicazioni così varia come il rame. In Germania circa il 70% delle installazioni è realizzato con tubazioni in rame, in Gran Bretagna addirittura tra il 90 e il 95%.
TUBI IN PLASTICA PER RISCALDAMENTO A PAVIMENTO
Gli elementi strutturali fondamentali dei polimeri sono carbonio C e idrogeno H. Nei processi produttivi si utilizzano essenzialmente tre procedimenti base: polimerizzazione, policondensazione e poliaddizione.
Con la polimerizzazione si ottiene un polimero partendo da monomeri, grazie all'azione dell'energia, di catalizzatori e di altri additivi. Con la polimerizzazione si produce ad esempio polietilene e polipropilene.
Con la policondensazione si ottiene una sostanza nuova a partire da un grande numero di molecole di sostanze a basso peso molecolare. Con la policondensazione si produce ad esempio resina fenolica-formaldeide. La poliaddizione è una polimerizzazione irregolare. Con la poliaddizione si produce ad esempio policarbonato.
I polimeri possono essere suddivisi in due gruppi:
• omopolimeri, i cui reticoli macromolecolari consistono in molecole identiche disposte regolarmente,
• copolimeri, nei quali sono legate al reticolo principale unità di molecole di un altro tipo. In base all'organizzazione spaziale delle macromolecole distinguiamo polimeri lineari e ramificati.
Secondo il modo di lavorazione tecnologica e il comportamento dei materiali plastici al calore, li dividiamo in termoplasti, duroplasti ed elastomeri.
Le proprietà dei termoplasti dipendono dall'ordinata o disordinata disposizione delle molecole macromolecolari. I plastici parzialmente cristallini sono flessibili e duttili. Al contrario, i plastici amorfi sono rigidi e fragili. I termoplasti possono essere lavorati termicamente in modo reversibile e modificati.
I duroplasti (termoindurenti) non possono essere plasmati né saldati al calore. Gli agenti rappresentativi di questo gruppo sono le resine. Tra i duroplasti esiste un gruppo speciale costituito dai termoelastomeri, che mantengono la flessibilità ma non possono essere né plasmati né saldati al calore. Il rappresentante principale dei termoelastomeri è il polietilene incrociato.
Gli elastomeri si deformano notevolmente sotto carico meccanico. Dopo il carico ritornano allo stato originale. Non possono essere plasmati termicamente e sono inaffidabili. A questa categoria appartengono i caucciù sintetici.
Tipi di plastica utilizzati nel riscaldamento
I materiali plastici utilizzati qui per l'installazione nel riscaldamento sono principalmente PEX, PP-B, PP-R, C-PVC, PB e PVDF.
Il polipropilene blocco-copolimero PP-B contiene una percentuale di componente di etilene compresa tra il 20 e il 30%, che permette una maggiore flessibilità e duttilità a basse temperature (fino a -20 °C). La resistenza termica senza pressione va fino a 90 °C. Le tubazioni di questo materiale sono destinate al riscaldamento a pavimento. Vengono unite mediante saldatura o giunzioni meccaniche.
Il polipropilene statico-copolimero PP-R è stato sviluppato soprattutto per l'idraulica sanitaria. Si distingue per una buona resistenza alla pressione anche alle alte temperature e viene utilizzato quindi per il riscaldamento a pavimento e per il riscaldamento centralizzato. La resistenza termica senza pressione supera i 100 °C. Vengono unite mediante giunzioni meccaniche, saldatura a tampone o poliaddizione.
Il polibutilene PB è molto flessibile e ha un elevato peso molecolare. Con una grande resistenza meccanica si distingue anche per la resistenza alla formazione di crepe da tensione. La resistenza termica senza pressione supera i 100 °C, diventa fragile a -18 °C. Viene utilizzato per le distribuzioni di riscaldamento a pavimento e centralizzato. Poiché ha ottime proprietà meccaniche, viene prodotto con pareti più sottili rispetto ad altri tubi in plastica. Vengono unite mediante giunzioni meccaniche, saldatura a tampone o poliaddizione.
Il cloruro di polivinile C-PVC ha un contenuto di cloro aumentato, che non costituisce un ostacolo igienico durante il trasporto dell'acqua calda attraverso tubazioni di questo materiale. La resistenza termica senza pressione supera i 100 °C. Questo materiale viene prodotto in diversi modi, quindi le sue proprietà si differenziano parzialmente in base ai singoli produttori. Vengono unite mediante incollaggio, ma bisogna incollare solo tubi e raccordi forniti dallo stesso produttore con il suo collante raccomandato.
Il polivinilidene fluoruro PVDF ha un'elevata resistenza meccanica e una notevole resistenza anche alle alte temperature. È inoltre facilmente lavorabile. L'intervallo termico di utilizzo va da -40 a +140 °C. È resistente ai raggi UV e ai raggi gamma, acquisendo così una buona resistenza all'invecchiamento. È inoltre resistente all'abrasione, fisiologicamente innocuo e difficilmente infiammabile. Il suo prezzo è relativamente alto. Vengono unite mediante poliaddizione, raggi infrarossi, saldatura a tampone o giunzioni meccaniche.
Proprietà dei materiali plastici
Le proprietà dei materiali plastici che dovremmo assolutamente notare sono la resistenza termica, infiammabilità, permeabilità, conducibilità elettrica, conducibilità termica e dilatabilità termica.
Il limite termico, al di sotto del quale il polimero si scioglie e ammorbidisce senza cambiare struttura, è il limite della resistenza termica. Se caricassimo ulteriormente il materiale termicamente, si verificherebbero cambiamenti nelle proprietà meccaniche-fisiche e gradualmente anche la degradazione dei polimeri con conseguente loro deprezzamento. Se valutiamo la resistenza termica delle tubazioni destinate all'installazione nel riscaldamento, dovremmo verificare parzialmente, perché con una saldatura errata avviene una parziale degradazione causata da un surriscaldamento locale.
Per prevenire o mitigare l'invecchiamento dei materiali plastici, ai polimeri vengono aggiunti stabilizzatori, pigmenti e antiossidanti. Con il processo di invecchiamento intendiamo i cambiamenti irreversibili delle proprietà meccaniche dei materiali plastici causati dall'azione dell'ossigeno, della temperatura e dei raggi UV. L'invecchiamento avviene più lentamente rispetto alla degradazione termica.
L'attacco chimico ai materiali plastici si manifesta prima all'interno del materiale plastico e in seguito anche sulla superficie. L'attacco chimico ai materiali plastici si manifesta con un cambiamento della composizione e delle proprietà dei materiali plastici. Il cambiamento è causato dall'azione di influenze chimiche e fisiche. Anche alcuni materiali metallici, come rame, cobalto e le loro leghe, possono avere un effetto negativo. Al contatto del metallo con certi materiali plastici avviene un'ossidazione termica catalizzata dagli ioni metallici, che si manifesta con un disturbo della struttura dei materiali plastici. Per questo motivo bisogna utilizzare giunzioni e passaggi con un'adatta finitura superficiale raccomandata dal produttore del tubo in plastica. L'attacco chimico ai materiali plastici sotto tensione si manifesta con la formazione di microfratture. Nei prodotti in plastica non dobbiamo considerare i cambiamenti delle tolleranze dimensionali e delle proprietà meccaniche causati dall'azione dell'umidità. I materiali plastici sono impermeabili e la loro permeabilità e capacità di assorbimento sono molto basse. In generale consideriamo i materiali plastici come isolanti, non conducenti elettricamente. Un'altra realtà è che nei tubi in plastica, attraverso i quali si trasportano materiali in polvere o gas, si verifica una scarica di elettricità statica. La resistenza superficiale si aggira attorno al valore di 1014 ohm e dipende dal grado di sporco della superficie e dalla percentuale di umidità dell'aria.
Dal punto di vista della progettazione della rete tubolare è molto importante la dilatazione termica lineare. La dilatazione termica nei materiali plastici è dieci volte maggiore rispetto all'acciaio o al rame. Se il progettista non rispetta pienamente questa proprietà dei materiali plastici, si creano molti problemi che possono essere eliminati solo con un nuovo posizionamento del tubo.
Il coefficiente di conducibilità termica dei materiali plastici è molto basso; questo fatto però non ci autorizza a rifiutare l'isolamento termico sui tubi in plastica. I tubi in plastica non possono essere considerati come isolanti termici e molte installazioni in plastica richiedono direttamente una protezione isolante generale.
Dati fondamentali per l'utilizzo dei tubi in plastica
Un fattore importante che influenza l'utilizzo dei tubi in plastica è la loro durata. Un tempo si parlava di una durata di 50 a 60 anni indipendentemente dalle condizioni operative e dal tipo di plastica utilizzato. Oggi è chiaro che bisogna ridurre questa soglia di vita e valutarla molto rigorosamente in base al tipo di plastica utilizzato e in base alle condizioni operative a cui il materiale plastico è esposto. In esercizio, i tubi in plastica sono sollecitati contemporaneamente da pressione operativa e temperatura operativa. Poiché l'azione combinata di pressione e temperatura è una realtà molto significativa, si stabilisce in pratica una durata minima dell'installazione. Questa durata si determina in base ai due parametri sopra menzionati in base a curve isotermiche ottenute sperimentalmente. Lo sforzo nella parete del tubo, riportato sull'asse y, dipende direttamente dal diametro esterno del tubo, dallo spessore della parete e dalla pressione interna e inversamente dal doppio dello spessore della parete.
I tubi in plastica vengono prodotti in questa serie: PN2,5 PN4 PN6 PN10 PN12,5 PN16 PN20 PN25.
Il numero dopo l'abbreviazione PN indica la massima pressione operativa (Pa) alla temperatura dell'acqua fino a 30 °C per un periodo di 50 anni. Da ciò deriva che per progettare temperature più elevate, mantenendo la stessa pressione e la stessa durata, si deve scegliere una classe di pressione più alta, poiché con l'aumentare della temperatura dell'acqua diminuisce la massima pressione operativa consentita.
I tubi in plastica vengono contrassegnati in scala millimetrica. Il marchio dovrebbe contenere: nome del produttore, indicazione del materiale, dimensione esterna o interna x spessore della parete, pressione/temperatura operativa, data di produzione, nome del tubo, eventualmente numero di registrazione.
I tubi in plastica possono essere collegati tra loro, tubi in plastica con tubi di altri materiali, tubi con adattatori, tubi con valvole o tubi con apparecchi. A tale scopo si utilizza l'intero sistema di giunzioni tubolari. Le giunzioni devono soddisfare certi requisiti, per cui le verifichiamo in base alla resistenza alla pressione, alla temperatura o agli effetti chimici, richiedendo funzionalità e tenuta della giunzione.
Diffusione dell'ossigeno attraverso le pareti dei tubi in plastica
Sui tubi in poliolefine per il riscaldamento si discute spesso, sono indicatori della qualità dell'intero sistema e bersaglio dei suoi dubbi. Per questo motivo meritano una particolare attenzione.
Un problema attuale che riceve oggi particolare attenzione è la diffusione dell'ossigeno attraverso le pareti dei tubi in plastica.
Si è constatato che le molecole di ossigeno atmosferico riescono a penetrare nella struttura cristallina del materiale plastico finché non raggiungono l'acqua di riscaldamento. L'acqua di riscaldamento, continuamente saturata di ossigeno, diventa quindi aggressiva verso i metalli. La quantità di ossigeno infiltratosi dipende dal tipo di plastica e dalla temperatura. Si è inoltre constatato che le variazioni di pressione a temperature elevate causano una tendenza alla formazione di microfessure superficiali di fatica, aumentando così la diffusione dell'ossigeno. Poiché una molecola con un raggio atomico piccolo diffonde più facilmente in una struttura formata da atomi con un raggio maggiore, si è arrivati inizialmente al reticolamento dei plastici. Così si è riusciti quasi a eliminare la formazione di microfessure da fatica, ma non si è completamente impedito la diffusione dell'ossigeno. Per questo motivo, un ulteriore sviluppo ha portato all'applicazione completa di un rivestimento esterno ai tubi in plastica con uno strato di polimero speciale che funge da barriera alla diffusione. L'efficacia percentuale e la durata di questa barriera dipendono però dal polimero utilizzato.
La diffusione dell'ossigeno può essere limitata separando i circuiti di riscaldamento da quelli delle pompe, aumentando lo spessore delle pareti dei tubi o aggiungendo un antiossidante all'acqua di riscaldamento.
Alla fine va detta una regola fondamentale: la causa di questo problema è lo stato operativo del sistema di riscaldamento a pavimento, che è fissato una volta per tutte nella struttura del pavimento. Per questo motivo si cerca di convincere il cliente e l'utente della affidabilità e sicurezza del sistema di riscaldamento, affinché non abbia timori riguardo a possibili danni all'installazione tubolare. Una delle cause tradizionali è la corrosione delle parti metalliche degli accessori e degli impianti di riscaldamento, poiché i tubi sono in plastica.
La soluzione si è trovata nel seguente modo. Le aziende rinomate utilizzano parti metalliche in ottone, riducendo così al minimo la probabilità di corrosione. Inoltre, per prevenire il trasporto di contaminazioni soprattutto dalla fonte di calore esposta alla possibilità di corrosione a basse temperature, si inizia a promuovere l'inserimento del sistema di riscaldamento tramite uno scambiatore di calore, quindi il distacco del circuito primario del boiler dal circuito secondario della superficie riscaldata a pavimento. E infine, per assicurare la massima certezza, si cerca di escludere la possibilità dell'ingresso dell'ossigeno direttamente attraverso le pareti dei tubi in plastica, cioè mediante un'ulteriore barriera esterna – la barriera all'ossigeno. Esistono già soluzioni estreme note, dove si aggiunge anche un terzo strato, basato su un materiale metallico.
Quindi il problema della diffusione dell'ossigeno dipenderà sempre in primo luogo dalle specifiche condizioni d'uso, così come dalla capacità finanziaria dell'investitore. In Germania, dove il riscaldamento a pavimento è il più utilizzato, circa il 60% delle aziende offre tubi con barriera all'ossigeno.
E' però importante notare che, vista l'assenza di casi concreti nella pratica, continua incessantemente la ricerca per l'eliminazione dell'utilizzo della barriera all'ossigeno.
Andamenti nell'applicazione della plastica
UE – il mercato complessivo si stima intorno ai 230 milioni di metri di tubi, dei quali più della metà è rame, mentre la plastica utilizzata principalmente è PE reticolato (70%), seguito da PPC (15–20%) e PB (5–10%),
Austria – acciaio e rame rappresentano più del 55%, il resto sono plastiche,
Svizzera – le plastiche rappresentano fino al 74% del mercato, utilizzate soprattutto per il riscaldamento a pavimento, consumo 4,6 m per abitante (anno massimo PEX; PPC e PB sono 4 volte inferiori rispetto al PEX),
Olanda – plastiche 10% per l'installazione sanitaria, 10% per il riscaldamento, dove PEX è il 60%, PP e PB sono molto meno (1–2%).
Nell'utilizzo delle plastiche per le distribuzioni tubolari negli edifici si parte dall'ipotesi di una durata di vita di 50–55 anni, cioè una sostituzione dell'installazione una volta durante la vita dell'edificio.
L'evoluzione del mercato delle materie plastiche nell'UE, in Austria e in Svizzera conferma l'equivalenza completa tra le distribuzioni tubolari basate sui materiali metallici tradizionali e quelle basate sulla plastica, la cui quota varia tra il 40 e il 75%.
La posizione dominante nella produzione di materiali tubolari è generalmente occupata dal polietilene reticolato, circa il 70%, mentre il polipropilene e il polibutene sono equivalenti in seguito.
TUBI COMBINATI PER RISCALDAMENTO A PAVIMENTO
Negli ultimi anni qui da noi si inizia ad utilizzare sempre più spesso tubi multistrato, cioè tubi composti da materiali diversi. Il tubo multistrato è costituito da un tubo in plastica base, un mantello in alluminio saldato longitudinalmente e uno strato protettivo in plastica. Buona aderenza tra entrambi gli strati plastici e la pellicola di alluminio è garantita da uno strato speciale adesivo.
I tubi combinati compensano lo svantaggio dei tubi in plastica in termini di dilatazione termica lineare. I valori della dilatazione termica lineare si avvicinano ai valori riportati per l'alluminio, ad esempio le aziende indicano il valore di 0,025 mm.m-1.K-1. Un'altra vantaggio è che il tubo può essere fissato a una distanza maggiore, poiché la flessione dopo il riempimento con l'acqua è minore. Questi tubi si caratterizzano per una certa rigidezza, ma conservano comunque una notevole flessibilità. I tubi multistrato vengono uniti meccanicamente o mediante saldatura a fusione con il profilato. Prima della saldatura va rimossa ogni strato tranne il tubo base in plastica.
Literatura utilizzata:
Dušan Petráš: Riscaldamento a pavimento idronico
Dušan Petráš: Riscaldamento a basse temperature ed energie rinnovabili
