Comfort e tecnologia, confronto con altri sistemi, applicazioni, risparmio energetico, costo di installazione, esperienze

COMFORT

La tecnologia del riscaldamento ad infrarossi sta diventando sempre più interessante a seguito di un famoso esperimento condotto nel laboratorio “John B. Pierce Laboratory” (USA), che ha ben chiarito la diversa percezione del calore da parte delle persone.
Un gruppo di esse, introdotte in un locale con temperatura dell’aria a 50°C e pareti molto fredde, dopo una prima sensazione di caldo, provavano una sensazione di freddo intenso. Le stesse persone introdotte in un locale con aria fredda alla temperatura di 10°C con le pareti calde, dopo un po’ di tempo hanno incominciato a sudare.
Questo dimostra che la temperatura dell’ambiente non è il solo parametro per valutare il benessere. Si può star bene al sole o davanti ad un fuoco anche con temperature dell’aria basse e si può provare disagio anche con temperature dell’aria considerate accettabili, ma con superfici molto fredde nelle vicinanze (vetrate, ecc.).
La tecnologia dell’infrarosso sta fornendo un notevole contributo alla soluzione del comfort negli ambienti abitati garantendo un consumo di energia contenuto.
Non si tratta di effetti “miracolistici”, del tipo “Fornisco 1 kWh e ne ricavo 2”, ma di una riduzione del fabbisogno energetico grazie ad una più razionale distribuzione delle temperature e una miglior efficienza nel trasporto del calore. La riduzione del fabbisogno potrà avere, come conseguenza, una riduzione notevole dei costi di esercizio, anche se la fonte può sembrare costosa (elettricità). Naturalmente il risparmio ci sarà a condizione che la tecnologia sia ben compresa ed applicata.
Un altro importante elemento da considerare è che con l’energia elettrica, l’inquinamento locale si annulla e quello distante (centrale di generazione elettrica) può ridursi se viene supportato da una fonte rinnovabile, anche locale (generatore fotovoltaico, eolico, idrico).

Cos’è la radiazione all’infrarosso

L’infrarosso si trova appena sotto la luce visibile, oltre il “rosso” dello spettro di luce. Queste lunghezze d’onda sono più lunghe (“infra”) delle onde nello spettro della luce visibile, la più lunga delle quali è rappresentata proprio dal rosso. Da qui il nome “infrarossi”. Le lunghezze d’onda dell’infrarosso sono a loro volta suddivise in famiglie: quelle con maggiori lunghezze d’onda appartengono alla famiglia dell’“infrarosso lontano”.

Come riscaldano le onde ad infrarossi?

Le onde a infrarossi non hanno bisogno di un mezzo, come l’aria o l’acqua, per “viaggiare”. Si muovono facilmente sia nell’aria che nello spazio, producendo calore soltanto quando colpiscono un oggetto, come la superficie della terra o la parete di una casa. Quando la radiazione emessa da un pannello a raggi infrarossi colpisce un oggetto (pareti, soffitti, pavimenti, oggetti interni), i raggi generano il movimento delle molecole colpite, che cominciano ad oscillare e a emettere calore. L’energia continua ad essere assorbita dalle molecole di quell’oggetto fino a quando l’oscillazione delle stesse raggiunge la frequenza della radiazione. A questo punto la radiazione e di conseguenza il calore, vengono riflessi. In altre parole, tutti gli oggetti in una stanza diventano radiatori. La radiazione IR (infrarossi) continua fino a quando tutta l’energia viene assorbita e tutti gli oggetti sono riscaldati e iniziano a riflettere a loro volta il calore. La persona percepisce queste oscillazioni come una condizione di tepore. La prima reazione che si ha entrando in una stanza riscaldata con radiazione all’infrarosso è di sorpresa: si avverte il calore, ma non se ne comprende la provenienza.
Gli elementi fondamentali dei sistemi di riscaldamento a radiazione sono la temperatura e la lunghezza d’onda della radiazione emessa. È necessario scegliere la combinazione giusta in funzione all’utilizzo.

In base alla lunghezza d’onda emessa (o meglio, alla banda d’onda), vi sono 3 diversi sistemi riscaldanti, con bande diverse tra loro, applicazioni non sempre compatibili e costi di esercizio altrettanto diversi.
Semplificando: in base all’obiettivo da raggiungere, si richiede una “range” (differenziale) di temperatura, che corrisponde ad una banda di lunghezza d’onda, ad un tipo di corpo scaldante specifico e ad una potenza ben definita (W).

Cosa è importante sapere?

E’ importante che in ogni applicazione (che riguardi il settore domestico, sportivo, commerciale o industriale), sia adottato il sistema riscaldante corretto. Per esempio se si pensa di generare “comfort” utilizzando sistemi a radiazione corta (Near Infrared Rays, NIR) in ambienti domestici o a radiazione lontana (Far Infrared Rays, FIR) in vasti ambienti (arene sportive, capannoni industriali, ecc.) si commette un errore.
In secondo luogo, come abbiamo detto prima, è possibile risparmiare utilizzando l’infrarosso ma è importante scegliere il sistema e la potenza corretti. Una scelta errata porta facilmente a non avere i risparmi previsti.

L’infrarosso scelto potrà inoltre avere effetti benefici sul piano della salute (senza aspettarsi i “miracoli” che a volte, il marketing prospetta).
È importante conoscere la differenza tra i sistemi.

I sistemi di radiazione all’infrarosso

I riscaldatori all’infrarosso sono suddivisi in 3 differenti tipologie.

IR-A o Near Infrared Rays (NIR), riscaldatori ad infrarossi vicini o IR corti

Sono riscaldatori a lunghezza d’onda corta o luminosa (brillante), detti anche “lampade scaldanti” che operano tra 780 nm e 1.400 nm, con una temperatura di emissione di 1.300°C ed oltre, con una certa quantità di radiazione nell’infrarosso visibile. Gli elementi riscaldanti sono normalmente costituiti da lampade al quarzo con una parabola riflettente per concentrare la radiazione in una direzione specifica particolare.
A meno che non siano installati molto lontani dalle persone, i NIR rappresentano una fonte di calore eccessiva per essere applicati in situazioni in cui è richiesto il “Comfort”. Se posizionati troppo vicino, possono essere causa di mal di testa, di una sensazione di caldo alla testa e problemi agli occhi (“occhio secco”). La proprietà penetrante del NIR, che può causare anche danni alla pelle e agli occhi se sono installati troppo vicini alle persone o se le stesse sono esposte per troppo tempo alla radiazione, fanno sì che gli stessi non dovrebbero essere applicati con leggerezza, ma solo in condizioni specifiche. Troppi locali chiusi (de hors, bar, ristoranti, ecc) sono riscaldati con questi sistemi inadatti.
Questo tipo di radiatori è adatto ad essere usato in spazi aperti o di vaste dimensioni (chiese, industrie…).
Si tenga presente che le lampade al quarzo e, in genere, la lampade NIR non hanno una durata paragonabile ad altri tipi di riscaldatori, a causa dell’errata applicazione. Se si richiede “comfort” in spazi pubblici (bar, ristoranti, ecc.), l’uso frequente del controllo on/off (acceso/spento) porta ad un loro rapido degrado dei tubi e dei bulbi. Riscaldatori al quarzo e lampade a raggi infrarossi NIR sono più adatti ad utilizzi saltuari e con accensione costante.

Il riscaldamento a raggi infrarossi corti è per lo più di tipo direzionale, ovvero riscalda verso particolari direzioni e non a “360 gradi”, vieni riscaldato solo se sei nel cono d’irraggiamento. Per cui, spostandosi in diversi punti della stanza, spesso potrebbe venire a mancare la sensazione di calore perché non investiti direttamente dai raggi IR o avvertirla in maniera disomogenea. Questa caratteristica può essere utile quando si vuole riscaldare solo una zona all’interno di ambienti di vaste dimensioni, un’area all’aperto o per migliorare il comfort termico nelle stanze con grandi vetrate, che d’inverno danno una sensazione di freddo asimmetrico. In questi casi, invece di agire sulla temperatura della stanza, è più conveniente utilizzare una lampada infrarossi che proietti il suo calore dalla vetrata verso l’interno, compensando l’asimmetria termica radiante.

IR-B o Medium Infrared Rays (MIR), riscaldatori ad infrarosso medio

Sono riscaldatori a lunghezza d’onda media che operano tra 1.400 nm e 3.000 nm, con una temperatura di emissione tra 300°C e 800°C. ed oltre. Gli elementi riscaldanti sono normalmente costituiti da lampade al quarzo o in alluminio rivestito da una speciale pellicola di silicio per favorire l’emissività.
Può completare il corpo scaldante una parabola riflettente per concentrare la radiazione in una direzione specifica particolare.
Lampade di calore onde medie sono utilizzati anche nel settore zootecnico e per la cottura dei cibi.
Gli emettitori ad infrarosso ad onde medie sono da qualche tempo molto utilizzati in edifici pubblici (ristoranti, musei, ecc.) ed industriali perché le tipiche distanze di installazione necessarie in queste situazioni (sono posizionati a soffitto o a parete in altro) li rendono molto più efficienti e più sicuri di quelli ad infrarosso al quarzo (NIR).
Gli infrarossi della famiglia IR-B (MIR) non hanno emissione di luce, presentano anche una durata maggiore ed emettono un calore molto meno potente, così da consentire una posa più vicina alle persone, senza che questo provochi gli sgradevoli effetti collaterali dei radiatori IR-A (NIR): mal di testa, fastidiosa radiazione luminosa, ecc.
Poiché la temperatura è una funzione della banda d’onda, che, a sua volta, è una funzione della potenza, questi riscaldatori ad onde medie sono anche in grado di produrre radiazione all’infrarosso lontano, tipico degli IR-C (Far Infrared Rays, FIR). Trovano quindi applicazione nel riscaldamento localizzato, utilizzando molta meno energia rispetto ai loro equivalenti al quarzo (NIR).

IR-C o Long Infrared Rays (LIR), riscaldatori ad infrarosso lontano

Sono riscaldatori a lunghezza d’onda lontana, detti anche “Neri”, che operano oltre i 3.000 nm, e fino a 10.000 nm, con una temperatura di emissione massima di circa 100°C e nessuna radiazione visibile. Gli elementi riscaldanti sono costruiti, nel nostro caso, con una lega a base alluminio, ma si possono anche utilizzare nichel e rame.
Grazie alla loro temperatura più bassa, le applicazioni di questo riscaldamento FIR, spaziano dal domestico, al commerciale agli esercizi pubblici, garantendo condizioni di “Comfort” ottimali.
Il riscaldamento a IR lontani è ampliamente utilizzato nei centri di benessere (saune).
La temperatura inferiore a 100 ° C sulla superficie emittente è fondamentale per definire un pannello riscaldante come appartenente alla famiglia FIR (o IR-C).
Lo stesso limite garantisce la bassa potenza specifica che permette di ottenere i vantaggi legati a questa tecnologia. I pannelli che operano oltre i 100 ° C non possono lavorare con una potenza così bassa da garantire l’applicazione della regola empirica dei 25 W/m3 necessari per scaldare ambienti domestici in vecchi edifici. Pannelli con temperature più elevate devono essere esclusi.

Riassumendo

La seguente tabella riassume quanto detto in precedenza: in base al tipo di infrarosso, vengono indicate le applicazioni più adatte e le considerazioni da tener presenti.

Quota radiante dei corpi scaldanti elettrici

La trasmissione totale di calore è pari alla somma della parte radiante e di quella convettiva.

Vantaggi IR

Supponendo di riscaldare con un sistema totalmente radiante, senza convezione, l’aria sarà in ogni caso riscaldata dalla microconvezione sulle superfici riscaldate per effetto della radiazione. Questa convezione secondaria è morbida ed è molto meglio distribuita nello spazio, non genera moti convettivi che trascinano polveri e non crea gradienti di temperatura significativi.
D’altra parte, non è la temperatura dell’aria che da sola può dare una completa sensazione di confort, ma è la temperatura operante, quella risultante dalla temperatura radiante e dalla temperatura dell’aria.
La convezione in generale e specialmente i sistemi di riscaldamento che trasferiscono e accumulano il calore nell’aria, sono sicuramente nemici del confort e del risparmio energetico.

Meno potenza e migliori prestazioni

A differenza del riscaldamento per convezione che ricircola aria fredda per riscaldarla, il riscaldamento infrarossi riscalda direttamente i corpi. Essendo l’aria un isolante naturale, essa richiede molta energia per aumentare la sua temperatura. Con il riscaldamento infrarossi l’energia necessaria per garantire il confort si riduce in maniera drastica, fino al 50/60%.
In termini di rendimento, un radiatore a infrarossi di 500 W consente di ottenere le stesse prestazioni di un radiatore convettivo da 1.000 W, con un confort incomparabile.
L’aria riscaldata dai sistemi convettivi ha anche l’enorme difetto di generare notevoli gradienti termici in ambiente, una delle cause principali degli sprechi di energia.
La potenza installata, il numero dei radiatori, la loro posizione nell’ambiente e i tempi di attivazione, saranno determinanti per riscaldare correttamente il locale.

Riduzione dei tempi di riscaldamento

Quando sono in funzione, i radiatori a infrarossi trasmettono la quasi totalità del calore alle pareti, al pavimento, al soffitto e all’arredamento. Queste superfici, a loro volta, incominciano ad irradiare calore. Questo fatto permette di ridurre considerevolmente il tempo di accensione dei radiatori, con conseguente riduzione dei consumi, che possono raggiungere anche il 30% dei sistemi a basso irraggiamento. La radiazione a bassa temperatura non solleva polveri e mantiene il livello di umidità necessario a garantire la qualità dell’aria ambiente.

Una radiazione senza pericoli

La radiazione IR non genera campi elettromagnetici paragonabili a quelli che si trovano nei telefoni cellulari, nei computer e negli schermi televisivi.
Gli infrarossi sono parte di quella energia naturale emessa da tutti i corpi caldi, compreso il corpo umano e non ha alcun legame con la radiazione ultravioletta, pericolosa per la pelle, anzi, è riconosciuta avere proprietà terapeutiche (stimolante della microcircolazione sanguigna e della rigenerazione dei tessuti) ed è utilizzata in medicina (per esempio nelle incubatrici per i neonati) e nelle saune.

.EFFETTI DELLA RADIAZIONE ALL’INFRAROSSO
SULLA PELLE

È importante essere informati sulle diverse profondità raggiunte nella pelle dai diversi tipi di infrarossi per capire le diverse applicazioni. Come si vede nello schema sopra rappresentato, gli infrarossi IR-C (FIR) sono quelli che penetrano meno nella pelle, toccando solo l’epidermide esterna. Ciò è più che sufficiente per creare le migliori condizioni di “Comfort” ed evitare eventuali problemi di salute e di sicurezza: l’uso dell’infrarosso lontano è molto sicuro.
L’infrarosso ad onde medie, IR-B (MIR) penetra leggermente più in profondità nell’epidermide e negli strati superiori del derma, ma, come l’IR-C, non raggiunge gli organi funzionali (ghiandole sudoripare, nervi, ecc.) che si trovano sulla pelle
L’infrarosso ad onde corte IR-A (NIR), raggiunge gli strati di grasso sottocutaneo e i muscoli, penetra nel derma e riscalda i follicoli, le ghiandole sudoripare, i nervi e i muscoli.

CONFRONTO CON ALTRI SISTEMI

Come già detto, il riscaldamento con sistemi a raggi infrarossi produce calore per irraggiamento, interagendo direttamente con le superfici di persone ed oggetti (mobili, pareti, ecc.), senza riscaldare direttamente l’aria. Il riscaldamento dell’aria, invece, è tipico del riscaldamento attualmente più diffuso (i termosifoni e pannelli radianti, cioè sistemi di riscaldamento radiante-convettivo): l’aria è usata come mezzo principale per il trasferimento del calore. Invece le onde elettromagnetiche emesse dai pannelli a raggi infrarossi si trasformano in calore a contatto con i corpi ed evitano l’inefficienza dovuta alle perdite causate dall’aria: stratificazione verso l’alto (maggiori dispersioni a causa delle elevate temperature, possibile disagio per le asimmetrie di temperatura e i movimenti d’aria, ecc.).

Il riscaldamento a infrarossi segue un percorso corpo riscaldante-corpo umano (a favore dell’efficienza energetica) piuttosto che corpo riscaldante-aria-corpo umano, senza innescare movimenti d’aria dal basso verso l’alto, tipici di un riscaldamento tradizionale. Questa caratteristica fa si che, quando il riscaldamento è acceso, le temperature di comfort desiderate sulle superfici di persone ed oggetti investiti direttamente dai raggi infrarossi vengano raggiunte velocemente.

Il riscaldamento a raggi infrarossi inoltre è molto adatto per locali ad uso saltuario o molto alti. Infatti, quando il riscaldamento è intermittente, l’inerzia termica tipica dei sistemi tradizionali ad acqua diventa controproducente, richiedendo un notevole spreco di energia. Nei locali alti, tipo palestre, chiese, piscine o all’aperto non riscaldando inutilmente l’enorme volume di aria presente in questi posti, ma agendo direttamente a distanza sui corpi, il riscaldamento a infrarossi permette un elevato risparmio energetico.

ALCUNE CARATTERISTICHE DEI PANNELLI A RAGGI INFRAROSSI:

• Scaldano per irraggiamento, il calore esce istantaneamente alla velocità della luce
• Se i raggi infrarossi incontrano un corpo freddo, l’emissione di raggi IR è massima ed il consumo elettrico è massimo. Se incontrano un corpo caldo (che a sua volta emette infrarossi) il consumo diminuisce leggermente
• La bontà di un pannello da appendere al muro la si vede dalla differenza di emissività fra la parte anteriore e quella posteriore. Un ottimo pannello scalda pochissimo il muro e cede il massimo dell’energia verso l’ambiente da scaldare. Il materiale più emissivo di raggi infrarossi è il radiatore rivestito in silicio, con superficie ruvida (antares new).
• I pannelli IR possono essere dotati di un variatore per ridurre il consumo energetico quando non serve la piena potenza;
• I pannelli ben studiati limitano le correnti d’aria calda ascensionali che tendono a raffreddarli, portando il calore in alto dove non serve.

RISPARMIO NEL COSTO DI INSTALLAZIONE

Il sistema di riscaldamento a infrarossi non ha bisogno di tubature, caldaie e di impianti elettrici aggiuntivi, ma si installa con soluzioni di montaggio molto pratiche: basta una comune presa di corrente a 230 V.
Le lampade a raggi infrarossi si possono montare a parete o a soffitto, legare alle travi di un gazebo o sotto gli ombrelloni all’aperto. Non accumulano fuliggine, non muovono la polvere e non creano muffe o condense.