Experimental and numerical study of heat transfer in wall heating systems

Radiant wall heating is a space heating emitter that has long been used in buildings to ensure indoor comfort. In recent years, the combination of wall heating systems with internal insulation has been investigated as an integrated retrofit solution for historic buildings, where heritage preservation constraints often limit external façade interventions. The present research is conducted within the framework of the Highly Efficient Hybrid Systems – Wall Heating on Interior Insulation (H-WIHS) project carried out by the Fraunhofer Institute for Building Physics, in which innovative wall heating applications designed for building renovation are evaluated. More specifically, the aim of the work is to analyse the heat transfer mechanisms that occur within the investigated wall heating systems in wall heating systems. Previous studies have highlighted that, when pipes are installed within the wall, significant thermal contact resistance may arise at the interface between the two components, therefore affecting the overall heat transfer process. However, this effect has not yet been investigated or quantified for modern wall heating applications. In this study, a combined experimental and numerical approach is adopted. The investigation is extended to five different wall heating technologies that show major differences in terms of structure, geometry, materials and construction methods. Four on-site assembled solutions and one prefabricated system are analysed. The results of laboratory measurements represent the basis for numerical modelling, in which a two-dimensional finite volume model is developed for each system using the WUFI 2D software. A comparison between the numerical and experimental results allows to determine, for each system, the heat transfer coefficient accounting for the coupled heat transfer processes between the pipe and the wall. From a physical interpretation of the obtained results, the presence of an additional thermal contact resistance is assessed, as well as its influence on the system’s heat output and on the temperature distribution. The results show that for prefabricated systems, the resistance is negligible. In contrast, for on-site assembled wall heating systems, the overall heat transfer is significantly influenced by the presence of the additional thermal resistance.

Il riscaldamento radiante a parete rappresenta una tecnologia consolidata nell’ambito della climatizzazione degli ambienti interni. L’integrazione degli impianti radianti a parete con sistemi di isolamento interno dell’involucro è un aspetto indagato dalla letteratura nell’ambito della riqualificazione degli edifici storici, in relazione alla presenza di vincoli di tutela che limitano la possibilità di modificare l’aspetto esteriore di tali edifici. Il presente lavoro di tesi è stato redatto nell’ambito del progetto Highly Efficient Hybrid Systems – Wall Heating on Interior Insulation (H-WIHS) sviluppato dal Fraunhofer Institute for Building Physics, finalizzato all’analisi del comportamento termico e igrometrico di soluzioni tecniche integrate di isolamento interno e riscaldamento a parete. Lo scopo principale del presente studio consiste nell’analisi dei meccanismi di trasferimento del calore che si sviluppano all’interno dei sistemi oggetto di indagine. Da una revisione della letteratura, è emerso come la possibile presenza di una significativa resistenza termica di contatto all’interfaccia tra il tubo in cui scorre il fluido termovettore e la parete possa influenzare il complessivo processo di scambio termico. Nell’ambito delle moderne applicazioni dei sistemi radianti a parete, tale effetto non è stato oggetto di valutazioni sistematiche e di analisi da un punto di vista sperimentale. A tal fine, all’interno del lavoro viene analizzato, attraverso un approccio sperimentale e numerico, il processo di scambio termico all’interno di cinque diversi sistemi radianti a parete, che differiscono per geometria, struttura, materiali impiegati e modalità realizzative. I sistemi sono oggetto di analisi sperimentali in camera climatica, volte a determinare la potenza termica complessivamente ceduta nel corso delle varie prove condotte in regime stazionario. Parallelamente, per ciascun sistema viene sviluppato un modello bidimensionale a volumi finiti, che viene quindi impiegato all’interno di simulazioni termiche svolte nel software WUFI 2D. Il confronto tra le misure sperimentali e i risultati della modellazione numerica consente di determinare il valore effettivo del coefficiente di scambio termico complessivo tra il fluido termovettore e la parete. L’interpretazione fisica del coefficiente determinato consente di isolare il contributo attribuibile alla sola resistenza di contatto, quantificandone l’impatto sulla prestazione complessiva del sistema. I risultati evidenziano come questo contributo sia trascurabile all’interno di sistemi prefabbricati. Al contrario, per sistemi realizzati in opera la resistenza di contatto comporta una riduzione significativa dello scambio termico e della potenza complessivamente ceduta dall’impianto di riscaldamento.