Impianti di climatizzazione

Università della Calabria

Dipartimento di ingegneria meccanica, energetica e gestionale

Appunti del corso di impianti di climatizzazione

Piofrancesco Barone

Prof. Roberto Bruno Ingegneria Energetica
A.A. 2021/2022
Marzo Pagina 11

Contatti del professore

Prof. Roberto Bruno
Email: roberto.bruno@unical.it
Telefono: 0984/494651
Ufficio: Cubo 44C - piano 3

Concetti preliminari

Rispetto al corso di “Certificazione Energetica degli Edifici”, nel corso “Impianti di climatizzazione” utilizziamo un approccio completamente differente. Tutti i calcoli eseguiti a CEE sono dei calcoli di verifica, infatti abbiamo verificato quanta energia consuma un edificio. In questo corso, invece, faremo dei calcoli di progetto. Il corso di “Impianti di Climatizzazione” serve proprio per imparare a progettare questa tipologia di impianto.

Ci chiediamo quale sia la differenza fondamentale tra il calcolo di verifica e quello di progetto. Nel primo si fa riferimento alle cosiddette condizioni reali, come i dati climatici reali di un determinato sito. Infatti, nei calcoli di verifica bisogna porsi nelle condizioni reali. Nel caso dei calcoli di progetto, le condizioni di riferimento saranno quelle peggiori; allora, non utilizzeremo dati come la temperatura dell’aria esterna gmm, essendo un parametro che si riferisce a dati climatici reali, ma faremo invece riferimento alla cosiddetta temperatura di progetto, così chiamata poiché rappresentativa di una condizione peggiore. Ad esempio, la temperatura di progetto a Cosenza vale -3 °C: andando a dimensionare un impianto di riscaldamento, utilizzeremo questo valore di temperatura, nonostante sia una condizione che non accade spesso (=condizione peggiore). In questo modo l’impianto sarà in grado di mantenere condizioni termoigrometriche di comfort all’interno degli ambienti confinati in tutte le situazioni.

Per ambiente confinato intendiamo un ambiente racchiuso da 6 mura che delimitano un volume ben definito e che bisogna mantenere in una condizione di comfort. In questo corso impareremo a progettare gli impianti di climatizzazione. Volendone definire una banale funzionalità, essi servono a mantenere la temperatura pari a 20 °C in inverno e 26 °C in estate all’interno di un ambiente confinato. Questa è comunque una definizione ormai riduttiva, in quanto l’impianto di climatizzazione svolge un doppio compito.

Innanzitutto non parliamo più di temperatura all’interno di ambienti confinati ma di condizioni termoigrometriche: oltre alla temperatura, gli impianti di condizionamento consentono anche di regolare altri parametri, come ad esempio l’umidità relativa. Nelle condizioni di comfort bisogna garantire una combinazione ottimale di parametri termoigrometrici; generalmente, un impianto di condizionamento deve garantire una precisa coppia di valori di temperatura e di umidità relativa, altrimenti non possiamo dire di essere in condizioni di comfort.

Ad esempio, pur avendo T=20 °C in inverno, se l’umidità relativa è pari al 90%, avremo comunque del discomfort. Anche l’umidità relativa è quindi un parametro con cui dovremo lavorare per assicurare le cosiddette condizioni di comfort termoigrometrico. Come secondo aspetto, dobbiamo garantire la purezza dell’aria che respiriamo all’interno degli ambienti confinati. Negli impianti di climatizzazione, infatti, si deve effettuare sempre un ricambio di aria, ovvero prendere dell’aria esterna (che consideriamo pura) e immetterla all’interno degli ambienti per garantire le condizioni di salubrità, che vanno sempre a incidere positivamente sulle condizioni di comfort.

Problematiche nella climatizzazione

Dovendo garantire i ricambi d’aria, dobbiamo fare attenzione alla potenziale diffusione di agenti patogeni. L’impianto di climatizzazione è importante per prevenire la diffusione dei virus proprio perché abbiamo delle bocchette di estrazione: esse aspirano l’aria contaminata per buttarla fuori dall’ambiente confinato. Molto spesso, però, negli impianti di climatizzazione, parte di questa portata estratta viene nuovamente ricircolata. Ciò è importante perché si garantisce un certo risparmio energetico.

Capiamo bene che dal punto di vista della diffusione dei patogeni questo aspetto è negativo, perché se una generica persona fosse positiva al virus e posizionata vicino alla bocchetta, potenzialmente il virus potrebbe essere trasportato nella stanza accanto a causa del ricircolo, e questo deve essere evitato. Ad oggi, il ricorcolo degli impianti di climatizzazione non è più fattibile. Esistono comunque delle soluzioni che ci permettono di compromettere il risparmio energetico.

Target nella progettazione degli impianti

Quando progettiamo un impianto di climatizzazione abbiamo tre target da raggiungere:

• Risparmio energetico: gli edifici, ad oggi, consumano il 40% della domanda globale di energia. Dobbiamo intraprendere delle azioni che ci permettano di limitare quanto più possibile il consumo di energia da parte degli impianti di climatizzazione. Impareremo appunto quali sono le strategie che ci consentono di avere impianti non energivori (energivoro=qualcosa che consuma molta energia). I riferimenti sono generalmente forniti dalle norme UNI, che sono delle vere e proprie linee guida che consentono ai nostri edifici di rispettare i requisiti minimi in termini di riduzione dei consumi energetici. (UNI serie TS 11300)
• Condizioni di comfort: per dire che un IdC funziona, esso deve mantenere le condizioni di comfort all’interno degli ambienti.
• Qualità dell’aria interna: solo con il nostro metabolismo immettiamo una certa quantità di anidride carbonica, ovvero è un contaminante che va rimosso dall’ambiente. Dovremo fare in modo che tale sostanza venga portata all’esterno e nel contempo si faccia entrare aria esterna che consenta di ottenere un’elevata qualità dell’aria interna.

Questi sono i tre target a cui dovremo pervenire per affermare che il nostro impianto di climatizzazione è stato dimensionato in maniera corretta. La principale problematica sta nel fatto che i tre suddetti aspetti sono tra loro contrastanti: possiamo dimensionare il nostro impianto massimizzando il risparmio energetico, a spese però delle condizioni di comfort, che calano, e viceversa. Ad esempio, per mantenere il risparmio energetico saremmo portati ad abbassare la temperatura impostata al termostato, ma di fatto otterremo condizioni di discomfort.

Molto spesso negli impianti di climatizzazione sarà necessario trovare il compromesso migliore, ovvero una soluzione equilibrata tra risparmio energetico, qualità dell’aria interna e comfort termoigrometrico. Con riferimento al periodo invernale, dimensioneremo un impianto di riscaldamento idronico, mentre per il periodo estivo progetteremo un impianto di tipo aeraulico. La differenza tra i due suddetti impianti sta nel fluido termovettore che viene utilizzato per trasportare il calore: nel primo caso useremo l’acqua, nel secondo caso invece l’aria. Abbiamo due categorie di impianti differenti che si dimensionano secondo criteri differenti e per tale motivo differenzieremo i due progetti.

Altra cosa fondamentale degli IdC è il bilanciamento, da cui non possiamo prescindere: se l’impianto non è bilanciato, esso non funziona correttamente. Inoltre, un altro aspetto importante per un impianto di climatizzazione è il controllo: se un impianto non è controllato in maniera opportuna, i tre suddetti obiettivi non verranno raggiunti, anche se l’impianto stesso è stato progettato bene.

Tipologie di impianti

Il corso si chiama impianti di climatizzazione, ma sarebbe più corretto chiamarlo impianti di condizionamento. Abbiamo infatti delle differenze tra le due tipologie di impianto. Innanzitutto, individuiamo gli impianti di riscaldamento, che sono quelli più semplici. Nel 90% dei casi essi sono impianti idronici e controllano solamente la temperatura degli ambienti, limitatamente al periodo invernale.

Generalmente, un impianto a riscaldamento è quello che utilizza i termosifoni, ed è appunto un impianto idronico. Infatti, il fluido termovettore è acqua, che circola all’interno dei termosifoni stessi. Abbiamo poi gli impianti di climatizzazione, che sono il corrispondente degli impianti di riscaldamento ma riferiti al periodo estivo. Si utilizzano ad esempio dei ventilconvettori per regolare la temperatura nel periodo estivo. Osserviamo che finora abbiamo solo parlato di temperatura.

Gli impianti di condizionamento sono più completi e vengono utilizzati sia nel periodo invernale che nel periodo estivo. Oltre a regolare la temperatura, regolano anche l’umidità relativa e la qualità dell’aria interna. Noi ci specializzeremo su quest’ultima categoria di impianto. Abbiamo poi una casistica “sui generis”, ovvero gli impianti con apparecchi autonomi, anche chiamati sistemi ad espansione diretta, in cui si utilizzano dei terminali chiamati in gergo tecnico “split”. Essi non utilizzano alcun fluido termovettore, ma sono provvisti direttamente di un terminale che provvede a riscaldare o raffreddare l’ambiente. Sono le pompe di calore vendute commercialmente e che non utilizzano alcun fluido termovettore intermedio per riscaldare o raffreddare l’ambiente. Per tale motivo questi impianti vengono chiamati impianti ad espansione diretta.

Nei primi tre impianti il calore o l’energia frigorifera viene trasportata da un fluido termovettore, mentre nell’ultimo non abbiamo un fluido termovettore intermedio. Sappiamo che gli impianti si possono caratterizzare anche in funzione della tipologia di fluido che scorre nei tubi. Quando utilizziamo l’acqua parliamo di impianti idronici: Essi possono essere utilizzati sia per riscaldamento che per la climatizzazione estiva, usando però dei terminali adeguati. I terminali sono dei dispositivi che servono appunto per immettere o sottrarre calore dall’ambiente. È evidente che d’inverno dobbiamo immettere calore per riscaldare l’ambiente, mentre d’estate dobbiamo sottrarre calore per mantenerlo a una temperatura adeguata.

Efficienza e caratteristiche degli impianti

Nel 90% dei casi, con gli impianti idronici controlliamo solamente la temperatura dell’ambiente confinato. Questo è tanto vero quanto più parliamo degli impianti di riscaldamento. In realtà, negli impianti di climatizzazione, con gli impianti idronici riusciamo anche a controllare i carichi latenti. I carichi sensibili sono quei carichi che regolano il valore di temperatura. Dunque, quando parliamo di calore sensibile, ci stiamo riferendo a una potenza termica che è in grado di regolare il valore di temperatura. Il carico latente è invece quella potenza che dobbiamo fornire o sottrarre per regolare il valore dell’umidità. (Sensibile <-> temperatura, latente <-> umidità).

La somma dei due calori fornirà il carico totale, da tenere sotto controllo negli impianti di condizionamento, infatti riusciremo a controllare sia la temperatura che l’umidità. Un’altra limitazione degli impianti idronici è che non riusciamo a effettuare un ricambio dell’aria all’interno degli ambienti. Il ricambio dovrà essere fatto “manualmente”, ad esempio aprendo le finestre.

IAQ= indoor air quality, qualità dell’aria interna. Oltre alla CO2, andiamo a considerare anche altri contaminanti. Ad esempio, negli edifici con l’uso del legno c’è la formazione di formaldeide, che può provocare sensi di disagio alla persona.

Negli impianti idronici possiamo avere differenti tipi di terminale, classificati in base alla temperatura di funzionamento. Ad esempio, i termosifoni sono terminali ad alta temperatura, in quanto, per poter funzionare bene, dobbiamo mandare acqua che sia almeno a 70-75 °C. I fan coil o mobiletti ventilconvettori sono invece terminali a temperatura media, e che quindi possono essere alimentati a temperature più basse rispetto ai termosifoni. Ad esempio, un fan coil funziona in maniera corretta già a 40-45 °C.

La differenza tra un radiatore e un fan coil è che il primo lavora per convezione naturale, mentre il secondo è provvisto di un ventilatore che fa funzionare il dispositivo stesso per convezione forzata. Sappiamo inoltre che la convezione forzata è molto più efficiente della convezione naturale per trasmettere il calore. Un altro vantaggio del fan coil è la sua reversibilità: possiamo usarlo sia d’inverno per riscaldare, che d’estate per raffrescare, ad esempio utilizzando acqua refrigerata a 7 °C.

In estate con il fan coil possiamo fare anche un piccolo controllo dei livelli di umidità relativa, perché sotto al dispositivo troviamo una piccola bacinella in cui si raccoglie acqua di condensa. Tale acqua esce fuori proprio dal fatto che l’umidità presente nell’aria che respiriamo, quando entra all’interno del fan coil, condensa su una superficie fredda (batteria di scambio termico) cambiando fase, da vapore a liquido. Questo liquido è appunto quello che si raccoglie nella bacinella.

Il liquido che si è creato è sinonimo della riduzione di quantità di vapore che c’è all’interno dell’ambiente. L’umidità dipende proprio dalla quantità di vapore che c’è dentro l’ambiente. Quando andiamo a condensare significa che abbassiamo la quantità di vapore che c’è all’interno dell’ambiente.

Come esempio di tecnologia di terminale a bassa temperatura abbiamo i pavimenti radianti. Il calore viene infatti trasmesso prevalentemente per irraggiamento. Bastano 30-35 °C in inverno per poter riscaldare l’impianto, mentre d’estate sono sufficienti 15 °C per raffrescare l’ambiente. Come i radiatori, però, un sistema radiante consente solo il controllo dei carichi sensibili e non di quelli latenti. Potrebbe anche nascere una piccola condensa sul pavimento radiante d’estate, ma, ovviamente, è opportuno non pervenire a queste condizioni.

Gli impianti radianti sono composti da serpentine annegate nel pavimento, ma esistono anche delle configurazioni al soffitto. Se si formasse condensa sul soffitto avremmo problemi di muffa a lungo andare. Queste tipologie di impianti sono sempre dotate di un sistema di controllo automatico che regola la temperatura di alimentazione dell’acqua d’estate proprio per evitare problemi di condensa.

Impianti aeraulici

Se il fluido termovettore è l’aria, allora parliamo di impianti aeraulici: Rispetto agli impianti idronici, in un impianto aeraulico possiamo eseguire sia il controllo dei carichi sensibili che di quelli latenti; inoltre, è possibile fare il controllo della qualità dell’aria interna. Infatti, l’aria viene diffusa attraverso delle bocchette; le portate di aria che attraversano le bocchette stesse hanno delle condizioni di immissione tali da poter effettuare sia un controllo della temperatura che della qualità dell’aria.

Per quanto riguarda il rinnovo dell’aria interna, abbiamo delle norme che in funzione delle caratteristiche del locale - e soprattutto della destinazione d’uso dello stesso - ci impongono delle portate minime di rinnovo da rispettare. In funzione dell’indice di affollamento del locale, garantiremo delle portate di rinnovo più o meno grandi.

Nel caso degli impianti idronici, il fluido termovettore viene distribuito da opportuni tubi, mentre negli impianti aeraulici abbiamo delle canalizzazioni, che possono avere sezioni differenti. Nella maggior parte dei casi abbiamo canalizzazioni a sezione rettangolare, ma sono anche comuni quelle a sezione circolare, che generalmente camminano su un soffitto e vengono coperte da una controsoffittatura. Sono impianti molto invasivi. Anche in fase progettuale dovremo perciò tenere necessariamente conto dell’ingombro che queste canalizzazioni richiederanno durante la fase di installazione.

Negli impianti aeraulici non abbiamo soltanto delle bocchette in cui l’aria viene immessa, ma dobbiamo necessariamente avere altre bocchette, che si chiamano di estrazione, per garantire invece che l’aria contaminata venga espulsa all’esterno. Se esce una certa portata di aria dalle bocchette di immissione, contemporaneamente ci deve essere un’altra portata di aria che deve essere estratta dalle bocchette di estrazione. Questa eguaglianza delle portate è fondamentale perché altrimenti all’interno dell’ambiente avremo effetti di eccessiva sovrapressione o depressione.

In alcuni casi, però, una differenza di portata tra immissione ed estrazione è voluta: immettendo un po’ di più rispetto a quello che andiamo ad estrarre, diremo che l’ambiente andrà in leggera sovrapressione. Si vuole ottenere sovrapressione, ad esempio, negli ospedali: dobbiamo stare attenti che i virus contaminanti esterni non penetrino all’interno degli ambienti. Per fare ciò, si mantiene l’ambiente in leggera sovrapressione. In questo caso dall’ambiente può uscire tutto ma non può entrare niente.

Abbiamo perciò un’altra funzione dell’impianto aeraulico, ovvero garantire un flusso unidirezionale per quanto riguarda contaminanti, batteri, virus, ecc.

Impianti misti

Esistono inoltre gli impianti misti: Possiamo utilizzare la rete idronica per controllare i carichi sensibili, mentre la rete aeraulica per controllare solamente il rinnovo e i carichi latenti. Possiamo avere anche dei casi particolari in cui non abbiamo interesse a controllare l’umidità relativa, quindi la rete idronica gestirà al solito i carichi sensibili, mentre l’impianto aeraulico gestirà la portata di rinnovo. Sono impianti molto articolati e quindi molto costosi, ma che funzionano comunque meglio.