Lezioni ed esercitazioni: Design of HVAC system and mechanical equipment

Design of HVAC system and mechanical equipment

Introduzione al corso

Professore: Masoero M. C.
Alunno: Conigliaro C.

Heating Ventilation Air Conditioning

Lo scopo del corso è quello di progettare (Design) sistemi di condizionamento ad aria, con tutti i suoi componenti. Tipicamente questi sistemi sono composti da due categorie:

• Sistemi elettrici: Utilizzano energia elettrica.
• Sistemi meccanici: Lavorano con fluidi (acqua, combustibili, aria, etc).

Il corso si concentrerà sulla metodologia di design degli HVAC system, in modo da poter apprendere più facilmente le tecnologie ad essa connesse. Da un punto di vista didattico, il design di HVAC è un sistema complesso. Esso può produrre acqua calda, acqua fredda, refrigerazione, riscaldamento, controllare l'umidità contenuta dentro l'aria (punto chiave del condizionamento), controllare la qualità dell'aria e la distribuzione di un prodotto creato.

Perché studiare la progettazione di un HVAC system?

Studiare la progettazione di un HVAC system è un buon investimento perché tocca parecchi argomenti, tra cui:

• La sicurezza
• Efficienza energetica
• Maintenance
• Environmental impact

Quando un ingegnere progetta deve avere in testa questi quattro punti, e mai dimenticare il più importante, il budget disponibile.

Cosa può fare un ingegnere esperto?

Un ingegnere che padroneggia il sistema di progettazione può svolgere vari ruoli, quali:

• Engeneering consulting
• System contractor (installers)
• Esco (Energy Service Company)

Esempio di un HVAC system

General structure of HVAC system

Si parla di uno spazio confinato, e il target è quello di avere un soddisfacente IEQ (Indoor Environmental Quality) in vari settori:

• Acustica (che non sarà trattato in questo corso se non nella mitigazione del rumore acustico dell'HVAC)
• Illuminazione (che non sarà trattato in questo corso, se non come sistema interagente con la climatizzazione in quanto fonte di calore)
• Thermal comfort (la chiave di questo corso)
• IAQ (Indoor Air Quality), un sistema complesso costituito da due aspetti fondamentalmente, la percezione olfattiva e la potenziale presenza di contaminanti. Quest'ultimo interessa esclusivamente gli spazi occupati da esseri umani.

Tipologie di sistemi

Local system: Sistema caratterizzato da un'area limitata.
Centralised system: Produzione centralizzata di fluidi termovettori (heat carrier) caldi e freddi. Con fluidi caldi o freddi si indicano fluidi sopra e sotto la temperatura ambiente. La temperatura operativa in inverno nei locali chiusi si aggira intorno ai 20°C mentre in estate intorno ai 26°C. Ragion per cui, qualsiasi fluido sotto i 18°C è considerato "freddo" e qualsiasi fluido sopra i 30°C è considerato "caldo".

L'acqua raffreddata prodotta da macchine refrigeranti è chiamata "water chillers" e si trova ad una temperatura intorno ai 7°C. La ragione per cui si usa una temperatura così bassa non è per il controllo della temperatura, bensì per il controllo dell'umidità (deumidificazione).

Fenomeni di trasmissione del calore

Ogni fenomeno di trasmissione di calore è dominato da tre fattori:

• Differenza di temperatura
• Area di scambio
• Coefficiente di scambio termico

Per scegliere la temperatura operativa dei fluidi caldi/freddi bisogna vedere le caratteristiche della tecnologia che si intende usare per lo scambio di calore.

Cenni sul teleriscaldamento

Il problema di questa tecnologia è la distribuzione di grandi potenze per molti kilometri di distanza dalla centrale. Minore è la differenza di temperatura (between supply and return), maggiori dovrebbero essere le sezioni dei tubi.

Hot water: Acqua liquida con temperatura compresa tra 30-90°C.
SuperHeated water: Acqua liquida con temperatura compresa tra 120-140°C (industrial application).

Tempo fa veniva utilizzato il vapore come fluido termovettore delle reti di riscaldamento. Questa tecnica fu abbandonata successivamente per le problematiche/complicazioni, come:

• Trattamenti delle acque
• Sicurezza: Il generatore di vapore era pressurizzato in un vessel
• Costo: Era necessario ingaggiare un personale qualificato, per il ruolo di controllo, disponibile 24h al giorno.

Indirect "clean" vapor production

Il vapore arriva dalla centrale operativa e viene fatta passare in uno scambiatore insieme a dell'acqua pulita, cedendo il proprio calore e riuscendo a far cambiar fase a quest'ultima, ottenendo così vapore pulito (che si può utilizzare per umidificare l'ambiente).

Trigeneration

Produzione combinata di potenza elettrica, acqua calda e acqua refrigerata.

Componenti dell'impianto

Pipeworks: Questa categoria comprende:

• Pipes (with thermal insulation)
• Pumps
• Valves (for control, hydraulic balancing, safety)
• Expansion vessels

Substation:

• Heat exchangers (Scambiatori di calore)
• Air Handling Unit (AHU, heating and cooling, humidification and dehumidification, filtration etc)

Air Ductwork:

• Ducts (condotti)
• Dampers (serrande, per bilanciamento o sicurezza)
• Fans (ventilatori)

Terminals:

• Water terminals (radiators, radiant floor, fan coil etc.)
• Air terminals (diffusers)

Controls: = Regolazione (da non confondere con regulation che in inglese vuol dire regolamento, legge)

• Temperature control
• Humidity control
• Flowrate control

I controlli possono essere "centralizzati", "localizzati" (a zona) o "individuali".

Realizzazione di un impianto

Soggetti che partecipano al processo di realizzazione

1. The Client: Decide le dimensioni del progetto e le design specification. Può essere privato o pubblico. Quando si parla di persone pubbliche, le restrizioni sono regolate dalle leggi nazionali riguardo il lavoro pubblico.
2. Design team: Tipicamente è composto da architetti, ingegneri strutturali, ingegneri meccanici, ingegneri elettrici, ingegneri energetici, ingegneri geologi, esperti in sicurezza e consulenti (acustici, prevenzionisti del fuoco, illuminotecnici ecc).

Specifiche del design (decise dal client):

• Dati del design
• Tipo di sistema da utilizzare (necessita una interazione con il design team)

Fasi del design

1. Fase preliminare: L'architetto definisce la dimensione della struttura. L'ingegnere meccanico e quello elettrico decidono la tipologia di tecnologie, le dimensioni fisiche necessarie per la potenza richiesta, la taglia del sistema di distribuzione e la posizione approssimativa delle apparecchiature.
2. Fase definitiva: Si stabiliscono le caratteristiche specifiche, tramite tre vie:
   • La prima prevede di passare al design esecutivo, selezionare il costruttore e farlo costruire.
   • La seconda è una selezione diretta del costruttore, che darà vita al design esecutivo e alla costruzione. Quest'ultima soluzione viene chiamata "appalto integrato".
   • La terza viene chiamata "appalto di costruzione e gestione", dove avvengono le operazioni di costruzione e le operazioni contrattuali.

Un punto cruciale di tutto questo sono le operazioni finanziarie, la terza opzione analizzata consiste "nell'appioppare" determinati costi alla ditta costruttrice, con il vantaggio di prendere parte dei ricavi successivamente.

Chi opera nella fase di costruzione?

Tipicamente 3 soggetti:

• The contractor
• The resident engineers (direzione lavori)
• The controllers (collaudatori)

Commissioning

Attualmente non si ha una traduzione perfetta in italiano, è una specie di "collaudo". Il commissioning valuta che il risultato finale sia accettabile dal client. La differenza tra il controllers ed il commissioning, è che il collaudatore valuta la legalità dell'opera, se è stata fatta esattamente come dichiarata sotto tutti gli aspetti, tecnici e monetari. La commissioning agency parte già dalla design phase, quindi controlla tutto, dalla nascita al funzionamento.

Design data

Quali dati bisogna specificare per iniziare il design? Dipende dalla tipologia di locale, se è un edificio abitativo, sicuramente saranno comfort e l'indice di qualità d'aria.

Approfondimento sul "Commissioning"

Il processo di Commissioning, ampiamente diffuso nel mondo anglosassone, è sinteticamente definibile come “un processo di gestione del progetto (nel significato inglese di "project", da non confondere con il più restrittivo "design") per ottenere, verificare e documentare che le prestazioni dell’edificio, degli impianti e degli equipaggiamenti soddisfi obbiettivi e criteri ben definiti”. Il processo di Commissioning, come si vedrà nel seguito, è un processo che accomuna tutta una serie di attività che possono essere ricondotte, di volta in volta, ad attività di controllo qualità e coordinamento in fase di progetto, in fase di appalto, in fase di direzione dei lavori ma anche come attività di verifica taratura e collaudo in fase di consegna dell’opera. Un processo di tale portata, condotto da una struttura autonoma e organizzata, consente di ottenere notevoli vantaggi in termini di tempi e costi, dato che riduce fortemente le probabilità di errore in fase di progetto, coadiuvando i progettisti nel redigere progetti coordinati e coerenti con le aspettative del Committente e coadiuva la Direzione dei Lavori generale nel controllare la qualità dell’opera, non ultimo fornisce un documento consistente, dettagliato e corposo da consegnare all’utilizzatore (spesso il Committente finale) che di fatto costituisce una raccolta organica e coordinata di tutta la documentazione di impianto: dalla “storia” del progetto fino ai disegni as-Built, ai manuali di uso e manutenzione, alle procedure di monitoraggio da adottare per il mantenimento in efficienza del sistema. Il massimo vantaggio che deriva dall’applicazione di un processo di Commissioning si manifesta quando si vogliano delegare alle ditte appaltatrici le progettazioni esecutive; in tal caso infatti il processo garantisce che i vari progetti esecutivi siano coordinati tra loro, e con il progetto architettonico, e soprattutto che essi siano conformi alle aspettative del Committente; tale garanzia riduce fortemente le probabilità di errori in fase di costruzione, di contenziosi e di ritardi nel programma. In tale situazione la nomina di un’Autorità di Commissioning può adeguatamente supplire e sostituire la Direzione dei Lavori per gli impianti. Il processo di Commissioning ha come obbiettivo quello di ottenere un sistema edificio-impianti (nel seguito semplicemente “Sistema”) che raggiunga e soddisfi le Aspettative del Committente Finale sull’Opera (OPR). Considerato che il processo di Commissioning è un approccio innovativo per la cultura italiana, nel seguito si è scelto di utilizzare, a volte, i termini inglesi originari, per consentire a chi lo volesse di trovare agevolmente i riferimenti nella cospicua documentazione disponibile in lingua inglese. Fonte: Wikipedia - http://it.wikipedia.org/wiki/Commissioning

Il comfort

Il comfort termale viene raggiunto in ambienti termicamente moderati.

Thermally severe spaces: Locali dove non è possibile garantire il comfort termico, per esempio le fabbriche, le cucine dei ristoranti, o locali caratterizzati da un forte stress di calore. La teoria del comfort si è evoluta nel tempo, una soddisfacente definizione di comfort è nata anni fa grazie alla teoria di Fanger. Quest'ultima è alla base della legge ISO 7730, adattata in Europa diventando la ISO-EN 7730 e in Italia ISO-EN-UNI 7730.

Il comfort si può suddividere in locale e globale. Il primo indica un'analisi della persona completa che interagisce con l'ambiente che la circonda. I parametri che influenzano il comfort globale sono:

• La temperatura di bulbo secco
• L'umidità relativa dell'aria
• La temperatura media radiante (mean radiant temperature)
• La velocità dell'aria
• Il metabolismo dell'individuo
• La resistenza termica dei vestiti

Questi sei parametri vengono messi in relazione per dar vita a due indici, il PMV (Predicted Mean Vote) ed il PPD (Predicted Percentage of Dissatisfied). L'obbiettivo è avere un PPD minore del 10% e un PMV compreso tra -0.5 e +0.5.

Il discomfort locale invece si manifesta in un dato spazio dove si ha una stratificazione di temperatura (verticale), che comporta temperature diverse nel singolo individuo, lungo l'altezza. Ulteriori cause di discomfort locali sono gli spifferi (movimenti di aria fredda), le hot ceilings (tradotto, soffitti caldi) e le radiant asimmetry (avere un lato del corpo a diversa temperatura rispetto ad un altro, come per esempio avviene davanti ad una finestra).

Tornando al data design

Il PMV ed il PPD sono importanti nella fase di collaudo, ma non nel design. Questo poiché essendo percentuali basate su probabilità, sono rischiose in fase di progettazione. Per cui si fa affidamento a dei limiti imposti sulle sei grandezze citate prime. Si riportano quindi i limiti delle grandezze:

• Temperatura dell'aria:
  • In inverno: 20°C
  • In estate: 26°C
• Umidità relativa: C'è una relazione tra l'umidità relativa e la vitalità, poiché è provato che quando l'umidità relativa è circa il 50% i microorganismi proliferano meno. Alcune tipologie sono più propense a vivere nei climi estremamente umidi ed altre in estremamente secchi.
  • In inverno 45% è accettabile
  • In estate 55% è anche accettabile
  Per i futuri esercizi si considererà il 50%
• Air velocity: Questo parametro è importante solo quando si ha un sistema di ventilazione meccanica, poiché in altre condizioni si avrebbe solo la convezione naturale arrivante dall'esterno (ed è poca). Si setta quindi un valore massimo di velocità. Questo valore limite di velocità dipende dalla tipologia di edificio e dalla condizione di climatizzazione in cui ci si trova (riscaldamento o raffrescamento). Tipicamente, la velocità massima che si considererà è compresa tra 0.1-0.3 m/s.
• Temperatura media radiante: Solitamente non è presente nella lista dei data design. Questo non vuol dire che non sia importante, ma dipende dal livello di isolamento dell'edificio e dal tipo di terminale di riscaldamento. Lo vedremo più avanti.

Dove si sono presi questi valori di riferimento? Dalla UNI 10339

Design data for IAQ

Sources of contamination

La prima operazione è individuare la fonte di inquinamento. Fattori influenzanti:

• Selezione dei materiali.
• Le sigarette sono una grande fonte di inquinamento negli ambienti chiusi, ma è stata risolta mettendo strette regole umanitarie.
• Le apparecchiature tecniche (come fotocopiatrici, stampanti etc).

Ciò che non si possono eliminare sono le emissioni generate dagli occupanti del locale, si possono unicamente effettuare dei ricambi d'aria e delle azioni di filtraggio. L'air change e l'air filtration sono due azioni complementari, non può esserci un filtraggio senza un ricambio d'aria, ma può avvenire il contrario (aprendo per esempio una finestra).

CMV: Controlled Mechanical Ventilation. Elemento controllore dell'aria changes e air filtration. Se si è nella situazione dove una specifica categoria di contaminanti è forzata da qualcosa (per esempio un processo industriale che usa agenti chimici) bisogna stabilire una concentrazione massima di inquinanti. Il problema è quindi specificare la quantità di aria di ricambio ed il sistema di filtraggio.

Air filtration

Dipende da due fattori:

• Tipologia di particolato (polvere o fibre)
• Tipologia fisica (gas, vapore), dove è necessario un controllo dell'odore

Le tecniche per rilevare le tipologie fisiche non interessano per un HVAC, poiché è diretto all'uso di ufficio o locali non speciali. Quindi ci si concentra essenzialmente sulla tipologia di particolato. Per il particolato si fa affidamento ad una classificazione europea, che caratterizza i filtri in base alla grandezza del particolato che viene filtrato. Principali tipologie di filtri:

• HEPA: High Efficiency Particulate Air filters
• ULPA: Ultra Low Penetration Air filters

Queste sono le due tipologie con le migliori prestazioni.

Ricambi d'aria

Vi sono diverse tipologie di ricambi d'aria e possono essere classificate per il volume del flusso d'aria esterna. L'assunzione iniziale è che la qualità dell'aria esterna sia accettabile per esser inserita nell'ambiente considerato. L'unità di misura è il m³/s, una portata volumetrica. Visto che si lavora con piccoli numeri, è comodo utilizzare i L/s, litri al secondo. Un'alternativa è utilizzare i m³/h, che tuttavia non adotteremo.

Se la contaminazione arriva dalle persone, ha senso specificare il ricambio d'aria per persona. Il valore di riferimento tipico adottato è 10 [L/s] per persona. Tornando alla UNI 10339, la tabella 3 specifica i flow rate per le costruzioni non industriali (hotel, ospedali, cinema ecc).

Un altro modo per classificare i ricambi d'aria può essere in funzione dei metri quadri di pavimento. Per esempio, nelle università, il valore risulta essere: ti24. Non esiste una scelta migliore, bisogna cambiare metodo a seconda del problema che si pone.

ACH: Air Changes per Hour, solitamente indicato col simbolo "n".