Impianti di climatizzazione: qualità dell'aria e risparmio energetico

Università degli Studi di Napoli Federico II

Scuola Politecnica e delle Scienze di Base

Dipartimento di Ingegneria Industriale

Corso di Laurea in Ingegneria Meccanica

Classe di laurea L 09

Elaborato di laurea in

QUALITA’ DELL’ARIA

IMPIANTI DI CLIMATIZZAZIONE:

E RISPARMIO ENERGETICO

Relatore: Candidato:

Ch.mo Prof. Ing. Nicola Bianco Leonardo Massaro

N47004582

ANNO ACCADEMICO 2019/2020

Indice

Introduzione ................................................................................................................................ 4

CAPITOLO 1 .............................................................................................................................. 5

Qualità dell’aria negli ambienti indoor ........................................................................................ 5

1.1 Introduzione al problema ...................................................................................................... 5

1.2 Il benessere termoigrometrico ............................................................................................... 5

1.2.1 I sei parametri del benessere termoigrometrico................................................................. 6

1.2.2 Indice di valutazione globale del comfort ........................................................................ 9

1.3 Il discomfort locale ............................................................................................................ 11

1.4 Ottimizzazione dell’IAQ (Indoor Air Quality)...................................................................... 13

CAPITOLO 2 ............................................................................................................................ 15

Gli impianti di climatizzazione .................................................................................................. 15

2.1 Descrizione degli impianti e tipologia.................................................................................. 15

2.2 Impianti a sola aria ............................................................................................................. 17

2.3 Impianti misti aria-acqua .................................................................................................... 19

2.4 Impianti a sola acqua .......................................................................................................... 20

2.5 Impianti ad espansione diretta ............................................................................................. 21

2.5.1 Impianti VRF (variable refrigerant flow) ....................................................................... 21

CAPITOLO 3 ............................................................................................................................ 23

Strategia migliorativa per i sistemi di climatizzazione basata sul tasso di occupazione R .......... 23

3.1 Tasso di occupazione R ...................................................................................................... 24

3.2 Qualità dell’ambiente interno (IEQ) .................................................................................... 26

3.3 Metodi di movimentazione della temperatura dell’aria interna e dell’umidità ......................... 26

3.4 Applicazione in un ufficio................................................................................................... 28

3.4.1. Edificio ed occupazione............................................................................................... 28

3.4.2. Sistema di aria condizionata con la nuova strategia migliorativa..................................... 29

3.5 Risultati del test ................................................................................................................. 32

3.5.1 Indice IEQ................................................................................................................... 32

3.5.2. Capacità di raffreddamento e bilancio termico .............................................................. 33

3.5.3. Efficienza energetica ................................................................................................... 35

3.6. Confronto con la modalità operativa convenzionale ............................................................. 37

3.6.1. Modalità di funzionamento convenzionale .................................................................... 37

3.6.2. Ambiente interno ........................................................................................................ 38

3.6.3. Efficienza energetica del sistema di climatizzazione ...................................................... 39

Conclusioni ................................................................................................................................ 43

2

Bibliografia................................................................................................................................ 44

Elenco delle figure ..................................................................................................................... 45

Elenco delle tabelle .................................................................................................................... 46

3

Introduzione

Nella società odierna le persone trascorrono la maggior parte del loro tempo in ambienti

chiusi, quindi un corretto studio e dimensionamento degli impianti di climatizzazione ricopre

un ruolo di primaria importanza per garantire condizioni di benessere termoigrometrico

ottimali. Pertanto, è opportuno porre la massima attenzione in fase di progettazione su due

aspetti fondamentali legati agli impianti di climatizzazione, ovvero il consumo energetico ed

della qualità dell’aria.

il rispetto, negli ambienti indoor,

mantenere all’interno degli ambienti chiusi

È indispensabile, dunque, le migliori condizioni di

dell’uomo, dato che l’esposizione

comfort possibili per tutelare la salute agli agenti inquinanti

dell’aria rappresenta un rischio per il benessere e la salute degli occupanti e degli ecosistemi.

Da ormai diversi anni vari studi hanno constatato la necessità di creare espedienti al fine di

favorire il risparmio energetico anche mediante agevolazioni e incentivi fiscali in molti Stati

perché il consumo smisurato di energia porta danni non solo da un punto di vista economico,

ma soprattutto ambientale.

L’emissione eccessiva di sostanze inquinanti sta deteriorando l’ambiente in cui viviamo e ne

all’interno delle nostre case e negli

sta modificando il clima; inoltre, i consumi energetici

L’ENEA l’Efficienza

uffici di lavoro sono decisamente elevati. (Agenzia Nazionale per

Energetica) stima che circa un terzo del fabbisogno energetico nazionale è rappresentato dai

consumi dell’edilizia residenziale e che le nostre abitazioni producono attraverso gli impianti

di riscaldamento e condizionamento circa il 25% delle emissioni di anidride carbonica in

Italia. verrà posta l’attenzione sul benessere termoigrometrico negli ambienti

In tale elaborato

indoor, reso possibile mediante l’utilizzo di impianti di climatizzazione; verranno poi descritte

le principali tipologie di impianti in uso ed infine verrà proposta una strategia migliorativa per

un sistema di condizionamento che comporti un risparmio energetico pur garantendo

condizioni dell’ambiente interno adeguate. 4

CAPITOLO 1

Qualità dell’aria negli ambienti indoor

1.1 Introduzione al problema

Vista la situazione di massima emergenza di natura pandemica, dovuta alla diffusione del

virus SARS-CoV-2, gli aspetti connessi alla qualità dell'aria negli ambienti interni e le

conseguenti implicazioni di carattere sanitario, tecnologico ed economico che inevitabilmente

ne scaturiscono, sono diventati ancor di più oggetto di studio da parte dei settori tecnico-

scientifici.

Le persone trascorrono la maggior parte del loro tempo a casa ed il resto del tempo al lavoro,

a scuola, nei ristoranti o in viaggio su mezzi di trasporto pubblici o privati, trovandosi quindi

per circa il 90% o più del loro tempo al chiuso. Nella maggior parte degli edifici, l'ambiente

L’aria all'interno

interno a cui le persone sono esposte può causare effetti negativi sulla salute.

di tali ambienti non è sempre di qualità accettabile, al contrario, essa può contenere sostanze

inquinanti che sono causa di sensazioni di malessere per l'uomo e veicolo idoneo al trasporto

di agenti patogeni potenzialmente pericolosi. Oltre alla diffusione del virus sopracitato, vi

sono diversi fattori, di natura chimica, fisica e biologica, che minacciano di compromettere la

qualità dell’aria negli ambienti interni e possono risultare più o meno pericolosi a seconda

della loro concentrazione e tipologia. Tra i rischi ad essi correlati, molte malattie croniche

quali, ad esempio, asma, allergie e problemi respiratori, che sono fortemente influenzati dalla

dell’aria presente negli ambienti chiusi che frequentiamo abitualmente.

qualità

1.2 Il benessere termoigrometrico

Il comfort termoigrometrico rappresenta la condizione di soddisfacimento che un individuo

Una persona si trova in un’ambiente climaticamente

prova nei riguardi del microclima. L’American Society of Heating,

adeguato quando non sente caldo e non sente freddo.

Refrigerating and Air Conditioning Engineers (ASHRAE,1989) nello standard 62 definì la

qualità dell’aria interna accettabile quando “non siano riscontrabili sostanze inquinanti in

5

concentrazioni pericolose ed in cui la grande maggioranza, 80% o più delle persone presenti,

nelle condizioni di soddisfazione”. L’equilibrio termico del corpo umano dipende dal

si trovi

calore prodotto (funzione del metabolismo) e dal calore scambiato per irraggiamento,

convezione, conduzione ed evaporazione con l’ambiente. L’equazione del bilancio termico

del corpo umano, soggetto ad una prolungata esposizione in un ambiente termicamente

stazionario, è rappresentata dalla seguente equazione, –

M = ± S ± L ± C ± K ± R ± W E 2

dove: M = potenza termica prodotta dal metabolismo (W/m ); S = potenza termica

2

accumulata o ceduta dal corpo (W/m ); L = lavoro meccanico scambiato dal corpo con

2 2

l'esterno (W/m ); C = potenza termica scambiata per convezione (W/m ); K = potenza termica

2 2

scambiata per conduzione (W/m ); R = potenza termica scambiata per irraggiamento (W/m );

2

W = potenza termica scambiata attraverso la respirazione (W/m ); E = potenza termica

2

scambiata per evaporazione e traspirazione (W/m ).

1.2.1 I sei parametri del benessere termoigrometrico

L’equilibrio termico dell’organismo umano è indispensabile, ma non è sufficiente per il

raggiungimento della condizione di benessere termoigrometrico che l’esperto P.O. Fanger

[Fanger,1970] studiò, arrivando alla conclusione che esso dipende d a sei parametri dei quali

legati al comportamento dell’individuo nell’ambiente (parametri soggettivi) e

due sono

quattro dipendono dalle condizioni microclimatiche (parametri ambientali). I parametri

soggettivi sono rappresentati dal metabolismo energetico M e dalla resistenza termica dei

Il metabolismo energetico dipende unicamente dall’attività svolta

vestiti che indossiamo (I cl)

.

dall’individuo dalla quantità di energia potenziale chimica che, prodotta dall’assunzione di

e all’unità di

cibi, si trasforma in energia termica. La potenza metabolica M si riferisce

frequentemente viene misurata tramite l’unità incoerente

2

superficie corporea (W/m ) o più

“met” 2

(1met = 58,2 W/m ). 6

Tabella 1.1 Valori di metabolismo per diverse attività fisiche secondo la norma

UNI EN ISO 7730 del 1997

La resistenza termica dell’abbigliamento dipende dal vestiario che viene indossato, poiché gli

abiti formano una barriera che oppone resistenza agli scambi termici che avvengono per

convezione, conduzione e irraggiamento tra il corpo umano e l’ambiente circostante.

L’unità di misura della resistenza che i capi di vestiario oppongono agli scambi di calore

viene misurata con l’unità incoerente “clo” 2

(1 clo = 0,155 m °C/W). 7

Tabella 1.2 Valori di resistenza termica per diversi tipi di abbigliamento secondo la norma

UNI EN ISO 7730 del 1997

I quattro parametri ambientali sono: la temperatura dell’aria Ta, l’umidità relativa dell’aria

interna Ф, la temperatura media radiante Tmr la velocità dell’aria Va.

e

temperatura dell’aria viene misurata in °C,

In particolare, la rappresenta la temperatura

dell’ambiente attorno alla persona ed è importante ai fini della dispersione di calore per

convezione dall’uomo all’ambiente.

L’umidità relativa dell’aria, invece, si misura in percentuale ed è un parametro che influenza

gli scambi di vapore acqueo tra l’organismo stesso e l’ambiente. Questa è definita dal

rapporto tra il contenuto di vapore acqueo presente nell’aria secca ed il massimo contenuto di

vapore acqueo che questa può contenere (100%).

Quanto alla temperatura media radiante, questa si misura in °C e rappresenta la media delle

temperature delle sei pareti interne di un’ambiente chiuso, costituito da quattro pareti, un

All’interno di un ambiente confinato

pavimento ed un soffitto. il corpo scambia calore per

irraggiamento con le superfici che lo circondano. Quindi la temperatura media radiante

consiste nel semplificare un ambiente radiante complesso riducendolo ad un valore unico di

temperatura. 8

velocità dell’aria si misura

Infine, la in m/s. Questo è un parametro molto importante perché è

strettamente correlato alla qualità dell’aria immessa nell’ambiente confinato e al benessere

termico degli occupanti.

Tabella 1.3 Intervalli di accettabilità dei parametri secondo la norma

UNI EN ISO 7730 del 1997

1.2.2 Indice di valutazione globale del comfort

I parametri che influenzano il comfort termoigrometrico non producono sui diversi individui

le medesime sensazioni, da qui nacque la necessità di sviluppare un metodo empirico che

mettesse in relazione il benessere fisiologico con il funzionamento del corpo umano, al fine di

fornire un indice di valutazione globale del comfort. Lo scienziato danese P.O. Fanger portò

avanti un’indagine sperimentale condotta su 1300 persone per sviluppare lo studio del

comfort termoigrometrico. Egli introdusse un parametro chiamato PVM (Predicted Mean

Vote) in grado di considerare contemporaneamente i quattro parametri ambientali ed i due

soggettivi. Il voto medio previsto rappresenta una funzione matematica che mette in relazione

i sei parametri sovracitati ed esprime il valore medio dei voti di un insieme significativo di

persone su una scala di sensazione termica. Questa sensazione viene misurata tramite una

tabella che indica una scala psicofisica del benessere grazie alla quale siamo in grado di capire

quali sono le sensazioni di una persona, vestita in un determinato modo, che svolge una

9

specifica attività e che si trova in un dato ambiente caratterizzato dalle quattro variabili

ambientali. Tabella 1.4 Scala psicofisica del benessere secondo la norma

UNI EN ISO 7730 del 1997

Analogamente all’indice PMV, introdurre l’indice PPD (Predicted Percentage of

è necessario

Dissatisfied), che sta ad indicare la percentuale di persone insoddisfatte dalle condizioni

climatiche riscontrate.

Figura 1.1 - Voto medio previsto in funzione della percentuale di persone insoddisfatte 10

1.3 Il discomfort locale

I parametri ambientali finora considerati consentono di determinare la condizione di benessere

termoigrometrico provata da un soggetto all’interno di un ambiente. Ciò nonostante, sebbene i

valori medi delle grandezze microclimatiche siano tali da soddisfare le condizioni di

benessere, potrebbe succedere che in alcune zone dell’ambiente tali condizioni non siano

rispettate a causa di disuniformità locali.

Sono in particolare quattro le cause che provocano discomfort locale:

- elevata differenza verticale di temperatura;

- elevata asimmetria della temperatura media radiante;

- pavimento troppo caldo o troppo freddo;

correnti d’aria.

-

L’elevata differenza di temperatura verticale viene misurata considerando la temperatura

all’altezza delle caviglie e all’altezza della testa del soggetto; qualora la differenza di

temperatura tra le due zone del corpo sia elevata, il soggetto proverà una sensazione di

disagio. In particolare, si verifica questa situazione quando la temperatura al livello della testa

risulta superiore alla temperatura avvertita alle caviglie.

Figura 1.2 - Relazione tra la differenza verticale di temperatura e il PPD 11

L’asimmetria della temperatura piana radiante consiste nella differenza tra la temperatura

piana radiante che viene registrata tra due superfici opposte all’interno di un ambiente. Il

soggetto esposto ad una radiazione termica asimmetrica prova una sensazione di disagio

termico, soprattutto se l’asimmetria è dovuta a soffitti caldi piuttosto che pareti fredde.

Figura 1.3 - Percentuale degli insoddisfatti in funzione della temperatura asimmetrica radiante

Il pavimento troppo caldo o troppo freddo provoca, attraverso lo scambio termico che avviene

sulla pianta dei piedi, una disuniformità di temperatura del corpo dell’individuo. Per evitare

sensazioni di disagio dovute ad un’alta o bassa temperatura dei piedi rispetto al resto del

corpo, è necessario che la temperatura del pavimento sia compresa tra i 20°C ed i 30°C.

Figura 1.4 - Relazione tra la temperatura del pavimento e la percentuale di persone insoddisfatte 12

Le correnti d’aria rappresentano una delle cause più frequenti di discomfort locale poiché

possono provocare il raffreddamento indesiderato di alcune parti del corpo. Il rischio di

disagio dovuto alle correnti d&rsq