PREMESSA
Un impianto di condizionamento si propone di raggiungere e mantenere determinate condizioni (termoigrometriche, di qualità dell'aria ecc.) nello spazio trattato; per ottenere questo scopo molti possono essere i tipi di impianto e sta al progettista individuare quello che, di volta in volta, potrà essere il più adatto e soddisfacente. E' necessario, pertanto, conoscere i diversi possibili sistemi per poter scegliere, in accordo con l'utente finale, quello che più e meglio degli altri risolverà il problema.
I fattori che devono essere presi in considerazione sono:
condizioni climatiche dell'ambiente esterno e loro variabilità;
condizioni climatiche interne da raggiungere;
carichi termici e loro variabilità nel tempo e nello spazio;
destinazione d'uso dell'edificio e dei singoli ambienti;
necessità e/o opportunità di un controllo accurato delle condizioni termoigrometriche nei diversi ambienti, tenuto conto delle diverse possibili esposizioni solari dei locali e della variabilità nel tempo dei carichi termici;
particolari situazioni operative ambientali che possano richiedere soluzioni speciali e dedicate al singolo problema;
esigenze in termini di qualità dell'aria;
opportunità o necessità che l'impianto sia in grado di prevedere almeno in alcune zone, al controllo del fumo in caso di incendi;
eventuali problemi di impatto delle tipologie impiantistiche sull'architettura del complesso in esame;
disponibilità di spazi per l'installazione delle macchine dei condotti per l'aria, dei terminali (cassette, ventilconvettori ecc.);
possibilità di facili o, comunque, non distruttivi riadattamenti dell'impianto a nuove e diverse destinazioni d'uso.
Altre caratteristiche, non meno importanti, da considerare sono:
semplicità concettuale;
facilità di installazione;
costi di realizzazione;
affidabilità;
semplicità di manutenzione e di conduzione (gestione) con i minori costi possibili.
PRINCIPALI COMPONENTI
I principali componenti degli impianti di climatizzazione vengono qui succintamentete descritti allo scopo di rendere più agevole la comprensione di quanto si dirà nel seguito. Tutti i componenti devono essere proporzionati e scelti in funzione delle potenzialità calcolate, delle portate d'aria da trattare e convogliare, delle possibilità di una comoda installazione e di una semplice manutenzione, della necessità di non trasmettere vibrazioni e rumore, della necessità di semplice ed efficace taratura e bilanciamento degli impianti e così via.
Unità di trattamento aria
Si tratta di macchine (chiamate anche genericamente condizionatori, unità di trattamento aria - UTA ecc.) costituite da diverse sezioni ognuna delle quali contiene componenti speciali destinati a particolari funzioni: serrande di regolazione della portata d'aria, filtri di diversi tipi ed efficienza, batterie di scambio termico (riscaldamento, raffreddamento), sistemi di umidificazione dell'aria (a spruzzo, a vapore ecc.), ventilatore di mandata, ventilatore di ripresa.
Il ventilatore di ripresa, che può non essere presente negli impianti piccoli o in quelli in cui non è prevista una variazione della portata d'aria esterna immessa, è indispensabile nei grandi impianti nei quali occorre prevedere il recupero di calore dall'aria espulsa o nei casi in cui sia previsto il raffreddamento gratuito (free-cooling) ottenuto con aria esterna la cui portata può, in questi casi, raggiungere un valore pari a quello totale della macchina.
Le serrande per il controllo della portata dell'aria esterna, dell'aria di ricircolo e di quella espulsa sono generalmente motorizzate e fra di loro coniugate; il loro controllo è destinato o a mantenere costante il rapporto aria esterna e di ricircolo o a modificarlo in funzione delle condizioni entalpiche delle due masse d'aria, oppure dallo scopo di mantenere costante un determinato valore di temperatura della miscela delle due masse d'aria, così da rendere possibile l'utilizzo dell'aria esterna per il raffreddamento gratuito. E' bene prevedere, per l'aria esterna, una serranda per la quantità minima richiesta che, quando il ventilatore di mandata funziona, è sempre tutta aperta e un'altra per poterne modulare la portata, come si è appena accennato. La serranda sull'aria di ricircolo deve essere posizionata molto vicino a quella dell'aria esterna minima e si deve cercare di realizzare un'intima miscelazione delle due masse d'aria perché altrimenti, specialmente nella stagione fredda quando, l'aria esterna è a bassa temperatura, si possono creare nel condizionatore due correnti d'aria distinte che, fra l'altro, possono provocare anche inconvenienti alle batterie di preriscaldamento e di raffreddamento, per il pericolo di gelo. E' bene, quindi, cercare di ottenere la migliore miscelazione possibile, cosa che è facilitata dall'impiego di serrande ad alette parallele disposte in maniera tale da indirrizzare una corrente d'aria sull'altra. Si è già visto che le serrande ad alette contrapposte regolano meglio, ma quelle ad alette parallele, se correttamente proporzionate possono dare buoni risultati con il vantaggio di una buona miscelazione. Ai fini di un comodo e preciso bilanciamento delle masse d'aria è necessario prevedere anche una serranda manuale di taratura (che, quindi, rimane sempre aperta nella posizione definita in fase di taratura) a monte delle due serrande di aria esterna minima e di aria di ricircolo.
La sezione filtrante, di grande importanza per garantire una buona qualità dell'aria può essere costituita da piu tipi di filtri in serie: spesso, infatti, si prevedono filtri piani o pieghettati tipo G3 G4 con arrestanza media tra 80% e 90% che fungono da prefiltro per trattenere le particelle più grosse e prolungare, quindi, la vita dei filtri successivi, generalmente a tasche F7 F9 con efficienza di filtrazione media dal 50 all'87%. Per una buona resa della sezione filtrante è necessario:
che tutta la superficie frontale venga investita uniformemente dall'aria già premiscelata nel migliore dei modi;
che davanti alla prima batteria di filtri vi sia uno spazio non inferiore a 1m, privo di ostacoli, allo scopo di ottenere una buona e uniforme ripartizione dell'aria;
che la sezione filtrante sia facilmente accessibile per consentire di effettuare la rimozione di pannelli filtranti intasati e la loro sostituzione con altri nuovi;
prevedere l'installazione di un pressostato differenziale in grado di comunicare tempestivamente l'intasamento del filtro e provvedere cosi alla sua sostituzione prima che la portata d'aria si riduca al di sotto del limite minimo accettabile.
Sezioni filtranti con particolari caratteristiche di efficienza possono essere richieste in impianti speciali (sale operatorie di rianimazione ecc.), comunque, da caldeggiare l'installazione di un filtro a valle del ventilatore anche per impianti normali allo scopo di garantire una buona qualità dell'aria che verrà, poi, immessa in ambiente.
La batteria di preriscaldamento ha principalmente lo scopo di preriscaldare l'aria o per proteggere i componenti a valle o, come più spesso accade nei nostri climi, per rendere possibile l'umidificazione fino ai valori desiderati. Generalmente queste batterie vengono progettate per una velocità di attraversamento di 3 : 3.5 m/s e per un salto di temperatura dell'acqua che vi circola di 15 °C (85 - 70 °C). Esse sono realizzate con tubi in rame e alettatura a pacco in alluminio; il numero di ranghi in genere non è elevato, per cui esse non pongono grandi problemi di installazione; comunque, come per tutti i componenti di un gruppo di trattamento aria, è necessario prevedere, per lo meno un lato della macchina, lo spazio sufficiente per l'estrazione ogni qual volta occorra o per pulirle o per sostituirle.
Alla batteria di raffreddamento e deumidificazione è affidato il buon funzionamento estivo degli impianti di climatizzazione. La batteria sottrae all'aria trattata calore sensibile e calore latente così da renderla idonea a equilibrare i carichi termici ambiente. Non tutta l'aria che attraversa la batteria viene in contatto intimo con i tubi e l'alettatura, per cui si parla di by-pass che può variare dal 30% per una batteria a 4 ranghi e velocità (sulla sezione frontale) di 2,5 - 3,5 m/s fino a un valore inferiore al 2% per batteria a 8 ranghi e velocità di 1,5 m/s. Di ciò occorre tener conto sia nel proporzionare la batteria di raffreddamento sia nel determinare la portata d'aria che e, evidentemente, funzione della sua temperatura di immissione in ambiente. Queste batterie vengono, generalmente, scelte per una velocità frontale di 2,5 m/s, che si ritiene la più adatta per evitare che vi possa essere trascinamento di goccioline d'acqua a valle con possibile successiva rievaporazione nella corrente d'aria, rendendo cosi vano il processo di deumidificazione. Spesso si impiegano separatori inerziali di gocce proprio allo scopo di evitare il suddescritto fenomeno. Il materiale da impiegarsi per la costruzione di queste batterie è il rame sia per i tubi sia per l'alettatura (che vanno poi stagnate a bagno), per evitare l'innesco di fenomeni di corrosione elettrochimica nel caso di materiali diversi (rame e alluminio) visto che la batteria è bagnata a seguito della condensazione del vapor d'acqua contenuto nell'aria. Considerate le dimensioni e il peso che queste batterie assumono (6/8 ranghi con fitta alettatura) è necessario prevedere nei condizionatori slitte di appoggio onde poterle inserire e sfilare con un minimo di semplicità.
La batteria di postriscaldamento si prevede in tutti quegli impianti in cui occorra un controllo fine della temperatura e dell'umidità relativa: laboratori, aree di cura ecc. Il suo impiego nel funzionamento estivo deve, però, essere limitato al minimo per ovvie considerazioni energetiche. Nel periodo invernale la batteria di postriscaldamento è necessaria per fornire all'aria l'energia sufficiente per far fronte alle dispersioni dell'ambiente e mantenere così le temperature di progetto. Le caratteri stiche costruttive sono simili a quelle delle batterie di preriscaldamento.
La sezione di umidificazione, prevista per fornire all'aria la quantità di vapor d'acqua necessaria per renderla atta a mantenere negli ambienti il richiesto grado di umidità relativa, può essere di diversi tipi. Nel caso di impianti con modesto apporto di aria esterna (la cui portata oraria determina la portata di acqua da immettere nella corrente d'aria) può essere sufficiente una batteria di ugelli per spruzzare poca acqua in controcorrente nell'aria; nel caso, invece, di grandi portate d'aria esterna o in impianti con tutta aria esterna la sezione di umidificazione assume un'importanza notevole. In questo ultimo caso il problema si può risolvere con diversi sistemi:
Semplice o doppio banco di ugelli nebulizzatori ai quali viene inviata acqua che una pompa attinge dalla vasca di raccolta sottostante; la portata della pompa, perché abbia una buona efficienza, deve essere pari a: q=0.8 V dove: q = portata della pompa in L/h V = portata d'aria del condizionatore in m/h Ciò significa, per esempio, che per un condizionatore avente una portata di 10.000 m/h la portata della pompa di umidificazione dovrà essere per lo meno eguale a 8000 L/h. A valle del banco di ugelli deve essere sempre previsto un separatore inerziale di gocce.
Sistema a pacco con pannello evaporante in cellulosa sul quale viene fatta scorrere acqua, mentre l'aria attraversa il pannello;I
Iniezione di vapore direttamente nella corrente d'aria. Il vapore può essere prodotto localmente a mezzo di energia elettrica, oppure centralmente con caldaia a vapore e poi distribuito alle diverse UTA;
Sistemi a ultrasuoni, che utilizzano trasduttori piezoelettrici immersi in acqua demineralizzata;
Sistemi con aria compressa.
L'attuale tendenza, anche per scongiurare qualsiasi pericolo di legionellosi, è quello di impiegare esclusivamente sistemi di umidificazione a vapore. Nel caso di aria con ridotto contenuto di acqua (per esempio aria esterna), poiché non è possibile aggiungere acqua ad aria satura, è necessario ricorrere a un preririscaldamento alla successiva umidificazione che si suppone adiabatica e isoentropicaca) e al postriscaldamento finale fino a un valore di temperatura adeguato all'ambiente e all'impianto che si ha in esame.
ll ventilatore di mandata potrà essere centrifugo (a semplice o a doppia aspirazione), assiale (a pale fisse o con pale orientabili con macchina in moto) ece. Con i ventilatori centrifughi si prevede quasi sempre una trasmissione a mezzo cinghie trapezoidali e pulegge. Il motore è in costruzione B3, classe "F" protezione IP55. Il tutto poggia su un basamento in profilati montati su supporti antivibranti a molla o in gomma. Sulla bocca premente del ventilatore è posto un giunto antivibrante costituito da un telaio in alluminio e tela autoestinguente e imputrescibile.
Sistemi di adduzione e distribuzione dell'aria
I sistemi di distribuzione dell'aria sono costituiti dai canali di mandata, ripresa ed espulsione dell'aria e dai terminali in ambiente. I canali costituiscono uno dei componenti più ingombranti e difficili da ubicare negli edifici e, pertanto, è sempre necessaria una stretta collaborazione con i progettisti edili per risolvere insiemi i molteplici problemi che si incontrano: ingombri, passaggi verticali, orizzontali ecc. Per quanto riguarda i terminali si va dalle bocchette, diffusori, griglie (a parete, a soffitto, a pavimento), ai mobili ventilconvettori (a parete o in controsoffitto), ai condizionatori a induzione, alle cassette miscelatrici (impianti a doppio condotto), alle cassette con variazione della portata (impianti a portata variabile), ai terminali con ventilatore (fan assisted VAV boxes) ecc.
Sistemi di produzione e distribuzione dell'energia
Gli impianti di climatizzazione sono completati dagli impianti per la produzione dell'energia occorrente: centrali termiche, centrali frigorifere, con tutti i loro componenti. I diversi tipi e sistemi, una volta determinate le potenzialità necessarie, vengono scelti e definiti sulla base di diverse considerazioni economiche, di disponibilità delle fonti energetiche delle esigenze di protezione dell'ambiente, degli spazi disponibili ecc.
Si va, pertanto, dalle semplici centrali termofrigorifere agli impianti di recupero del calore, agli accumuli di freddo e/o di caldo, agli impianti di cogenerazione, agli impianti centralizzati di produzione e distribuzione (teleriscaldamento, teleraffreddamento) ecc.