VENTILAZIONE MECCANICA CONTROLLATA AD ALTA EFFICIENZA

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1 VENTILAZIONE MECCANICA CONTROLLATA AD ALTA EFFICIENZA Vinchiaturo (CB), 30 marzo 2015 Sistemi di ventilazione meccanica controllata Prof. Ing. Pasquale Catalano Dipartimento Agricoltura, Ambiente e Alimenti Università degli Studi del Molise 1

2 GENERALITÀ Tipi e componenti di sistemi di ventilazione Impianti di ventilazione centrali hanno una unità di ventilazione per edificio e sono comunemente utilizzati negli uffici. Il flusso d'aria in ogni stanza può essere controllato per esempio da scatole a volume d'aria variabile. Impianti di ventilazione semi-centrali hanno una unità di ventilazione per ogni zona di costruzione (ad esempio il livello). Impianti di ventilazione decentralizzati hanno un'unità di ventilazione per unità di servizio (ad esempio aula, appartamento). Solitamente l'apporto di aria fresca e lo scarico dell'aria di scarico è decentralizzata pure. Ma l'aspirazione e l'espulsione possono anche essere centrali ed eventualmente coinvolgere ventilatori di supporto. 3 Vantaggi GENERALITÀ Ventilazione centralizzata Semplice manutenzione dei filtri. Funzionamento silenzioso più facile da realizzare Ventilazione decentralizzata Calcolo della portata d'aria semplificato Maggiori difficoltà di dimensionamento, Maggiori difficoltà di regolazione e Svantaggi regolazione e controllo del flusso manutenzione dei filtri d'aria per unità di servizio Gli impianti di ventilazione decentralizzati possono essere utili ad esempio per progetti di ristrutturazione 4 2

3 GENERALITÀ L'utilizzo di recuperatori di calore tratta di strumenti importanti per l'efficienza energetica degli edifici ed è obbligatorio in alcuni paesi. I seguenti tipi di scambiatori di calore sono utilizzati per il recupero del calore di scarto e l efficienza: Scambiatore di calore equi-corrente Scambiatore di calore a flussi incrociati: efficienza pari a ~ 60% - 65% Scambiatore di calore in contro-corrente: efficienza pari a ~ 75% - 80% Scambiatori di calore rotativi: efficienza pari a ~ 75% - 80%, con recupero di calore latente 5 GENERALITÀ Problemi e ostacoli per l'implementazione di sistemi di ventilazione meccanica - compiti per un'attenta pianificazione e acquisti sostenibili: Possibili vantaggi dei sistemi di ventilazione meccanica possono essere trasformati in svantaggi se non si garantisce qualità nella progettazione e nella esecuzione. 6 3

4 GENERALITÀ Per evitare false aspettative devono essere sottolineati i limiti di un sistema di ventilazione meccanica: Gli odori sgradevoli provenienti da fuori di solito non possono essere evitati. In generale, comunque, un ottima qualità dell'aria interna non può essere raggiunta solo mediante sistemi di ventilazione meccanica. È fondamentale evitare sostanze nocive nei prodotti da costruzione, finiture interne, arredamento nonché considerare la possibile presenza di fumo (non solo fumatori: anche ad esempio candele). Tuttavia, un sistema di ventilazione meccanica allevia il problema degli inquinanti interni 7 GENERALITÀ Un sistema di ventilazione meccanica soddisfa solo la domanda igienica di aria fresca ed è e non è un condizionatore d'aria. L'impianto di ventilazione può essere "aggiornato" ad un impianto di condizionamento, ma questo concetto può eventualmente danneggiare l'efficienza energetica complessiva di un edificio. 8 4

5 GENERALITÀ Per ottenere un'elevata efficienza energetica è importante mantenere uno dei principi della fisica applicata all edilizia: prima costruire l edificio in funzione del clima e microclima previsti, quindi definire e regolare gli impianti. In altre parole: la «qualità dell involucro» dell'edificio deve essere molto elevata ed eventuali «inefficienze» non dovrebbero essere compensate da sistemi di aria condizionata. 9 Pianificazione attenta: GENERALITÀ L'efficienza energetica dei sistemi di ventilazione dipende dal recupero del calore e dalla richiesta elettrica dei ventilatori. In particolare l efficienza elettrica del sistema di ventilazione deve essere valutata con molta attenzione, altrimenti il fabbisogno di energia primaria per i ventilatori potrebbe diventare addirittura superiore al risparmio di energia primaria dovuto al recupero di calore. Dunque il cuore di un sistema di ventilazione meccanica controllata diventa il recuperatore di calore 10 5

6 Le Tipologie di Recuperatori La figura mostra un tipico sistema di recupero di calore installato in sistema di ventilazione. Il flusso d'aria fresca viene preriscaldata o preraffreddata (a seconda della stagione) dal l'aria esausta e distribuita nell interno dell edificio. Sia l'aria in uscita che quella in entrata non si mescolano (non c è scambio di massa) ma scambiano soltanto energia termica recuperando (condizione invernale) il calore dall'aria interna prima di essere scaricata all'esterno e riscaldano l'aria in entrata. A volte l'aria in ingresso viene filtrata per ridurre l'incidenza di polline e polvere, mentre l'aria in uscita viene filtrata per proteggere lo scambiatore di calore e i componenti interni. Questo sistema è utilizzato anche in sistemi HVAC di recupero. 11 Le Tipologie di Recuperatori 12 6

7 Le Tipologie di Recuperatori Esistono diversi tipi di sistemi di recupero del calore che consentono sia il recupero del solo calore sensibile sia anche del calore latente (ad es. umidità). Questi ultimi, hanno in genere maggiori esigenze di manutenzione e risultano più costosi dei recuperatori di solo calore sensibile. In particolare, questi sistemi si sono significativamente dimostrati tra i metodi più efficaci in climi freddi. 13 Le Tipologie di Recuperatori Esistono diverse possibili classificazioni di scambiatori di calore basate su diverse caratteristiche: geometria, direzione del flusso, diversi fluidi di lavoro, ecc. La trattazione che segue considera la classificazione basata sulle caratteristiche costruttive dello scambiatore di calore, il cuore del sistema di recupero. 14 7

8 Recuperatori a piastre a flussi incrociati Sono formati da un pacco di piastre parallele (lamiere metalliche in alluminio o in acciaio inox) opportunamente distanziate l una dall altra. Ogni coppia di piastre è sigillata su due lati opposti, in modo da realizzare i canali in cui scorrono i fluidi. I più comuni sono quelli a flussi incrociati, mostrati in figura. Ne esistono anche di piccole dimensioni, soprattutto per usi residenziali, con flussi in perfetta controcorrente per massimizzare lo scambio. 15 Recuperatori a piastre a flussi incrociati VANTAGGI Compattezza Sono adatti a trattare portate di aria elevate Buona efficienza: in condizioni neutre i valori di efficienza sensibile sono uguali circa 0,65 o anche superiori Nessuna contaminazione dell aria (solo in caso di rottura) 16 8

9 Recuperatori a piastre a flussi incrociati SVANTAGGI Perdite di carico elevate Necessità di filtrazione: sono difficili da pulire, perché l accesso è complicato Problemi di condensa sull espulsione: in climi freddi si potrebbero anche rompere a causa del gelo Regolazione solo con by-pass Le canalizzazioni dell aria di rinnovo ed espulsione devono essere vicine 17 I recuperatori a tubi di calore Il moto del fluido avviene per differenza di temperatura e per gravità, senza bisogno di organi meccanici, come invece avviene nei circuiti frigoriferi. Sono formati da contenitori cilindrici sigillati, riempiti da un fluido evaporante (condensante), con funzioni simili a quelle del refrigerante in un circuito frigorifero. Si tratta generalmente di fluidi organici. Nel tubo di calore si distinguono due sezioni, una evaporante e una condensante. Nella sezione evaporante il fluido passa dalla fase liquida a quella vapore sottraendo calore all aria da raffreddare in quella condensante il fluido passa dalla fase liquida a quella vapore cedendo calore all aria da riscaldare. 18 9

10 I recuperatori a tubi di calore 19 I recuperatori a tubi di calore VANTAGGI Compattezza Buona efficienza: in condizioni neutre possono arrivare a valori di efficienza pari a circa 0,7 Nessuna contaminazione dell aria a meno di rottura 20 10

11 I recuperatori a tubi di calore SVANTAGGI Perdite di carico elevate Le canalizzazioni dell aria di rinnovo e espulsione devono essere vicine Costi elevati Poca flessibilità nell'installazione Di difficile regolazione: viene variata l inclinazione dei tubi. 21 I recuperatori a batterie accoppiate (run-around) Sono costituiti da due batterie alettate collegate in circuito chiuso, contenente acqua pura (o glicolata in caso di gelo). Il liquido viene fatto circolare da una pompa e una valvola a tre vie provvede alla regolazione della potenza. a NTU costante, il sistema presenta prestazioni ottimali quando le capacità termiche (flussi) dell'aria e del liquido di scambio sono uguali 22 11

12 I recuperatori a batterie accoppiate (run-around) 23 I recuperatori a batterie accoppiate (run-around) VANTAGGI Nessuna contaminazione dell aria neppure in caso di rottura adatti ad impieghi quali: ospedali, sale operatorie, camere bianche, laboratori, lavorazioni industriali particolari, impianti già esistenti Perdite di carico basse COP elevati Le canalizzazioni dell aria di rinnovo ed espulsione possono essere anche distanti Modulazione continua della potenza 24 12

13 I recuperatori a batterie accoppiate (run-around) SVANTAGGI Scarsa compattezza Efficienza media: dipende dal numero dei ranghi e quindi dalle perdite di carico lato aria. In condizioni neutre può raggiungere il valore 0,5 e aumentando il numero di ranghi si può arrivare a 0,65, ma con aumento delle perdite di carico. 25 I recuperatori rigenerativi (run around coil) Sono costituiti da uno scambiatore a batterie accoppiate inserito a cavallo della batteria fredda. Consentono di regolare (almeno in parte) sia la temperatura che l umidità 26 13

14 I recuperatori rigenerativi (run around coil) In questo modo la potenza per il post-riscaldamento è gratuita. La massima quantità di calore scambiabile tra le batterie 1 e 2 è legata alle condizioni dei punti E e B e all efficienza dello scambiatore, che a sua volta è legato al fattore di by-pass delle batterie. Con un fattore di by-pass della batteria BF pari a 0,1 si può raggiungere un valore di efficienza 0, VANTAGGI I recuperatori rigenerativi (run around coil) Risparmi energetici interessanti Perdite di carico nulle: si usano batterie di scambio già esistenti Ottimo per i retrofit SVANTAGGI Efficienza non sempre accettabile 28 14

15 Il recupero entalpico I recuperatori entalpici sono caratterizzati da scambio sia sensibile che latente. Le versioni più utilizzate sono gli scambiatori a flussi incrociati usati per basse portate di aria, e le ruote entalpiche. Entrambi sono simili per costruzione e caratteristiche ai rispettivi modelli sensibili (materiali permeabili o semi-permeabili). Nei recuperatori entalpici descritti qui di seguito c è sempre trasporto di massa e quindi contaminazione tra il flusso di aria e quello dell aria di rinnovo, quindi vanno evitati dove venga richiesta un assoluta purezza dell aria di rinnovo. 29 Il recupero entalpico 30 15

16 Il recupero entalpico Gli scambiatori a flusso incrociato hanno il pacco di scambio formato da una speciale carta igroscopica, in grado di permettere il movimento delle molecole d acqua dal flusso di aria a maggiore umidità specifica a quello minore. Le ruote entalpiche sono costruite con una matrice di alluminio rivestito di materiale essiccante, in grado di trattenere le molecole di acqua dal flusso di aria caratterizzato da valori maggiori di umidità specifica e trasferirle all altro. Efficienza nel recupero di calore sensibile: 80 % Efficienza nel recupero di calore latente: 65 % 31 I recuperatori rotativi Il Recuperatore rotativo è costituito da un rotore costituito da un materiale permeabile (o semi-permeabile ed eventualmente disidratante) montato in un involucro che opera in modo intermittente tra un fluido caldo e freddo, in modo che l'aria espulsa e l'aria fresca passino alternativamente attraverso ciascuna sezione. La velocità del rotore è relativamente bassa (3-15 rpm). Il rotore si estende su due condotti adiacenti. Un condotto trasporta l'aria di scarico; l'altro trasporta l'aria in ingresso che deve essere riscaldata trasferendo anche l'umidità tra i flussi d'aria in funzione del tipo di materiale. Il Recuperatore rotativo rappresenta una soluzione efficiente per gestire l'umidità trasportata dall'aria di ventilazione o per eliminare l'eccesso di umidità all'interno della camera da ventilare

17 I recuperatori rotativi 33 VANTAGGI I recuperatori rotativi Caratterizzato da un elevatissimo sviluppo superficiale Ottima efficienza: in condizioni neutre possono arrivare a valori di efficienza sensibile pari a circa 0,80 o anche superiori Perdite di carico non elevate Regolazione continua grazie a un sistema di variazione continua della velocità di rotazione o a periodi di on/off variabili Ridotti problemi di formazione di brina grazie alla possibilità di regolare la rotazione del rotore per evitare problemi di formazione di condensa. AiCARR IV. Milano: Editoriale Delfino. 2014, modificato 34 17

18 SVANTAGGI I recuperatori rotativi Contaminazione dell aria: l aria di rinnovo viene a contatto con l aria espulsa Applicazione critica in ospedali, sale operatorie, camere bianche Trafilamento dell aria a causa della bassa velocità di rotazione Necessità di filtrazione anche per preservare le superfici di scambio Le canalizzazioni dell aria di rinnovo ed espulsione devono essere molto vicine AiCARR IV. Milano: Editoriale Delfino. 2014, modificato 35 I recuperatori termodinamici Nei recuperatori termodinamici è presente un ciclo frigorifero per migliorare lo scambio di energia termica tra i due flussi di aria. In questo senso non sono considerati sempre come recuperatori veri e propri (quelli passivi); il consumo energetico proprio dell impianto frigorifero si somma a quello di ventilazione per la movimentazione dell aria attraverso gli scambiatori. I recuperatori termodinamici più diffusi sono: ad espansione diretta a fluido intermedio 36 18

19 I recuperatori termodinamici a espansione diretta Nel funzionamento in raffrescamento lo scambiatore posto nel canale di espulsione lavora come condensatore, mentre quello posto sul canale di presa d aria esterna (rinnovo) lavora come evaporatore. In questo modo l aria espulsa alle condizioni ambiente si riscalda, mentre quella di rinnovo si raffredda. AiCARR IV. Milano: Editoriale Delfino I recuperatori termodinamici a espansione diretta Nel funzionamento in riscaldamento il ciclo frigorifero si inverte: lo scambiatore sull aria di espulsione lavora da evaporatore, mentre quello sul canale di rinnovo lavora da condensatore. In questo modo l aria espulsa alle condizioni ambiente si raffredda, mentre quella di rinnovo si riscalda. AiCARR IV. Milano: Editoriale Delfino

20 I recuperatori termodinamici a espansione diretta VANTAGGI Nessuna contaminazione dell aria, neppure in caso di rottura Perdite di carico basse Compattezza 39 I recuperatori termodinamici a espansione diretta SVANTAGGI Manutenzione: c è un ciclo frigorifero AiCARR IV. Milano: Editoriale Delfino. 2014, modificato 40 20

21 I recuperatori termodinamici a fluido intermedio Una funzione simile a quella del recuperatore termodinamico a espansione diretta può essere realizzata con gruppi frigoriferi acqua - acqua. Il recupero di calore avviene attraverso due batterie di scambio termico collegate con due distinti circuiti idraulici, uno di acqua refrigerata collegato all evaporatore, l altro di acqua calda collegato al condensatore. Viene generalmente utilizzato per grandi installazioni dove vi è una grande variabilità sia dei carichi termici che delle portate di aria di rinnovo in diversi locali di un intero edificio 41 I recuperatori termodinamici a fluido intermedio Funzionamento in riscaldamento Rispetto a un recuperatore termodinamico a espansione diretta, quello a fluido intermedio presenta alcuni vantaggi

22 I recuperatori termodinamici a fluido intermedio Funzionamento in riscaldamento Regolazione della potenza termica erogata più semplice variando la portata dell acqua sulle batterie di scambio e non quella di refrigerante. 43 I recuperatori termodinamici a fluido intermedio Funzionamento in riscaldamento Si ha a disposizione energia termica da sfruttare per altre utenze calde

23 I recuperatori termodinamici a fluido intermedio Funzionamento in riscaldamento Unico circuito idraulico per più UTA, mentre nei recuperatori termodinamici a espansione diretta ogni UTA deve essere dotata di un circuito frigorifero. 45 I recuperatori termodinamici a fluido intermedio Funzionamento in raffrescamento Non conviene mai adottare la soluzione ottenuta invertendo il collegamento dei circuiti idraulici 46 23

24 I recuperatori termodinamici a fluido intermedio Funzionamento in raffrescamento Le batterie poste sul canale di espulsione vengono disattivate. Il circuito idraulico dell evaporatore è in parallelo con il gruppo frigorifero principale a servizio delle batterie fredde delle UTA, mentre quello del condensatore è sulle batterie di post riscaldamento delle UTA e alla produzione di ACS. 47 I recuperatori termodinamici a fluido intermedio VANTAGGI Nessuna contaminazione dell aria neppure in caso di rottura Perdite di carico basse Possibilità di servire più UTA con un unico generatore Regolazione molto semplice Possibilità di recupero di calore per altre utenze calde 48 24

25 I recuperatori termodinamici a fluido intermedio SVANTAGGI COP inferiori a quelli dei sistemi statici Manutenzione: c è uno o più cicli frigoriferi È una tipologia di recupero adatta a particolari utenze di grandi dimensioni, ad esempio quella ospedaliera. Può essere effettuata sia con gruppi frigoriferi tradizionali che polivalenti. 49 Conclusioni La scelta del recuperatore più adatto: Per scegliere correttamente un recuperatore bisogna: definire i valori di temperatura e umidità relativa dell aria da mantenere in ambiente, in ogni condizione di funzionamento definire la tipologia d impianto: tutta aria a portata costante, tutta aria VAV, aria primaria; definire i valori di temperatura e umidità specifica dell aria immessa in ogni condizione di funzionamento, noti i fabbisogni termici dell ambiente; definire la portata di aria da immettere in ogni condizione di funzionamento; 50 25

26 Conclusioni La scelta del recuperatore più adatto: calcolare l energia annua richiesta per il trattamento dell aria, sia sensibile che latente; per far ciò è necessario conoscere bene il clima della località in cui si opera; valutare la possibilità di utilizzo del free cooling diretto; considerare l effetto dell efficienza sensibile e latente delle varie tipologie di recuperatori; calcolare il COP dei recuperatori e del sistema, una volta scelti i generatori; effettuare un analisi energetica ed economica dettagliata sull intera stagione di funzionamento. 51 GRAZIE PER L ATTENZIONE Le opinioni espresse dagli Autori non rispecchiano necessariamente quelle dell Associazione 52 26

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