ESEMPI DI PROGETTAZIONE IMPIANTISTICA

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1 Via Roma, 44 Bevilacqua (VR) - ITALIA ESEMPI DI PROGETTAZIONE IMPIANTISTICA ESEMPIO DI PROGETTAZIONE E3 IMPIANTO A VENTILCONVETTORI ED ARIA PRIMARIA

2 INDICE GENERALE 1. Generalità pag Analisi dell utenza ai fini delle scelte impiantistiche pag Parametri di progetto pag Calcolo dei carichi termici estivi ed invernali: analisi dei risultati pag Scelta della tipologia di impianto pag Individuazione dei trattamenti termofisici pag Selezione dei terminali d impianto pag Sistema di distribuzione, ripresa ed espulsione dell aria dimensionamento dei canali pag Selezione del condizionatore centrale pag Dimensionamento delle reti idriche di alimentazione del circuito ventilconvettori, radiatori, batterie pag Dimensionamento centrale termica e frigorifera pag Sistema di regolazione dell impianto pag. 60 Allegato 1 : Trasmittanze delle strutture pag. 63 Allegato 2 : Tabulati di calcolo tabulato 1 : Calcolo dei carichi invernali dell'edificio pag. 68 tabulato 2 : Calcoli dei carichi estivi dell'edificio pag. 74 Indice delle tavole grafiche Tavola T0 Tavola T1 Tavola T2 Tavola T3 Tavola T4 Tavola T5 : schema funzionale generale : rete canalizzazioni e tubazioni piano interrato : rete tubazioni piano terra : rete tubazioni piano primo : rete canalizzazioni piano terra : rete canalizzazioni piano primo 2

3 Indice delle tabelle Tabella 1 : portate di aria esterne (UNI10339) pag. 7 Tabella 2 : ricambi d'aria in m 3 /h per persona pag. 7 Tabella 3 : fattore di by-pass (BF) pag. 13 Tabella 4 : potenza frigorifera e termica richiesta ai ventilconvettori pag. 20 Tabella 5 : livelli di rumorosità accettabili in ambiente pag. 22 Tabella 6 : prestazioni dei ventilconvettori (funzionamento estivo) pag. 24 Tabella 7 : dimensionamento dei ventilconvettori pag. 26 Tabella 8 : caratteristiche delle bocchette di immissione aria pag. 28 Tabella 9 : perdite di carico nei canali di mandata pag. 34 Tabella 10 : portata aria dei condizionatori serie NCT pag. 35 Tabella 11 : caratteristiche delle batterie di scambio termico pag. 36 Tabella 12 : prestazioni di ventilatori pag. 39 Tabella 13 : caratteristiche dei componenti del condizionatore pag. 40 Tabella 14 : dimensionamento di un circuito idrico dei ventilconvettori pag. 51 Tabella 15 : selezione gruppo frigorifero pag. 56 Tabella 16 : coefficiente (E) di espansione dell'acqua pag. 58 Indice delle figure Figura 1 : diagramma delle temperature dei fluidi dell'impianto pag. 11 Figura 2 : trasformazioni estive sul diagramma psicrometrico pag. 14 Figura 3 : trasformazioni invernali sul diagramma psicrometrico pag. 15 Figura 4 : diagramma dimensionamento canali circolari pag. 30 Figura 5 : conversioni di canali circolari in rettangolari equivalenti pag. 31 Figura 6 : coefficiente di perdita di carico concentrata nei canali pag. 32 Figura 7 : dimensioni del condizionatore pag. 43 Figura 8 : diagramma perdite carico tubazioni pag. 46 Figura 9 : coefficiente di perdita di carico concentrata pag. 47 Figura 10 : coefficiente di perdita di carico concentrata pag. 48 Figura 11 : resistenza al passaggio dei fluidi pag. 49 Figura 12 : circuiti a iniezione pag. 50 Figura 13 : schema di regolazione condizionatore centrale pag. 62 3

4 1 GENERALITÀ L'evoluzione della richiesta dell'utenza verso tipologie di impianto di climatizzazione che garantiscano condizioni microclimatiche di benessere soddisfacenti, ha comportato, particolarmente in edifici multipiano con elevato affollamento o comunque soggetti a presenza continua di persone, la necessità di garantire il raggiungimento di alcuni obiettivi altrimenti non conseguibili con tipologie di impianto più semplici quali quella a soli ventilconvettori. Si tratta in particolare di assicurare, le seguenti esigenze: - il rinnovo dell'aria negli ambienti senza necessità di aperture periodiche delle finestre, particolarmente fastidiose nella stagione invernale; - il controllo della purezza dell'aria immessa, tramite adeguata filtrazione dell'aria esterna, aspetto particolarmente importante nelle aree urbane a causa dell'inquinamento atmosferico presente; - la pressurizzazione dell'edificio per ridurre l'infiltrazione di aria esterna non trattata. D'altra parte si é continuato ad utilizzare, come terminale d'ambiente il ventilconvettore in relazione alle ampie possibilità di regolazione della temperatura ambiente che questo apparecchio consente, nonché alle caratteristiche di contenimento degli spazi tecnici occupati e di facilità di trasporto a distanza dei fluidi termovettori rispetto ad altre tipologie impiantistiche (impianti a tutta aria). Si é così assistito ad un notevole sviluppo delle applicazioni di impianti integrati a ventilconvettori con aria primaria; dove i due componenti non operano l'uno indipendente dall'altro, ma interagiscono, tramite opportune regolazioni, in modo da conseguire un controllo contemporaneo e continuo dei parametri rilevanti ai fini del benessere ambientale (temperatura, umidità relativa, velocità e purezza dell'aria, rumorosità). 4

5 2 ANALISI DELL'EDIFICIO AI FINI DELLE SCELTE IMPIANTISTICHE La scelta della soluzione impiantistica da proporre per garantire il raggiungimento di condizioni termico igrometriche di benessere all'interno di un edificio, si basa sull'analisi preliminare di una serie di caratteristiche dell'edificio; le principali sono: - localizzazione (latitudine, altitudine s.l.m.) - orientamento, forma, altezza e vicinanza ad altri edifici - destinazione/i d'uso L'edificio nel quale é previsto di realizzare l'impianto é situato in pianura in una località a 45 gradi di latitudine nord ed e caratterizzato da una forma ad L con il braccio verticale orientato a Nord. La costruzione si sviluppa su due piani fuori terra destinati ad uffici ed un piano seminterrato destinato ad autorimessa e locali tecnici. L'involucro edilizio é realizzato con struttura portante a pilastri e travi in calcestruzzo con pareti di tamponamento in muratura, tramezzature in laterizio e copertura piana. I serramenti sono di tipo metallico con vetro-camera. Il dettaglio delle caratteristiche termofisiche delle principali strutture edilizie impiegate per la realizzazione dell'edificio é riportato nell'allegato 1; i valori di trasmittanza unitaria ivi risultanti sono stati utilizzati nelle successive elaborazioni. La suddivisione dei locali ai vari piani e la relativa numerazione identificativa é riportata nelle tavole grafiche allegate. 5

6 3 PARAMETRI DI PROGETTO Condizioni termico igrometriche esterne Vengono assunte a base di calcolo le condizioni tipiche di Padova (in particolare riferite al mese di Luglio per la situazione estiva) e cioè: Estate: t = 32 C u.r. = 50% Inverno: t = -5 C u.r. = 90% Escursione termica giornaliera 11 C. Condizioni termico igrometriche interne Le condizioni termico igrometriche da utilizzare come dati di progetto vanno fissate tenendo presenti tutta una serie di fattori che determinano, secondo quanto indicato dalle ricerche di Fanger la sensazione di benessere ambientale, quali il tipo di attività svolta mediamente nell'edificio (attività sedentaria d'ufficio), la temperatura media radiante (tmr) delle superfici che racchiudono i vari ambienti (nel caso in esame stante la tipologia delle murature e la non eccessiva quantità di superficie vetrata si può ritenere che la temperatura media radiante sia molto prossima alla temperatura ambiente), il tipo vestiario degli occupanti e la velocità dell'aria negli ambienti. Nella situazione estiva, si ritiene pertanto accettabile mantenere una temperatura interna di 26 C con una umidità relativa variabile dal 40% al 60%, considerando che le persone abbiano vestiti leggeri (0,5 Clo) e la velocità dell'aria non superi i 0,15 m/s. Nella situazione invernale, in presenza di persone con un vestiario più pesante (1,2 Clo) la temperatura interna dovrebbe essere di circa 21 C. Dato però che a termini di legge é imposto il valore di 20 C, non é possibile superare questo limite e pertanto si é costretti consigliare, eventualmente un adeguamento del vestiario (1,5 Clo). Presenza di persone Nei singoli locali é prevista la presenza di persone in proporzione a circa 1 persona ogni 8 m² salvo specifiche esigenze per i locali di riunione. Ai fini delle considerazioni che si andranno ad effettuare di seguito e tenendo conto di quanto espresso riguardo al rinnovo dell'aria, si ricorda che una persona che svolga attività sedentaria produce, nelle condizioni termico-igrometriche estive previste circa 65 Watt di calore sensibile e 70 Watt di calore latente. Nella stagione invernale il carico latente prodotto da ciascuna persona é di circa 45 W, mentre quello sensibile è di 90 W. Il calore sensibile non è comunque considerato ai fini del calcolo. Tassi di ricambio e di infiltrazione dell'aria Il ricambio dell'aria nei locali adibiti ad ufficio o assimilabili, sarà garantito dall'impianto di aria primaria. 6

7 La quantità di aria di rinnovo immessa nei singoli locali può essere valutata in relazione al numero di persone presenti nei singoli ambienti e/o al loro volume e destinazione. Un supporto normativo specifico é dato dalla norma UNI da cui è tratta la tabella 1. Tabella 1 - Portate di aria esterna Volumetria disponibile Caso A Caso B V/n Gs Gs (m 3 /persona) (m 3 /h persona) (m 3 /h persona) < V/3n 2(30 - V/3n) > V = volume lordo del(i) locale(i) (m 3 ); n = numero di persone presenti; Gs = portata volumica specifica di aria esterna. I valori riportati nella colonna "Caso A" si applicano ai locali nei quali é vietato fumare. I valori riportati nella colonna "Caso B" si applicano ai locali nei quali é consentito fumare e ai locali nei quali vengono svolte attività sportive o assimilabili. Per i locali in cui è consentito fumare, necessita fare riferimento alla legge 16/01/2003 n 3 art. 51 (G.U. 20/01/2003) e successiva modifica nella legge n 306 del 31/10/2003 e al D.P.C.M. 23/12/2003. Valori tipici di tassi di ricambio dell'aria derivati dalla pratica progettuale corrente sono raccolti nella tabella 2. Tabella 2 - Ricambi d'aria in m 3 /h per persona (o Volumi ambiente/h) Descrizione dei locali valore ottimale valore minimo (m 3 /h) (m 3 /h) Appartamenti Stanze da bagno 2 Vol/h 1 Vol/h Cucine e gabinetti 3-5 Vol/h 1 Vol/h Banche Istituti di bellezza Laboratori Magazzini deposito 13 8 Farmacia Magazzini di vendita dettaglio Negozio da barbiere Ospedali sale operatorie 100% aria est. Ospedali - stanze degenze Ospedali - infermerie per contagiosi 60 - Ospedali - infermerie per partorienti 65 - Ospedali corsie Ristoranti - caffè Ristoranti - sale da pranzo Sale da cocktail Sale da riunione Stanze d'albergo Teatri Uffici generali Uffici privati Stabilimenti e bagni idroterapici 2 vol/h 2 vol/h 7

8 Si fa osservare che l'adozione di una portata di rinnovo pari a 25 m 3 /h per persona, in locali di altezza consueta (2,8 m) adibiti ad uffici e caratterizzati da indici di affollamento medio corrispondenti a 8 m² per persona, equivale ad un ricambio di 1,1 Vol/h. Con una tale portata, per controbilanciare i carichi sensibili e latenti generati dal singolo occupante, é necessario che questa aria sia immessa in ambiente con un differenziale di temperatura di circa 8 C e con un differenziale di umidità specifica pari a circa 3,3 gr/kg a.s. Nei locali in cui é previsto esclusivamente il riscaldamento invernale ed in quelli in cui non viene immessa direttamente aria primaria, é stata considerata una infiltrazione naturale di aria dall'esterno pari a 0,5 Vol/h. Carichi di illuminazione e per apparati elettrici Per l'illuminazione degli uffici e la dotazione di apparecchiature elettriche é stato ipotizzato un carico elettrico medio distribuito di 15 W/m 2 ; per corridoi ed atri tale carico é ridotto a 8 W/m 2. Nei locali con presenza specifica di carichi elettrici é stata considerata la potenza dissipata dalle apparecchiature effettivamente installate. Schermi alla radiazione solare Per tutte le superfici vetrate é prevista la presenza di schermi interni (veneziane o tende) di colore chiaro, in grado di garantire un coefficiente di ombreggiamento (shading factor) pari a 0,54. Livello di rumorosità All'interno degli ambienti considerati il livello di pressione sonora valutato con filtro in banda A (Lp(A)) non dovrà superare il valore di db(a), in relazione al tipo di ufficio. 8

9 4 CALCOLO DEI CARICHI TERMICI ESTIVI ED INVERNALI : ANALISI DEI RISULTATI Carichi termici estivi Il calcolo dei carichi termici estivi (locale per locale e massimo contemporaneo dell'intero edificio) é stato effettuato mediante il programma MASTER di AERMEC basato sull'impiego delle differenze di temperatura equivalenti e dei fattori di accumulo dei carichi radiativi dovuti all'irraggiamento solare e all'illuminazione. I risultati riepilogativi dei calcoli sono raccolti nei tabulato 2 dell'allegato 2. (pag. 74) Analizzando questi risultati, congiuntamente alla pianta dell'edificio é possibile evidenziare come i locali sui lati ovest ed est dell'ala nord abbiano il massimo carico termico estivo rispettivamente alle ore 17 e alle ore 9. Per l'ala est dell'edificio invece i carichi massimi si verificano rispettivamente alle ore 15 per il lato nord e alle ore 14 per il lato sud. Come rilevabile dal tabulato 2 dell'allegato 2, nel suo complesso l'edificio ha il carico frigorifero massimo contemporaneo per dispersioni sensibili pari a W, che si verifica alle ore 16; alla medesima ora il carico latente risulta di Watt. La variabilità del carico é essenzialmente legata al modificarsi nell'arco della giornata del contributo della radiazione solare incidente sulle diverse pareti ed al progressivo cambiamento della temperatura esterna. L'effetto dei carichi dovuti alle persone ed alle dispersioni elettriche é invece considerato costante nell'arco della giornata. Il funzionamento dell'impianto é stato ipotizzato per 12 ore al giorno. Carichi termici invernali Il calcolo dei carichi termici invernali é stato effettuato mediante il programma MASTER di AERMEC basato sulla norma UNI 7357/74 per il calcolo delle dispersioni termiche con le verifiche previste dalla legge 10/91 (vedi legge 373/76 e successivi decreti di attuazione) per quanto riguarda i coefficienti volumici di dispersione dei singoli locali e dell'intero edificio. I risultati riepilogativi dei calcoli sono raccolti nel tabulato n. 1 dell'allegato 2. (pag. 68) 9

10 5 SCELTA DELLA TIPOLOGIA DI IMPIANTO Alla luce dei risultati dei calcoli si è tenuto conto: - della particolare conformazione dell'edificio caratterizzato da diverse esposizioni; - della non elevata quantità di superfici vetrate per cui non vengono a determinarsi, nelle varie stagioni, situazioni critiche nei riguardi delle dispersioni di calore o delle rientrate per irraggiamento solare; - che non sono disponibili nell'edificio spazi tecnici e passaggi sufficienti per la realizzazione di un impianto a tutta aria; - che la gran parte dell'edificio é adibita ad uffici individuali o collettivi; si indirizza perciò la scelta impiantistica verso un impianto a ventilconvettori a due tubi con aria primaria e inversione stagionale del ciclo di funzionamento. L'impianto di aria primaria svolge le funzioni di ricambio dell'aria negli ambienti, di filtrazione dell'aria esterna, di pressurizzazione dell'edificio e di controllo dell'umidità relativa media interna. Questo controllo é effettuato indirettamente, immettendo in ambiente aria con contenuto di umidità specifica inferiore, rispetto a quello dell'ambiente, di una quantità proporzionale ai carichi latenti interni generati. Naturalmente sarà compito dell'impianto di aria primaria, e specificamente del condizionatore centrale effettuare sull'aria esterna i trattamenti opportuni affinché ciò si possa verificare. Il controllo della temperatura interna nei singoli ambienti é demandato all'impianto a ventilconvettori anche se vi può essere una notevole interazione fra i due impianti in dipendenza della temperatura di immissione dell'aria primaria in ambiente nelle varie stagioni. A questo proposito si riporta in figura 1 il diagramma teorico delle temperature dell'acqua inviata ai ventilconvettori e dell'aria primaria al variare della temperatura esterna. Il concetto espresso da questo schema é quello di avere disponibili due fluidi antagonisti, in grado di poter raffreddare o riscaldare gli ambienti a seconda delle necessità. Nel ciclo invernale i ventilconvettori sono alimentati con acqua calda e dovranno essere in grado di far fronte, nei singoli locali, al carico di dispersione verso l'esterno maggiorato del carico di raffreddamento dovuto all'immissione di aria esterna in condizioni di temperatura inferiore a quella interna di progetto. Locali con carichi interni generati particolarmente rilevanti o caratterizzati da notevole irraggiamento solare, potranno usufruire, a ventilconvettore disattivato dalla termoregolazione ambiente, del potere raffreddante dell'aria primaria. 10

11 Fig. 1 Nel ciclo medio stagionale la temperatura dell'acqua di alimentazione dei ventilconvettori viene abbassata ad un valore di 13 C; nelle condizioni di progetto normalmente previste, lo scambio di calore fra batteria del terminale ed aria ambiente avviene in forma esclusivamente sensibile, senza operare la deumidificazione, che rimane compito dell'aria primaria. Quest'ultima viene inviata in ambiente, possibilmente post-riscaldata, fino a temperatura ambiente. In effetti, anche se teoricamente possibili, situazioni di necessità di riscaldamento dei locali nelle medie stagioni sono piuttosto inconsuete, specialmente se si tiene conto della presenza di carichi interni dovuti alle persone ed alla presenza di apparecchiature elettriche che dissipano calore in ambiente. Fenomeni transitori caratterizzati da brusche diminuzioni di temperatura esterna, possono trovare una compensazione nell'inerzia termica dell'edificio sempre che questo non sia una costruzione estremamente leggera e disperdente (caso questo che contrasterebbe con le vigenti normative sul contenimento dei consumi energetici per il riscaldamento degli edifici). Privilegiando il risparmio energetico piuttosto che il conseguimento di rigorose condizioni termico igrometriche interne (specialmente nei riguardi dell'umidità relativa) si può addirittura pensare a rinunciare al post-riscaldamento medio stagionale dell'aria primaria prevedendo solo una compensazione della temperatura di mandata dell'aria in funzione della temperatura esterna. Tanto più che nei periodi medio stagionali che vanno da metà aprile alla fine di maggio e da Settembre a metà ottobre la temperatura interna può essere fatta variare fra i 20 C e i 26 C senza alcun pregiudizio per le condizioni di benessere ambientale ed a maggior ragione si possono accettare fluttuazioni dal 40% al 60% nel valore dell'umidità relativa. Conserva invece notevole importanza l'assicurare il ricambio e la purezza dell'aria immessa all'interno dell'edificio. Nel ciclo estivo sia l'aria primaria che l'acqua di alimentazione della batteria dei ventilconvettori sono caratterizzate da potere raffreddante e contribuiscono, assieme, a fare fronte al carico frigorifero dell'ambiente. Di questo fatto si deve opportunamente tenere conto nella selezione dei ventilconvettori. 11

12 Si osservi inoltre come l'aria primaria viene immessa costantemente a temperature inferiori a quelle dell'ambiente e questo fatto comporta la necessità, da parte del progettista, di una attenta valutazione del posizionamento e del tipo di dispositivo di immissione da adottare, al fine di evitare reclami da parte degli utenti causati da fastidiose correnti d'aria. Nei vari locali saranno installati terminali ventilconvettori del tipo verticale a pavimento alimentati con un impianto a due tubi e con regolazione di temperatura effettuata tramite termostato ambiente agente sul ventilatore del ventilconvettore e commutazione estiva/invernale. Nei servizi igienici saranno invece installati radiatori per funzionamento in solo riscaldamento, dotati di valvola termostatica di regolazione. Tra le funzioni affidate all'aria primaria, come già anticipato, vi é anche quella di assicurare un certo livello di pressurizzazione degli ambienti per evitare (o ridurre) così le infiltrazioni di aria esterna non trattata. Normalmente si utilizza l'aria ripresa dai locali permanentemente occupati per garantire anche la ventilazione di corridoi e servizi (in particolare se questi ultimi sono ciechi). Considerando che una parte della portata d'aria immessa, corrispondente a circa 0,5 Vol/h dell'intero edificio, venga utilizzata per la pressurizzazione, la rimanente sarà aspirata attraverso i gruppi dei servizi che, nel caso in esame, sono posti ai lati del vano scala centrale di ciascun piano. La ripresa dell'aria dei singoli ambienti avverrà facendo fluire per depressione l'aria verso i corridoi centrali e verso i servizi tramite griglie di transito applicate sulle porte o più semplicemente sollevando le medesime rispetto al pavimento. Nell'uno come nell'altro caso si consiglia di verificare che la velocità dell'aria in corrispondenza al transito non superi il valore di 1,0 m/s, riferita alla sezione netta di passaggio. La portata di aria estratta dai servizi verrà espulsa all'esterno mediante due ventilatori del tipo per installazione diretta su canale (uno per ciascuna colonna di servizi), aventi funzionamento indipendente da quello della centrale di trattamento dell'aria primaria, in modo da assicurare sempre la ventilazione di questi locali. La rimanente parte di aria verrà aspirata tramite apposite griglie installate nei corridoi e ad una rete di canalizzazioni facente capo a due ventilatori del tipo a torrino, installati in copertura ed adeguatamente afonizzati. 12

13 6 INDIVIDUAZIONE DEI TRATTAMENTI TERMOFISICI DELL'ARIA PRIMARIA Si tratta ora di individuare i trattamenti che l'aria esterna dovrà subire per poter essere inviata in ambiente alle condizioni previste e individuate dal diagramma di figura 2. Funzionamento estivo Nel funzionamento estivo, in corrispondenza alle condizioni di progetto, si prevede di inviare in ambiente aria primaria alla temperatura di 20 C, con un contenuto di umidità specifica che assicuri il bilanciamento dei carichi latenti generati e coincidenti, in questo caso, con quelli dovuti alla presenza di persone. Per ottenere questo risultato é necessario disporre di uno scambiatore del tipo a batteria alettata, in grado di raffreddare e deumidificare l'aria esterna. A questo proposito é opportuno richiamare i concetti di "fattore di by-pass" e di "temperatura media superficiale" di una batteria. Il fattore di by-pass é definito come rapporto fra la massa di aria che attraversa la batteria senza subire alcuna trasformazione e la massa totale di aria transitata e dipende dalle caratteristiche costruttive della batteria (quali il numero di ranghi, il diametro e la disposizione dei tubi, il passo e la forma delle alette) e dalla velocità di attraversamento della batteria da parte dell'aria. Superfici molto estese e velocità di attraversamento molto basse consentono un intimo contatto dell'aria con la batteria e quindi maggiori probabilità che si possa ottenere aria uscente a condizioni corrispondenti a quelle medie della superficie della batteria. A titolo orientativo valga la tabella 3 qui di seguito riportata, valida per batterie con geometria sfalsata (quinconce) 60 x 30 mm, con tubazione da 5/8" di diametro e passo delle alette 2,5 mm. Tabella 3 - Fattore di by-pass (BF) Velocità aria frontale m/s Numero di ranghi ,0 0,23 0,09 0,04 2,5 0,27 0,12 0,06 3,0 0,31 0,15 0,09 La temperatura media superficiale di una batteria dipende essenzialmente dalle condizioni di ingresso e uscita del fluido termovettore e dell'aria, oltre che dalle caratteristiche costruttive della batteria stessa. Tale temperatura si individua sul diagramma psicrometrico all'intersezione della curva di saturazione con una qualsiasi retta passante per il punto di ingresso dell'aria nella batteria ed avente inclinazione variabile a seconda del tipo di trattamento effettuato sull'aria. 13

14 Fig. 2 14

15 Fig. 3 15

16 Detta inclinazione cresce man mano che si passa da trattamenti di solo raffreddamento sensibile, caratterizzati da modeste differenze entalpiche fra le condizioni di ingresso e uscita dell'aria dalla batteria, a trattamenti che comportano notevole deumidificazione, caratterizzati da rilevanti differenze entalpiche. Viene formulato qui di seguito un criterio di massima per valutare la fattibilità di determinati trattamenti, (in particolare quelli di raffreddamento e deumidificazione), in relazione alla temperatura dell'acqua refrigerata disponibile oppure per determinare quest'ultimo parametro in funzione delle condizioni che si vogliono ottenere in uscita dalla batteria: - per trattamenti con deumidificazione molto ridotta o nulla e pertanto con salti entalpici ridotti, (tipici dei trattamenti a tutto ricircolo di aria ambiente), la temperatura media della batteria di scambio sarà intermedia fra quelle di ingresso e uscita dell'acqua refrigerata; - per trattamenti con deumidificazioni non molto elevate caratterizzati da salti entalpici medi (tipici dei trattamenti con percentuali di aria esterna inferiori al 30%) la temperatura media della batteria di scambio sarà di 0,5 1,5 C inferiore a quella della temperatura di uscita dell'acqua refrigerata; - per trattamenti con elevata deumidificazione, caratterizzati da salti entalpici rilevanti (tipici dei trattamento con elevato tasso di aria esterna) la temperatura media della batteria di scambio sarà di 0,5 1,5 C superiore alla temperatura di uscita dell'acqua refrigerata. Il caso in esame si identifica proprio con quest'ultima situazione. Noto il calore latente da asportare (10052 Watt), si deve fissare un valore di umidità specifica dell'aria immessa in ambiente che sia ottenibile con il fluido refrigerante disponibile e nelle condizioni operative della batteria di raffreddamento e deumidificazione. Facendo riferimento al diagramma psicrometrico di figura 2, fissate quindi in 7 C e 11 C le temperature di entrata ed uscita dell'acqua dalla batteria ed in 12 C la temperatura media superficiale della stessa (punto R) e in 0,06 il valore del fattore di by-pass (corrispondente ad una batteria a 8 ranghi operante con una velocità di attraversamento di 2,5 m/s), risulta che la temperatura di uscita dell'aria dalla batteria sarà di circa 13 C, cui corrisponde un contenuto di umidità di 9,2 gr/kg a.s. e un contenuto entalpico di 8,4 kcal/kg a.s.. Noto il valore dell'umidità specifica del punto (A) ambiente (26 C con 55% U.R.), che corrisponde a 11,7 gr/kg a.s., si determina immediatamente la portata di aria necessaria in funzione del differenziale di umidità specifica disponibile di 2,5 gr/kg a.s.: Waria = (10052 x 0,86)/[0,595 x 1,2 x 2,5] = 4843 m 3 /h In termini di ricambio aria complessivo tale portata d'aria, arrotondata a 4850 m 3 /h, corrisponde a circa 1,34 Vol/h mentre in termini di ricambio per persona, equivale a circa 35 m 3 /h per persona, superiore al valore minimo richiesto dalla normativa di 25 m 3 /h per persona. Noto il valore dell'entalpia corrispondente all'aria esterna nelle condizioni di progetto (E) si può calcolare inoltre la potenza frigorifera (Pf) massima necessaria in base alla relazione: Pf = Waria x 1,2 x (he - hu) = 4850 x 1,2 x (16,9-8,4)/0,86 = Watt 16

17 Fissato in 4 C il salto termico dell'acqua refrigerata nella batteria, consegue una portata d'acqua necessaria di l/h (3,43 l/s). Avendo stabilito in 20 C la temperatura di minima di immissione dell'aria primaria (punto I), si può agevolmente calcolare la potenza termica necessaria per il post-riscaldamento. Risulta così: Q (post-riscaldamento estivo) = 4850 x 0,35 x (20-13) = Watt Ai fini del calcolo di questa potenza non si é tenuto conto del contributo fornito dal calore generato dal motore elettrico del ventilatore della centrale di trattamento dell'aria. Funzionamento invernale Anche in questa situazione l'aria esterna oltre che a provvedere al ricambio, ha il compito di equilibrare il contenuto igrometrico dell'ambiente controbilanciando gli apporti di calore latente dovuto agli occupanti. Dato però che nelle condizioni di progetto il contenuto di umidità specifica dell'aria esterna é di molto inferiore a quello previsto in ambiente, sarà necessario comunque umidificare l'aria. A tal fine il sistema maggiormente utilizzato nelle applicazioni civili é quello dell'umidificazione per saturazione. Questo processo é assimilabile ad una trasformazione termodinamica di tipo adiabatico e comporta il raffreddamento sensibile dell'aria per compensare il calore latente di vaporizzazione dell'acqua assorbita dall'aria. Il sistema di umidificazione é caratterizzato inoltre da una ben precisa efficienza, definita come il rapporto fra l'incremento di umidità specifica effettivamente ottenuta e quello massimo teorico corrispondente a portare l'aria in condizioni di saturazione (sul diagramma psicrometrico tale efficienza può essere definita dal rapporto dei seguenti DC/DS di figura 3). La temperatura di uscita dell'aria da un sistema di saturazione adiabatico é quindi determinata dal valore della temperatura di ingresso e dall'efficienza del sistema di umidificazione. Quando, come nel caso in esame, si prevede già la presenza di una batteria di post-riscaldamento per il funzionamento estivo, si utilizza la medesima batteria posta a valle del sistema di umidificazione per effettuare anche il post-riscaldamento invernale dell'aria, al fine di immetterla in ambiente in condizioni tali da non dare luogo a fastidi agli occupanti a causa della temperatura eccessivamente bassa. Si fissa in 16 C la temperatura di immissione dell'aria in ambiente. Nel caso in esame viene impiegato un sistema di umidificazione del tipo con superficie evaporante alveolare irrorata, caratterizzato da un efficienza del 60% e alimentazione di acqua mediante ricircolo con pompa e reintegro da acquedotto. 17

18 Note le condizioni di ingresso dell'aria esterna invernale (E) e dell'ambiente (A), si fissa il valore dell'umidità specifica dell'aria in uscita dall'umidificatore in base al differenziale di umidità specifica richiesta per bilanciare il carico latente generato dalla presenza delle persone che, in inverno, é stato calcolato in 6031 Watt e in base alla portata d'aria prevista di 4850 m 3 /h comporta un differenziale di 1,75 gr/kg a.s.. Stabilita l'efficienza del sistema di umidificazione, si può individuare dal diagramma psicrometrico la temperatura di uscita dell'aria dalla batteria di preriscaldamento, che é pari a 20,7 C (punto D di figura 3). La potenza termica della batteria sarà perciò: P (pre-riscaldamento) = 4850 x 0,35 x (20,7 + 5) = Watt Fissata la temperatura dell'acqua entrante in batteria in 75 C, la portata di acqua calda necessaria per il preriscaldamento si calcola considerando il salto termico nella batteria, che normalmente é di 15 C (ma può variare da 10 C a 20 C in relazione a esigenze specifiche). Nel caso in esame risulta così: W (pre-riscaldamento) = (43626 x 0,86) / (75-60) = 2501 l/h (0,69 l/s) Si può così individuare sul diagramma psicrometrico il punto C di uscita dell'aria dal sistema di umidificazione, pari a 14 C e calcolare la potenza per il post-riscaldamento dell'aria fino al valore di 16 C, previsto per l'immissione in ambiente (punto I) : P (post-riscaldamento invernale) = 4850 x 0,35 x (16 14) = 3395 Watt La portata d'acqua necessaria per la batteria di post-riscaldamento invernale é pertanto pari a: W (post-riscaldamento invernale) = (3395 x 0,86) / (75-60) = 195 l/h (0,054 l/s) mentre per la situazione estiva si devono prevedere: W (post-riscaldamento estivo) (11882 x 0,86) / (75-60) = 681 l/h (0,19 l/s) Risulta pertanto confermato essere più vincolante, ai fini del dimensionamento della batteria di post-riscaldamento, il caso estivo. 18

19 7 SELEZIONE DEI TERMINALI DI IMPIANTO Per la selezione dei modelli di ventilconvettori da prevedere vanno tenute in considerazione esigenze ed aspetti a volte tra loro contrastanti e che comunque hanno sempre ripercussioni sul risultato tecnico ed economico dell'impianto; i più importanti parametri di scelta del ventilconvettore sono: a) - la potenzialità resa alle condizioni di progetto; b) - la temperatura dell'acqua di alimentazione; c) - la portata d'acqua di alimentazione; d) - la velocità di funzionamento del ventilatore; e) - la rumorosità; f) - le modalità di installazione. Tutti questi parametri sono fra loro più o meno strettamente collegati; analizziamoli uno ad uno. a) - Potenzialità Come già accennato, ai ventilconvettori di un impianto con aria primaria viene assegnato essenzialmente il compito di controbilanciare i carichi sensibili dispersi nell'ambiente o in esso generati. Nel selezionare i vari modelli si deve tenere in considerazione che l'aria primaria é immessa in condizioni di temperatura diverse da quelle ambientali e anch'essa può apportare o sottrarre carico sensibile all'ambiente. Pertanto, una volta individuato il carico termico sensibile di ogni ambiente, si procede ad identificare la quota di esso da attribuire ai ventilconvettori. Definita con "ta" la temperatura ambiente, "Wa" la portata di aria primaria immessa in ambiente, "tai" e "tae" le temperature di immissione dell'aria primaria nel ciclo invernale nel ciclo estivo, "Qd" e "Qs" i valori massimi del carico per dispersione invernale e del carico sensibile estivo, è possibile determinare i valori minimi di potenzialità termica invernale "Q'i" ed estiva "Q'e" dei ventilconvettori in base alle relazioni: Q'i = Qd + Wa x 0,35 x (ta - tai) Q'e = Qs - Wa x 0,35 x (ta - tae) La tabella 4 riassume i risultati di queste elaborazioni applicate al caso in esame. I valori di potenzialità così individuati vanno considerati come minimi; infatti se da un lato si possono considerare di norma sufficientemente cautelativi dal punto di vista della probabilità del verificarsi delle situazioni di carico termico di progetto, é opportuno comunque mantenere un certo margine di sicurezza, normalmente pari a al 15%, per tenere nel dovuto conto condizioni più gravose di quelle di progetto e la perdita di efficienza che il ventilconvettore subisce nel tempo a causa principalmente dello sporcamento della batteria di scambio termico e delle pale del ventilatore. 19

20 Tabella 4 - Potenza frigorifera e termica richiesta ai ventilconvettori. Locale Portata aria primaria Pot. frigorif. sensibile locale App. frigorif. Aria primaria (estate) Pot. frigorifera sensibile ventilconvettori Potenza termica locale Apporto frigorifero aria primaria (inverno) Potenza termica ventilconvettori N m 3 /h W W W W W W

21 b) - Temperatura del fluido termovettore Naturalmente sia nel funzionamento estivo che in quello invernale si dovranno identificare le rispettive condizioni del fluido termovettore che alimenta il ventilconvettore. La temperatura di ingresso del fluido, é uno dei fattori determinanti per poter definire la potenza termica scambiata dal ventilconvettore. Dall'analisi delle tabelle di selezione si può in sintesi rilevare quanto segue: - un aumento della temperatura dell'acqua refrigerata riduce sia la potenza sensibile che quella latente scambiata dal ventilconvettore nel funzionamento estivo; in particolare, quando la temperatura di alimentazione dell'acqua, é tale che la temperatura media superficiale della batteria di scambio eguaglia o supera quella di rugiada dell'aria entrante, si annulla completamente la potenza scambiata sotto forma latente e non si verifica alcun fenomeno di deumidificazione. (Questa prerogativa viene sfruttata negli impianti con aria primaria per limitare al solo calore sensibile lo scambio di calore del ventilconvettore con l'ambiente); - un aumento della temperatura dell'acqua calda incrementa la potenzialità termica resa dal ventilconvettore nel funzionamento invernale; oltre certi valori (indicativamente di C) vengono tuttavia a determinarsi alcuni fenomeni negativi, quali la tostatura del pulviscolo dell'aria, la tendenza alla stratificazione dell'aria calda, l'umidità eccessivamente bassa dell'aria uscente dal ventilconvettore, la tendenza alla pendolazione della temperatura in ambiente, che sconsigliano il funzionamento in tali condizioni. c) - Portata di acqua di alimentazione Questo parametro determina, a parità di temperatura del fluido entrante, la temperatura media della batteria e quindi incrementi della portata sono sempre favorevoli all'aumento della potenza resa, fatti salvi i limiti di perdita di carico della batteria. É evidente infatti che l'incremento di portata ha una ripercussione immediata sul dimensionamento della rete delle tubazioni e su quello delle pompe di circolazione dell'impianto ed in definitiva sul costo finale dello stesso. In senso opposto invece diminuzioni della portata d'acqua possono essere vantaggiose ai fini della riduzione dei costi di impianto fin tanto che non comportino diminuzioni tali di resa da portare alla scelta di modelli di ventilconvettori di taglia superiore. Ovviamente queste situazioni vanno valutate caso per caso. d) - Velocità di funzionamento del ventilatore Questo parametro ha una influenza apprezzabile sull'entità della potenza termica resa e, nel funzionamento in fase di raffreddamento, anche sulla ripartizione fra le componenti sensibile e latente della potenza scambiata. Nel passaggio dalla velocità massima alla minima la resa termica si riduce indicativamente del 35%. 21

22 Molto rilevante é l'influenza di questo parametro sulla rumorosità di funzionamento del ventilconvettore, con variazioni del livello di potenza sonora emessa, nel passaggio dalla minima alla massima velocità, di db(a) a seconda dei modelli. e) - Rumorosità Il livello di rumorosità del ventilconvettore deve essere compatibile con la destinazione d'uso dell'ambiente in cui esso va installato; si devono pertanto tenere presenti le indicazioni riportate in tabella 5 avendo cura di selezionare la velocità di rotazione nominale del ventilconvettore in funzione del risultato da ottenere, determinando così la portata d'aria dell'apparecchio e di conseguenza anche la sua resa. In molti casi il fattore determinante di scelta diviene proprio la rumorosità e da essa derivano di conseguenza tutte le successive scelte (si pensi ad esempio al dimensionamento di ventilconvettori per camere di albergo di lusso). Tabella 5 - Livelli di rumorosità ambientale accettabili per differenti ambienti DESTINAZIONE DEL LOCALE LIVELLI ACCETTABILI DI RUMORE RC-N NC NR db(a) Studi radiofonici, televisivi e di registrazione Sale da concerto; teatri d'opera Cinematografi; sale per conferenze Residenze: camere da letto Soggiorni Uffici: ad occupazione singola a pianta aperta Aule scolastiche Biblioteche (sale di lettura) Ospedali: camere di degenza laboratori Centri meccanografici Piscine; palestre Grandi magazzini f) - Modalità di installazione dei ventilconvettori Le diverse modalità di installazione dei ventilconvettori possono avere influenza sulle prestazioni finali dell'impianto oltre che sulla scelta di altri componenti, quali ad esempio quelli relativi al tipo di regolazione. Il ventilconvettore può infatti essere installato verticalmente a parete (in vista o mascherato, in versione da incasso), oppure orizzontalmente a soffitto (in vista o in versione da incasso). Con la prima modalità di installazione possono essere utilizzate indifferentemente, sia regolazioni di tipo termostatico ad azione ON/OFF (termostato agente sull'attacco e stacco del ventilatore), sia regolazioni con valvola servocomandata, ad azione ON/OFF o modulante, agente sulla portata di acqua entrante nella batteria del ventilconvettore. 22

23 Unica avvertenza é, nel caso di regolazione ON/OFF, di utilizzare sensori di temperatura posti in ambiente e non sonde installate in aspirazione al ventilconvettore al di sotto della batteria in modo che evitare che, a ventilatore fermo, l'aria a contatto della batteria attraversata dall'acqua refrigerata "cada" sopra il sensore impedendo la ripartenza del ventilconvettori. La seconda modalità di installazione é tipica di edifici ristrutturati, con zone centrali utilizzate per l'installazione in controsoffitto dei nuovi impianti e quindi con mandata e ripresa dell'aria effettuate a soffitto; in questo caso é comunque preferibile adottare la regolazione con valvola, ON/OFF o modulante, che assicura costantemente il flusso d'aria in ambiente, particolarmente importante nel funzionamento invernale per evitare fenomeni di stratificazione. In ogni caso é sempre consigliabile installare il sensore di temperatura in ambiente a quota di circa 1,4 m dal pavimento. Passando ora alla selezione dei singoli ventilconvettori, si farà riferimento alla documentazione tecnica degli apparecchi AERMEC serie FCX, disponibile anche su supporto magnetico, grazie alla quale é possibile individuare esattamente le rese dei vari modelli nelle varie possibili condizioni di funzionamento. La procedura di selezione dei singoli modelli destinati ai vari ambienti non segue quasi mai un andamento univoco ma procede con successivi aggiustamenti e talvolta modifiche delle ipotesi, in modo tale da conseguire la congruenza del risultato rispetto alle esigenze, mantenendo tuttavia uniformità di condizioni di alimentazione per i singoli ventilconvettori. In corrispondenza alle condizioni interne di riferimento, che sono fissate in una temperatura a bulbo secco di 26 C con una umidità relativa del 55%, con una temperatura a bulbo umido di 19,6 C ed una temperatura di rugiada di 16,2 C é sufficiente alimentare il circuito ventilconvettori per ottenere uno scambio di calore praticamente solo sensibile. In ogni caso dovrà comunque essere predisposta una rete di scarico della condensa per fare fronte a situazioni, quali quelle di messa a regime dei locali o di momentaneo aumento dei carichi latenti interni, che potrebbero comunque determinare la formazione di condensa sulla batteria del ventilconvettore. Viene poi fissato il funzionamento dei ventilconvettori normalmente alla velocità media o minima, condizioni queste mediamente accettabili per quanto concerne i limiti imposti dalla rumorosità degli apparecchi e salvo verifica da effettuare caso per caso. Il dimensionamento alla media velocità é consigliabile inoltre in quanto, in situazioni di carico interno o esterno maggiore di quello di progetto, consente di avere a disposizione localmente una riserva di potenza frigorifera o termica, che può essere utile anche in fase di messa a regime della temperatura del locale. L'ultimo parametro che rimane da fissare per procedere alla selezione del modello di ventilconvettore da installare é la portata di acqua di alimentazione. Partendo dall'assunto che detta portata deve risultare la minore possibile compatibilmente con la potenza richiesta, un criterio di dimensionamento può essere quello di fissare portate tali da dare luogo ad un salto termico massimo fisso ed uguale per tutti i ventilconvettori, ove il termine fisso si intende riferito al funzionamento estivo a carico massimo. 23

24 Questa soluzione determina una diversificazione notevole delle portate di acqua da prevedere per i singoli mobiletti e quindi la necessità di effettuare, per ciascun locale una selezione differenziata per ciascuna diversa potenzialità richiesta. Dal punto di vista dell'impegno progettuale questa strada anche se formalmente corretta, raramente viene applicata; si preferisce per quanto possibile, fissare in partenza le portate di acqua per i singoli modelli di ventilconvettori, verificando poi le rese fornite ed intervenendo eventualmente ad aumentare la portata d'acqua in quelle situazioni in cui un tale incremento consente ad esempio di raggiungere la potenza richiesta senza necessità di selezionare un modello di ventilconvettori di taglia superiore. La portata d'acqua che possiamo definire di primo tentativo, può essere fissata in modo tale da dare luogo ad un salto termico dell'acqua, nelle condizioni di progetto, pari a circa 5-6 C: questo valore corrisponde a quello normalmente adottato nella prassi progettuale di questo tipo di impianto. Operando con questo criterio si può innanzi tutto stabilire, per ciascun modello di ventilconvettore, la resa "nominale nelle condizioni di progetto" da confrontare con quella richiesta. A titolo esemplificativo si riporta la tabella 6 valida per il funzionamento estivo. Tabella 6 - Prestazioni dei ventilconvettori (funzionamento estivo) Modello Portata aria Pot. frigorif. sensibile Portata acqua p batteria m 3 /h Watt (l/h) kpa FCX ,17 FCX ,78 FCX ,66 FCX ,73 FCX ,18 FCX ,30 FCX ,10 Condizioni di riferimento: Temperatura aria a bulbo secco : 26,0 C Temperatura aria a bulbo umido : 19,6 C Temperatura ingresso acqua : 13,0 C Velocità di funzionamento : media É possibile, a questo punto identificare con esattezza il modello ed il numero di terminali da installare in ciascun locale dell'edificio per fare fronte ai carichi estivi. Nella quasi totalità degli impianti di questo tipo per ovvie considerazioni di semplificazione e di costo si impiegano le medesime pompe di circolazione sia per il funzionamento estivo che per quello invernale e, trascurando l'incremento di portata dovuto alla minore densità e quindi alla minore perdita di carico del circuito idraulico funzionante con acqua calda, si può considerare che nelle due situazioni, estiva ed invernale, nella rete dei ventilconvettori sostanzialmente circoli la stessa portata di acqua. 24

25 Per poter stabilire quale debba essere la temperatura invernale dell'acqua di alimentazione del circuito ventilconvettori é necessario individuare, per ciascuna delle scelte di abbinamento modello ventilconvettore/portata acqua già effettuate, quale deve essere la temperatura minima dell'acqua che garantisce una potenza termica almeno pari a quella richiesta nel locale in cui l'apparecchio é installato. Fra tutti i valori di temperatura risultanti si sceglierà ovviamente quello massimo, lasciando alla regolazione termostatica il compito di modulare nel tempo, con l'attacco e stacco del ventilatore, la potenza erogata in ambiente. Risulta così che la temperatura minima necessaria é di 39 C, come risulta dalla tabella 7 che sintetizza i dati di partenza ed i risultati delle selezioni effettuate. 25

26 Tabella 7 - Riepilogo dei risultati del dimensionamento dei ventilconvettori Locale Terminale Pot. frigorif. sensib. richiesta Pot. frigorif. sensibile resa Portata acqua Potenza termica richiesta Potenza termica resa Temperatura acqua calda N N x Mod. W W l/h W W C 1 6 x FCX x x FCX x < x FCX x < x FCX x < x FCX x (#) (#) - 7 (#) (#) - 8 (#) (#) - 9 (#) (#) x FCX x < x FCX x < x FCX x < (#) (#) - 14 (#) (#) - 15 (#) (#) - 16 (#) (#) x FCX x < x FCX x < x FCX x < x FCX x < x FCX x < x FCX x < (#) (#) - 24 (#) (#) x FCX x < x FCX x < x FCX x < x FCX x x FCX x x FCX x < x FCX x (#) (#) - 34 (#) (#) - 35 (#) (#) - 36 (#) (#) x FCX x < x FCX x < x FCX x x FCX x < (#) (#) - 42 (#) (#) - 43 (#) (#) - 44 (#) (#) x FCX x < x FCX x < x FCX x < x FCX x < x FCX x < x FCX x < 35 (*) valore minimo necessario; (#) solo riscaldamento con solo predisposizione. 26