SISTEMI DI RISCALDAMENTO E RAFFRESCAMENTO PER IL SETTORE TERZIARIO. Principi Base a Uso e Consumo del Cliente

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1 SISTEMI DI RISCALDAMENTO E RAFFRESCAMENTO PER IL SETTORE TERZIARIO Principi Base a Uso e Consumo del Cliente 1

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3 Argomenti trattati Bibliografia Impianti Termici e Comfort Impianti Termici Decentralizzati Impianti Termici Centralizzati Impianti a Tutt Aria Impianti ad Aria con Terminal In-Room Pannelli Radianti 3

4 Bibliografia 2008 ASHRAE Handbook: HVAC Systems and Equipment, ASHRAE Research Y.A. Cengel, M.A. Boles, Thermodynamics: an Engineering Approach, McGraw-Hill, 2008 Input Output Reference: The Encyclopedic Reference to EnergyPlus Input and Output,

5 Impianti Termici e Comfort Thermal Comfort is that condition of mind which expresses satisfaction with the thermal environment. (ASHRAE Standard 55) Nessun sistema HVAC è completamente soddisfacente a meno che i tre parametri principali che controllano lo scambio termico tra il corpo umano e l ambiente circostante (irraggiamento, convezione, evaporazione) siano in condizione di neutralità termica. 5

6 IMPIANTI TERMICI DECENTRALIZZATI: INTRODUZIONE I sistemi decentralizzati possono essere costituiti da una o più unità HVAC, con unità di riscaldamento, condizionamento e di ventilazione a immissione diretta o indiretta di aria esterna, integrati nel medesimo blocco. Condizionatori monoblocco a finestra Condizionatori monoblocco a parete Pompe di calore condensate ad aria Pompe di calore condensate ad acqua Sistemi split 6

7 Sistemi con pompa di calore (HP) condensata ad acqua: introduzione Caratteristiche Generali Usano molteplici unità di riscaldamento e condizionamento distribuite attraverso l intera porzione di edificio servita. La ventilazione con aria esterna (di rinnovo) richiede l utilizzo di un sistema di ventilazione ad hoc. Sono pensati per riscaldare e raffrescare una o più stanze raggruppate in zone. Le pompe di calore ad acqua richiedono una sub-unità esterna di espulsione del calore (es. torre evaporativa). Può essere necessaria l installazione di un generatore di calore supplementare. Problemi potenziali Il consumo di energia può essere relativamente alto se confrontato con altri sistemi. L immissione di aria esterna nella zona servita può causare problemi. L umidificazione, se richiesta, è fornita da sistema supplementare. Richiede manutenzione periodica per garantire l efficienza del sistema. 7

8 Sistemi con pompa di calore (HP) condensata ad acqua: una visione più tecnica UnaHPestraecaloredaunasorgentea bassa temperatura per poi trasferirlo in un ambiente a più alta temperatura: Anche se le componenti che rendono possibile la refrigerazione sono esse stesse parte di una pompa di calore (il ciclo termodinamico è lo stesso, anche se inverso), la definizione di cui sopra vale per il solo ciclo di riscaldamento. Le pompe di calore reversibili possono alternativamente riscaldare o raffrescare un ambiente. La gran parte dei compressori disponibili sul mercato sono alimentati a elettricità e possono essere o monostadio o multistadio Cicli delle HP di piccola taglia Ciclo chiuso a compressione di vapore: usa un ciclo di refrigerazione separato. Ciclo a ricompressione meccanica del vapore con scambiatore di calore: il vapore viene compresso a temperatura e pressione sufficienti per poter essere riutilizzato direttamente nel processo. Controllo È importante verificare che il termostato di zona sia sincronizzato col sistema di ventilazione, in modo tale da garantire la contemporaneità delle operazioni di funzionamento. 8

9 Sistemi Split per residenze o piccole attività commerciali Caratteristiche Generali Un sistema split consta di uno o più terminali di distribuzione dell aria a controllo remoto accoppiati ad unità condensante esterna. Il condensatore può essere raffreddato ad acqua o ad aria. L alimentazione lato riscaldamento è generalmente elettrica oagas,mentreil condizionamento è a espansione diretta (ma può anche essere ad acqua refrigerata). Controllo Il controllo del compressore può essere mono o bi-velocità o modulante. Le operazioni a flusso d aria variabile sono possibili con valvola di bypass. 9

10 IMPIANTI TERMICI CENTRALIZZATI: INTRODUZIONE Gli impianti centralizzati producono acqua refrigerata, acqua calda, o vapore in un unica centrale, e servono le unità di uno o più edifici insieme. Peculiarità: Grande potenza di condizionamento e/o riscaldamento installata e concentrata in un unico generatore o, in alternativa, in molteplici generatori di taglia più piccola posti in serie o in parallelo tra loro. Diversi sistemi con diversi tipi di alimentazione possono coesistere in un singolo impianto. Problemi comuni Sistemi e subsistemi possono non essere istantaneamente disponibili, con tempi lunghi per la produzione e la successiva erogazione del fluido termovettore. Gli impianti sono più complessi di quelli decentralizzati, La logica dei sistemi di controllo può essere molto complessa. 10

11 Quali sono i macchinari principali degli impianti termici centralizzati? Macchinari per il Raffrescamento Due categorie principali: Chiller a compressione di vapore. Il compressore può essere: reciproco, a vite o centrifugo. Chiller ad assorbimento. Si distinguono tra a singolo e a doppio effetto. Le torri di raffreddamento, i condensatori raffreddati ad aria, quelli evaporativi, o una combinazione tra gli stessi, sono necessari per espellere il calore dai macchinari. Macchinari per il Riscaldamento Un generatore di calore riscalda il fluido termovettore, che viene poi distribuito attraverso tutto l edificio. Il fluido termovettore può essere acqua o vapore. L energia usata dal generatore di calore può provenire elettricità, gas, gasolio, carbone ecc. 11

12 IMPIANTI A TUTT ARIA: INTRODUZIONE Il concetto basilare di funzionamento di un sistema tutt aria è quello di erogare aria a condizioni tali per cui i carichi termici sensibili e latenti presenti in un ambiente vengano assorbiti dall aria immessa, ricreando le condizioni ambientali desiderate. Due i meccanismi utilizzabili per raggiungere lo scopo: Far variare il volume d aria immessa nella zona. Far variare la temperatura dell aria immessa nella zona Problemi comuni Il malfunzionamento o la rottura di un qualsiasi componente di un impianto a tutt aria, dal ventilatore a una valvola di controllo, si ripercuote su tutte le zone servite da quella unità. Le azioni di controllo, soprattutto su sistemi di grandi dimensioni, possono essere estremamente difficoltose. 12

13 Quali sono i macchinari principali degli impianti Tutt Aria? Macchinari per il Raffrescamento Il raffrescamento può essere garantito sia attraverso unità centralizzate che decentralizzate. La maggior parte dei sistemi di grande dimensioni che contano diverse unità di trattamento d aria fanno capo a un unico impianto termico centralizzato. Unità di trattamento d aria di piccole dimensioni possono: impiegare acqua refrigerata erogata da impianti frigoriferi centralizzati. Usare il raffreddamento a espansione diretta con un sistema di condensazione centralizzato. Essere raffreddati ad aria. Macchinari per il Riscaldamento Gli stessi criteri descritti per i sistemi di raffrescamento sono validi per quelli di riscaldamento. 13

14 Impianti Tutt Aria: Temperatura dell Aria Vs. Quantità d Aria Raffrescamento La relazione che sussiste tra differenza di temperatura ΔT e quantità d aria (in volumi) è approssimativamente lineare e inversa: raddoppiando il ΔT, si dimezza la quantità d aria necessaria. Per una temperatura interna desiderata di 24 C, un tipico impianto tutt aria viene generalmente concepito per immettere aria nella zona servita a 13 C. In impianti ad aria fredda, la temperatura di immissione dell aria viene portata significativamente al di sotto dei 13 C, nel tentativo di ridurre le dimensioni di condutture e ventilatori Vantaggi dei sistemi ad aria fredda I vantaggi dei sistemi ad aria fredda includono minori livelli di umidità nelle zone servite e minor consumi per la distribuzione (ventilatori). Svantaggi dei sistemi ad aria fredda Il consumo energetico complessivo può aumentare. 14

15 IMPIANTI AD ARIA CON TERMINALI IN-ROOM: INTRODUZIONE I sistemi con terminali In-Room possono essere concepiti per la copertura totale dei carichi sensibile e latente per i periodi invernale ed estivo. Tuttavia la maggior parte di questi sistemi funzionano al meglio se accoppiati a un sistema centralizzato di ventilazione. Lato riscaldamento, possono impiegare acqua calda, vapore o corrente elettrica. Il raffrescamento può essere garantito alternativamente attraverso espansione diretta o acqua refrigerata. Problemi comuni Necessitano di molti sistemi di controllo se confrontati con impianti tutt aria. Il flusso d aria immesso nell ambiente è generalmente costante e non prevede alcun tipo di fornitura allo spegnimento. Acqua refrigerata a temperatura molto bassa è necessaria per controllare il tasso di umidità in maniera adeguata all interno di un ambiente. 15

16 Impianti ad Aria con Terminali In-Room: Ventilazione Centralizzata Con Ventilazione Centralizzata I terminali provvedono unicamente alla copertura dei carichi termici sensibile e latente per i periodi invernale ed estivo. La ventilazione è garantita attraverso un impianto di canalizzazione separato. Senza Ventilazione Centralizzata Richiede maggiore potenza termica per riscaldare o raffrescare l aria di rinnovo destinata all ambiente servito. Generalmente, l aria di rinnovo erogata da un impianto di ventilazione centralizzato si definisce «primaria» per distinguerla da quella di ricircolo. La quantità di aria primaria viene determinata sulla base de: Quantità di aria di rinnovo imposta dai vincoli di progetto. La potenza di picco per il raffrescamento sensibile di zona. 16

17 Impianti ad Aria con Terminali In-Room: Distribuzione delle Condutture Per unità terminali ad acqua calda e/o acqua refrigerata, il tipo di distribuzione del fluido termovettore ne determina prestazioni, costi iniziali del sistema, semplicità di messa in opera e di funzionamento. Sistema di riscaldamento con distribuzione a due tubi Distribuzione a quattro tubi Ha tubazioni dedicate di mandata e di ritorno per l acqua calda e refrigerata. Condizionamento e riscaldamento sono disponibili nel corso di tutto l anno. Nessuna necessità di conversione del sistema tra estate e inverno. Distribuzione a due tubi Acqua calda e refrigerata vengono fornite al terminale alternativamente attraverso la stessa conduttura. La conversione del sistema avviene al raggiungimento di una determinata temperatura di set-point. 17

18 Impianti ad Aria con Terminali In-Room: I Fan-Coil Possono sia riscaldare che raffrescare. Generalmente l aria viene immessa nella zona attraverso convezione forzata. Può introdurre aria di rinnovo per la ventilazione. Generalmente ciascuna unità viene controllata individualmente attraverso un termostato integrato. I requisiti per la ventilazione Le unità fan-coil possono garantire la ventilazione o attraverso apposito foro nella parete esterna o mediante sistema centralizzato di distribuzione. Il tasso di ventilazione può risentire della direzione e velocità del vento e del cosiddetto effetto camino. Quando l aria di rinnovo è fornita da un impianto di ventilazione centralizzato, l immissione può avvenire o attraverso il fan-coil o attraverso bocchetta dedicata. 18

19 Principi della Radiazione Termica È trasmessa in tutte le direzioni e viaggia verso il suo punto di assorbimento alla velocità della luce. Può essere riflessa. Non ha bisogno di alcun mezzo per propagarsi ed avviene ad un ampia gamma di frequenze. L intensità dell energia varia con la temperatura e con la lunghezza d onda. Aumenta la temperatura degli oggetti per assorbimento, ma non aumenta in maniera apprezzabile l aria attraverso cui viaggia. È scambiata continuamente tra tutti i corpi all interno di un dato ambiente. L ammontare totale della radiazione emessa dipende da: Temperatura della superficie emittente e di quella ricevente. Emittanza della superficie radiante. Riflettanza, assorbanza e trasmittanza della superficie ricevente. Fattore di vista tra la superficie emittente e quella ricevente. 19