Corso di energetica degli edifici. Impianti per il riscaldamento ambientale. Impianti di climatizzazione

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1 Corso di energetica degli edifici 1 Impianti di climatizzazione

2 2 Obiettivo di un impianto di climatizzazione destinato agli usi civili è quello di mantenere e realizzare, nel corso di tutto l anno ed in tutti gli ambienti confinati: la temperatura desiderata un umidità relativa accettabile un adeguata purezza dell aria ambientale un valore della velocità dell aria entro i limiti richiesti dal benessere degli occupanti. Per determinare le caratteristiche di un impianto di climatizzazione è necessario definire i parametri che influenzano le condizioni di benessere.

3 3 Fissato il livello del metabolismo energetico dell uomo ( funzione dell attività svolta), i parametri che influenzano le condizioni di benessere sono: resistenza termica dell abbigliamento (non dipende dall ambiente ma dai suoi occupanti); la temperatura di bulbo asciutto dell aria umida presente in ambiente; l umidità relativa dell aria presente in ambiente; la velocità media dell aria umida presente in ambiente; Tre proprietà termofisiche dell aria la temperatura media radiante del locale: dipende dalla tipologia dell involucro edilizio; dalle condizioni climatiche esterne; influenzata in misura maggiore o minore dal tipo di impianto di climatizzazione e dalle sue condizioni di esercizio

4 4 La finalità degli impianti di climatizzazione (secondo la UNI 10339/95) è il controllo delle tre proprietà termofisiche dell aria interna: temperatura; umidità relativa; velocità; e garantire una buona qualità dell aria in ambiente al fine di assicurare condizioni di benessere. Si parla di impianti di termoventilazione se manca il controllo dell umidità relativa e di impianti di ventilazione se manca anche il controllo della temperatura.

5 5 I principali componenti di un impianto di climatizzazione sono: Apparecchiature per la produzione dei fluidi termovettori caldo e freddo: gruppi frigo; caldaie; pompe di calore; il loro insieme costituisce la centrale termica o centrale termofrigorifera Apparecchiature per il trattamento dell aria: batterie per il riscaldamento e per il raffreddamento; umidificatori; talvolta tutti accoppiati in un unica apparecchiatura detta U.T.A. (Unità di trattamento aria) o C.T.A. (Centrale di trattamento aria), o anche condizionatore

6 6 Apparecchiature per la distribuzione dei fluidi termovettori: canali e ventilatori per l aria; tubazioni e pompe per l acqua. Unità terminali: bocchette; diffusori; griglie di estrazione; terminali aeraulici Terminali aeraulici radiatori: ventilconvettori ( fancoil); Terminali idraulici induttori. Organi di regolazione

7 7 I vari tipi di impianti di condizionamento adottati possono essere classificati in base al tipo di fluido termovettore che arriva in ambiente. In tal senso si possono distinguere: impianti a tutta aria, che impiegano l aria come fluido vettore del caldo e/o del freddo in ambiente; impianti misti (aria-acqua), impiegano l aria e l acqua come fluidi vettori del caldo e/o del freddo in ambiente; impianti a tutta acqua, impiegano l acqua come fluido vettore del caldo e/o del freddo in ambiente; impianti a fluido refrigerante o ad espansione diretta.

8 8 Impianti a tutt aria Negli ambienti è distribuita la sola aria trattata nell U.T.A. ed inviata mediante canali nei locali, in cui è immessa con opportuni terminali di diffusione.

9 9 Impianti a tutt aria U.T.A

10 10 Impianti a tutt aria

11 11 Impianti a tutt aria

12 Impianti a tutt aria 12

13 13 Impianti misti ariaacqua In cui l aria ( primaria ) è solo aria esterna, in misura strettamente necessaria alle esigenze di rinnovo, mentre l acqua è inviata ad unità terminali idrauliche presenti nei locali. Esempi: impianti a fan-coil ed aria primaria, a radiatori ed aria primaria, a pannelli radianti ed aria primaria.

14 14 Impianti misti aria-acqua Stagione estiva: L aria, sufficientemente deumidificata nella centrale di condizionamento, consente di ottenere buone condizioni di umidità relativa, evitando la formazione di condensa sulle batterie delle unità terminali. Stagione invernale: l aria primaria viene opportunamente umidificata per mantenere negli ambienti l umidità relativa nei limiti di benessere.

15 15 Impianti ad acqua Veicolano nei locali solo acqua: talvolta solo acqua calda in inverno (è il caso di impianti a radiatori, a pannelli radianti, a termoconvettori, ad aerotermi), altre volte anche acqua fredda in estate (impianti a fancoil)

16 16 Impianti a fluido frigorigeno (detti ad espansione diretta) In cui il fluido termovettore è costituito direttamente dal fluido frigorigeno che attraversa la macchina frigorifera/pompa di calore (esempi sono i condizionatori monoblocco da finestra ed i condizionatori a due unità, una interna ed una esterna al locale, anche detti split system.

17 Condizioni di progetto 17

18 Condizioni di progetto 18 b) condizioni microclimatiche da mantenere all interno Stato termodinamico aria umida Velocità massima ammissibile aria (0.15 m/s UNI 10339) Minime portate di aria di rinnovo (UNI 1033) c) proprietà termofisiche dell involucro edilizio Trasmittanza termica unitaria per i componenti opachi (0.7 W/m2K) e per componenti finestrati (3 W/m2K) Coefficiente di trasmissione del vetro alla radiazione solare par i a 0.7

19 19 Condizioni di progetto

20 20 Condizioni di progetto

21 21 Tipiche condizioni termoigrometriche di progetto

22 22 Cenni sui carichi termici dei locali

23 23 Cenni sui carichi termici dei locali

24 24 Cenni sui carichi termici dei locali

25 25 Cenni sui carichi termici dei locali Carico termico latente

26 26 Carico termico totale

27 27 Carico termico totale

28 28 Carico termico totale

29 29 Apparecchi utilizzatori

30 30 Apparecchi utilizzatori Corpi scaldanti Indipendentemente dalla tipologia di impianto utilizzato, gli ambienti vengono riscaldati mediante corpi scaldanti che possono essere suddivisi in due tipologie principali: radiatori e convettori. I radiatori I radiatori si costruiscono in ghisa, in acciaio, in alluminio e sue leghe. Radiatori in alluminio Baisi (www.baisi.com) Radiatori in ghisa Baisi (www.baisi.com)

31 31 Apparecchi utilizzatori Corpi scaldanti

32 32 Apparecchi utilizzatori Corpi scaldanti

33 33 Apparecchi utilizzatori Corpi scaldanti I radiatori ed, in generale, i corpi scaldanti, vengono realizzati non solo rispondendo ad esigenze tecniche (massimizzare superficie di scambio, ridurre il contenuto di acqua), ma anche ad esigenze estetiche e di ingombro. (www.baisi.com) (www.irsap.it) (www.irsap.it)

34 34 Apparecchi utilizzatori Corpi scaldanti I radiatori emettono parte del calore per convezione e parte per radiazione. Per questo motivo devono essere mantenuti liberi di irradiare calore nell ambiente e di godere di una attività di circolazione dell aria attorno ad essi. l installazione sotto una mensola riduce l emissione del 4%; l installazione in nicchia riduce l emissione del 7 %; l installazione dietro tendaggi riduce l emissione del 30-40%. L installazione dietro copriradiatore non riduce l emissione a patto che si lascino adeguate aperture in basso ed in alto in modo da creare un tiraggio che permetta all aria di lambire la superficie del radiatore stesso.

35 35 Apparecchi utilizzatori Corpi scaldanti I convettori Il convettore è costituito da una batteria di scambio alettata che, lambita dall aria ambiente per convezione naturale, permette il riscaldamento dei locali. Generalmente la batteria è collocata in un mobiletto, immediatamente sopra una apertura di ingresso. L apertura superiore è generalmente provvista di una serranda di regolazione dell aria che, comandata da un termostato sul convettore, può interrompere l erogazione di calore. Convettore Aermec Lo scambio termico avviene per convezione naturale e le temperature in gioco sono tali da evitare il fenomeno della tostatura della polvere dell aria scongiurando il problema dell annerimento delle pareti.

36 36 Apparecchi utilizzatori Corpi scaldanti I ventilconvettori Costituiti da un ventilatore, da una batteria di scambio di calore e da un filtro, i ventilconvettori sono macchine ideali per la climatizzazione estiva ed il riscaldamento invernale. Alimentati con acqua calda proveniente da una pompa di calore o da una comunissima caldaia forniscono il calore necessario al riscaldamento dei locali. Ideato per lavorare in estate con una piccola differenza di temperatura con l aria ambiente, in inverno è necessario avere contenute temperature della batteria di scambio. Ventilconvettore prodotto da Baltur

37 37 Apparecchi utilizzatori Corpi scaldanti Esempi di ventilconvettori

38 38 Apparecchi utilizzatori Corpi scaldanti I convettori a battiscopa Un sistema di riscaldamento molto usato soprattutto nei Paesi nordici è quello a battiscopa che è formato sostanzialmente da un tubo di rame di circa 25mm di diametro, posto nell'angolo tra il pavimento e la parete più fredda, infilato in tante lamelle radianti, distanti tra loro uno o due centimetri. La striscia di parete dietro il tubo è isolata. All'interno scorre acqua con temperatura che va dai 50 C agli 80 C, idonea all'accoppiamento con pannelli solari. L'aria sale in strato laminare a contatto con la parete riscaldandola e riuscendo ad ottenere una situazione di equilibrio termico all'altezza di un metro e mezzo due. Si evita in questo modo la dispersione di calore a livello del soffitto con la conseguenza di un risparmio energetico di circa il 20%. La parete resterà più asciutta evitando la formazione di muffe ed aumentando il potere di isolamento. Gli aspetti negativi sono la lentezza di entrata in esercizio e la possibile formazione di campi elettromagnetici su percorsi metallici con acqua corrente

39 39 Apparecchi utilizzatori Corpi scaldanti Aerotermi Gli aerotermi sono comunemente utilizzati per il riscaldamento di ambienti industriali. Sono costituiti da una batteria di tubi alettati contenuti in una cassa: dietro la batteria vi è un ventilatore che preleva aria dall ambiente, la spinge attraverso la batteria e la reimmette, riscaldata, in ambiente. Sul fronte della cassa sono generalmente previste una serie di alette (deflettore) per poter dirigere il getto di aria calda. Gli aerotermi si prestano anche al rinnovo dell aria ambiente in quanto uno o più di essi può prelevare l aria direttamente dall esterno. Nell istallazione di questi apparecchi vanno attentamente valutate la temperatura e la velocità dell aria ai fini di garantire il comfort termico, osservando le seguenti regole: temperatura massima di immissione: 35 C; velocità dell aria sulle persone: 4,5 m/s (26 C); 5,5 (28 C); 7,0 m/s (30 C).

40 40 Apparecchi utilizzatori Corpi scaldanti Pannelli radianti Gli impianti di riscaldamento basati sui pannelli radianti a parete e a pavimento forniscono comfort interno a bassi consumi d'energia. Il calore proviene dal pavimento o dalle pareti e si propaga soprattutto entro i due metri di altezza, ovvero laddove serve. In questo modo la caldaia potrà lavorare ad un minore impiego di energia per garantire lo stesso livello di comfort.

41 41 Apparecchi utilizzatori Corpi scaldanti

42 42 Apparecchi utilizzatori Corpi scaldanti

43 43 La distribuzione dell acqua

44 44 I circuiti di distribuzione dell acqua La distribuzione dell acqua negli impianti civili avviene mediante sistemi di tubazioni costituiti dal collegamento di testa di condotte aventi sezione circolare e dimensioni normalizzate. I tubi commerciali sono cilindrici, cavi, di materiale e spessore diverso e possono essere fra loro congiunti con differenti modalità. Nelle reti di tubazioni circola acqua a diversa temperatura. I materiali comunemente impiegati nei sistemi di tubazioni sono: acciaio nero, acciaio zincato, rame e materie plastiche. Acciaio nero: lega Fe-C UNI 8863 e 7287, UNI-ISO 4200 Coeff. di dilatazione termica: mm/m C. Acciaio zincato: spessore della zincatura compreso tra 0.15 e 0.20 mm. Rame: rame puro al 99.9% - UNI 5649 e Coeff. di dilatazione termica: mm/m C. Materiali plastici: PVC, polietilene, polipropilene, polibutene, UNI 7741, 7611, 7990, 8318, 9338 Coeff. di dilatazione da 0.05 a mm/m C.

45 45 I circuiti di distribuzione dell acqua L acqua è da intendersi di acquedotto, incolore, inodore, insapore, alla temperatura standard di 15 C solidificazione a 0 C, evaporazione a 100 C massa volumica (4 C) =1 kg/dm 3 calore specifico 4186 J/kgK conducibilità termica W/mK viscosità cinematica (100 C) m 2 /s

46 46 Tubazioni Negli impianti ad acqua calda o a vapore si impiegano di solito tubazioni in acciaio. Nel caso di piccoli diametri si utilizza anche il rame e, per impianti individuali, si utilizzano tubazioni in materiale plastico (polietilene UNI 9338, polibutilene). Uno dei principali problemi relativi ai tubi metallici è dovuto alla dilatazione termica (la dilatazione lineare dell acciaio è pari a 0,012 mm/m C, mentre nel rame è pari a 0,017 mm/m C). E necessario prevedere giunti di dilatazione, ad U oppure ad omega, realizzati con lo stesso tubo, che permettano di assorbire le dilatazioni termiche dei materiali rimanendo in campo elastico. Qualora i tubi siano poggiati su sostegni è necessario calcolare la distanza tra i sostegni in modo da contenere la deformazione del tubo stesso dovuta al proprio peso più il peso del fluido termovettore. I tubi correnti in locali non riscaldati devono essere necessariamente isolati (schiuma poliuretanica rigida, resine, tubo esterno, polietilene,...).

47 47 I circuiti di distribuzione dell acqua I sistemi di tubazioni a circuito aperto trasferiscono l acqua dalla sorgente all utenza mettendola, in qualche punto del circuito, a contatto con l atmosfera. I circuiti aperti possono essere: a pressione (se la pressione totale è fornita da un mezzo meccanico, ad esempio le elettropompe), a caduta (se l acqua proviene da un serbatoio sopraelevato rispetto all utenza), misti (se l acqua viene pompata ai serbatoi di raccolta e quindi distribuita a caduta) In un circuito chiuso, l acqua in circolazione è teoricamente sempre la stessa. Per tale motivo sono necessarie tubazioni di andata e di ritorno. La rete di distribuzione è praticamente sempre un anello ed, a causa dei gradienti di temperatura presenti, sarà sempre collegato ad un recipiente atto a contenere le conseguenti variazioni di volume (vaso di espansione). Le reti di distribuzione. Che uniscono la sorgente energetica alle utenze mediante sistemi di tubazioni nelle quali si muove acqua a circolazione forzata possono essere classificate in distribuzione: i) monotubo, ii) a due tubi, iii) a tre tubi, iv) a quattro tubi.

48 48 I circuiti di distribuzione dell acqua Distribuzione monotubo Utilizzata generalmente negli impianti di riscaldamento di tipo autonomo. L alimentazione in serie è ormai sostituita dal collegamento in derivazione. L acqua che entra nel primo corpo scaldante è una parte della portata totale; l acqua che entra nel secondo terminale è, a sua volta, parte della portata totale, risultante però dalla miscela tra l acqua meno calda che esce dal precedente e quella parte che ha proseguito nell anello con la temperatura iniziale. Le alimentazioni successive dei terminali di uno stesso anello avvengono a temperature sempre minori.

49 49 I circuiti di distribuzione dell acqua Distribuzione monotubo

50 50 Sia per gli impianti misti che per quelli a sola acqua, la distribuzione del fluido termovettore acqua ai terminali è garantita dalle seguenti soluzioni tecnologiche: Distribuzione a due tubi Distribuzione a quattro tubi

51 51 I circuiti di distribuzione dell acqua Distribuzione a due tubi Tipologia più diffusa nel caso si voglia trasferire ai terminali acqua calda o refrigerata. Indifferentemente adottata sia negli impianti unifamiliari che in quelli centralizzati, dalla più modesta alla più elevata estensione. Nel caso di elevate estensioni si utilizzano impianti a la rete di distribuzione (distribuzione orizzontale e montanti o colonne) è sempre costituita da una tubazione di mandata ed una tubazione di ritorno, che riconduce il fluido termovettore alla centrale.

52 52 I circuiti di distribuzione dell acqua Distribuzione a due tubi Nel caso di impianti di modesta estensione, la configurazione più comune è a collettore (o a margherita). Esso è rappresentato da due collettori (andata e ritorno) collegati da un lato alla sorgente energetica e dall altro ai terminali. Il collegamento ai terminali è costituito da tante coppie di tubi di andata e ritorno quanti sono i terminali stessi, aventi diametri diversi e passanti sotto pavimento o sotto traccia.

53 53 I circuiti di distribuzione dell acqua Distribuzione a tre tubi E Attualmente abbandonata. E stata proposta (ed in alcuni casi applicata) ad impianti di condizionamento ad o ventilconvettori, in cui l alimentazione avveniva con due tubazioni distinte (una per il caldo ed una per il freddo), ma con ritorno unico. Ogni terminale era dotato di elettrovalvola a tre vie che, comandata da un sensore ambiente, sceglieva il freddo o il caldo. Le caratteristiche dell impianto non compensavano il lieve risparmio di materiale.

54 I circuiti di distribuzione dell acqua 54 Distribuzione a quattrotubi I terminali sono alimentati in ogni stagione con acqua calda e refrigerata in base alle necessità. La portata di aria primaria viene calcolata per garantire il rinnovo con l aria esterna e il controllo dell umidità; inoltre questa non ha il compito di annullare i carichi per trasmissione. Consentono di raffreddare e riscaldare zone diverse. L aria primaria, immessa nelle condizioni di saturazione, mantiene per tutto l anno condizioni termoigrometriche costanti. Inoltre non è necessario effettuare la commutazione stagionale, perché il riscaldamento degli ambienti con carichi sensibili negativi nelle stagioni intermedie è effettuato dai ventilconvettori.

55 I circuiti di distribuzione dell acqua Distribuzione a quattrotubi 55

56 56 La distribuzione dell aria

57 57 La distribuzione dell aria. Generalità La funzione delle condotte è quella di veicolare da e verso gli ambienti l aria trattata dalle apposite Unità di Trattamento Aria (UTA). Nell ambito dei processi di ventilazione e climatizzazione, la distribuzione dell aria deve: assicurare la ventilazione dei locali sulla base dei quantitativi prestabiliti; assicurare la distribuzione dell aria senza modificare i parametri termoigrometrici e la qualità lungo il percorso dalla centrale ai terminali di distribuzione; assicurare limitatissime dispersioni e perdite di calore; limitare il rumore; mantenere le prestazioni desiderate per un lungo periodo (affidabilità). Il circuito di distribuzione dell aria deve essere progettato e realizzato per ovviare al fatto che le condotte possono essere sede di accumulo di polvere e batteri compromettendo la salubrità degli ambienti climatizzati o ventilati.

58 58 La distribuzione dell aria. Generalità Nel muoversi all interno delle condotte l aria incontra una certa resistenza per attrito dovuta al contatto con le pareti ed alle turbolenze. Per consentire al fluido di muoversi con portata e velocità prestabilite è necessario utilizzare un elettroventilatore e, quindi, consumare energia. La rete aeraulica deve essere dimensionate al fine di ridurre il consumo di energia: scegliendo il percorso più breve; riducendo al massimo le variazioni di sezione; scegliendo appropriate forme geometriche per i raccordi e le sezioni. Lo studio del moto dell aria all interno delle condotte costituisce pertanto la base della progettazione dei sistemi aeraulici.

59 59 La distribuzione dell aria.

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