IL RAFFRESCAMENTO EVAPORATIVO IN CONCRETO Principio di funzionamento e analisi di un impianto di raffrescamento di una tipografia industriale.

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1 IL RAFFRESCAMENTO EVAPORATIVO IN CONCRETO Principio di funzionamento e analisi di un impianto di raffrescamento di una tipografia industriale. Il raffrescamento evaporativo (chiamato in alcuni casi anche raffrescamento adiabatico), i cui benefici effetti sono utilizzati con sempre maggiore frequenza per il raffrescamento di edifici di medie e grandi dimensioni, si basa su un semplice principio fisico conosciuto da centinaia di anni e utilizzato in diverse forme e sistemi già nell antichità. L avvento della tecnologia, la disponibilità di materiali più duttili e resistenti e soprattutto l introduzione dell elettronica, ha permesso lo sviluppo di apparecchiature sempre più pratiche ed efficienti per utilizzare al meglio questo principio fisico che fornisce come effetto un raffrescamento del tutto naturale, che non utilizza cioè alcun fluido frigorigeno, con consumi energetici bassissimi, necessitando esclusivamente di pochissima energia elettrica (necessaria al funzionamento di un semplice ventilatore e si una piccola pompa di distribuzione dell acqua). Cenni sul principio di funzionamento Il raffrescamento evaporativo utilizza una delle proprietà fisiche dell aria la quale, come noto, è in grado di assorbire, e quindi contenere, una certa quantità di vapor acqueo (acqua) in funzione della sua temperatura. Il rapporto tra la quantità effettiva di vapor acqueo contenuto in un dato momento ed il valore massimo che questa può contenere, definisce la % (percentuale) di umidità relativa (U.R.) dell aria in questione. Più l aria è secca e più vapor acqueo è in grado di assorbire, mentre più è umida, meno è in grado riceverne altro. La quantità assoluta di vapor acqueo che l aria può contenere dipende dalla sua temperatura : più l aria è calda e più è in grado di assumere vapor acqueo e viceversa. Questa caratteristica fisica dell aria è espressa con chiarezza nel diagramma psicrometrico (Fig. 1) che riporta le diverse condizioni e caratteristiche tipiche dell aria umida. Il raffrescamento evaporativo consente di aggiungere all aria la quantità di vapor acqueo mancante per renderla satura (o molto prossima alla saturazione), cioè con una umidità prossima al 100 %. Se un volume d aria ha una % di umidità relativa ( % di U.R.) bassa, significa che, se opportunamente trattata, può assorbire altra acqua fino ad avvicinarsi al 90/95 % di U.R. L assorbimento del vapor acqueo da parte dell aria è possibile grazie al calore contenuto nell aria, che consente di fare evaporare una certa quantità di acqua che si trasforma appunto in vapor acqueo. Questo calore di evaporazione viene prelevato alla stessa aria, che quindi aumenta la sua % di U.R. perdendo contemporaneamente parte del suo calore, e quindi abbassando la sua temperatura. In termini energetici la riduzione di temperatura dell aria non comporta una variazione del contenuto entalpico dell aria, in quanto la riduzione di energia sensibile (temperatura dell aria) è compensata con l aumento di vapor acqueo contenuto (da qui il concetto di raffrescamento adiabatico, cioè senza modificare il contenuto entalpico del fluido in questione). In sintesi possiamo quindi dire che nel processo di raffrescamento evaporativo l aria in ingrasso (punto A Fig. 1) si è umidificata (punto B) e contemporaneamente raffreddata (punto C). Questo raffreddamento è tanto più sensibile quanta più acqua è in grado l aria di fare evaporare per raggiungere la saturazione e quindi quanto più quest ultima è secca inizialmente. Pag. n. 1

2 50 % B A C Fig. 1 - diagramma psicromentrico dell aria umida aria esterna in ingresso C e 50 % U.R. (p.to A) umidificazione fino 90 % U.R. (p.to B) con raffreddamento a C. Le apparecchiature di raffrescamento evaporativo sono costruite per utilizzare al meglio questo principio : raffreddare l aria esterna umidificandola e quindi inviarla all interno degli edifici, che percepiranno come effetto un flusso d aria più o meno fredda rispetto all esterno in funzione della temperatura e dell umidità dell aria esterna (Fig. 2). EcoCooler Circulation System aria calda esterna canale di mandata aria fresca Fig. 2 principio di funzionamento di un raffrescamento evaporativo Pag. n. 2

3 L efficienza del sistema L effetto di raffrescamento ottenibile non può essere paragonato ad un sistema di condizionamento tradizionale ottenuto per mezzo di macchinari che producono un effetto di raffreddamento utilizzando un fluido refrigerante in un circuito chiuso o ermetico. Il raffrescamento più o meno spinto infatti, come già detto, dipende in buona parte : - dalle condizioni di temperatura e U.R. dell aria esterna, che viene trattata ed inviata all interno dell edificio; - dal grado di saturazione ottenibile dalla macchina di raffrescamento utilizzata. Maggiore è la capacità di saturazione, maggiore sarà il raffreddamento dell aria in uscita dall apparecchio verso il locale da raffrescare. La tabella di Fig. 3 riporta i dati di prestazione di un raffrescatore Robur AD 14. Come si può notare più l aria in ingresso è bassa sia di temperatura ma soprattutto di U.R., maggiore sarà l effetto di raffreddamento ottenuto. Il sistema di scambio aria/acqua in queste apparecchiature è realizzato per mezzo di pacchi evaporativi ad alta efficienza, da 100 mm di spessore, che consentono di ottenere una capacità di saturazione intorno all 85/90 %. UMIDITÀ RELATIVA ARIA INGRESSO Temp. 20% % 40% 50% 60% 70% 80% 20 C C C C C C Fig. 3 temperature di uscita del raffrescatore in funzione dell aria esterna in ingresso Ma quale sarà la temperatura ottenibile all interno dell edificio, conoscendo la temperatura di uscita dall apparecchio? Per poter rispondere a questa domanda è necessario conoscere almeno il valore di ricambio d aria che è stato previsto. Ricordiamo infatti che il raffrescatore prende continuamente una certa quantità di aria esterna (nel caso del modello Robur AD 14 pari a m 3 /h), la abbassa ad una data temperatura che è possibile conoscere dalla tabella di Fig. 3, e la immette all interno dell edificio. I valori di ricambio d aria di progetto normalmente non sono mai inferiori a 10/15 vol/h, quindi possiamo ragionevolmente stimare che la temperatura dell aria all interno del locale sarà al massimo di circa 2/3 C maggiore rispetto a quella immessa. E opportuno ricordare da subito che questo effetto è ottenibile solo se si garantisce all edificio un adeguato ricambio d aria, cioè assicurare che la massa d aria in ingresso venga estratta o espulsa costantemente dall edificio. In altre parole l edificio deve essere in grado di eliminare costantemente l aria immessa dai raffrescatori, in modo naturale (porte, portoni, finestre costantemente aperte) oppure meccanico (utilizzando in modo opportuno degli estrattori d aria). Ma come possiamo combattere il caldo, ma soprattutto l afa estiva, che notoriamente è quella maggiormente fastidiosa durante alcune giornate d estate, considerando che con Pag. n. 3

4 alti tassi di umidità l efficienza del sistema è minore? E utile, per affrontare questo tema, una premessa : normalmente all aumentare della temperatura dell aria, la sua Umidità Relativa in percentuale ( % di U.R.) diminuisce, in quanto l aria ha una maggiore capacità di assorbimento del vapore acqueo (richiamiamo a questo proposito il diagramma di Fig. 1). Normalmente quindi nelle ore più calde della giornata si hanno le percentuali di U.R. più basse. A conferma di ciò, in Fig. 4 sono evidenziati gli andamenti di temperature e umidità relativa del mese di luglio 2007 nell area di Milano. Andamento delle temperature e dell umidità Milano - Luglio Temperature C Umidità relativa % Fig. 4 andamento delle temperature e dell umidità dell aria luglio 2007 Milano Ma alcune giornate possono comunque essere particolarmente afose. Aggiungiamo a questo che il sistema di raffrescamento evaporativo incrementa il tasso di umidità dell aria nei locali interni e questo potrebbe far venire il dubbio sull effettivo benefico ottenibile. Per questo ci viene molto utile un altro diagramma, rappresentato in Fig. 5 (diagramma di Stedman). Questo diagramma esprime il concetto di calore percepito, mettendo in relazione i valori di temperatura e umidità relativa dell aria. Questo concetto, spesso utilizzato anche dai mezzi di informazione durante l estate, indica che la temperatura dell aria unita alla sua U.R. genera una percezione da parte di una persona media, simile ad una temperatura dell aria più elevata. Tanto è maggiore l umidità nell aria, tanto maggiore sarà la temperatura percepita. Questo diagramma fornisce anche un altro importante valore da considerare : man mano che la temperatura dell aria diminuisce, diminuisce anche l influenza dei valori di umidità sulla percezione. Infatti se l aumento dal al 60 % dell U.R. a 33 C comporta un aumento della temperatura percepita di 8 C (da 32 a 40 C), quando l aria ha una temperatura intorno ai C lo stesso aumento della percentuale di umidità comporta un aumento del percepito di soli 3 C (da a C). In questo contesto deve essere considerato il lavoro del raffrescatore evaporativo : se l apparecchio è in grado di fornire una temperatura dell aria immessa nel locale inferiore a / C, l aumento di umidità generato dal raffrescatore sarà del tutto trascurabile ai fini del benessere delle persone. Non dobbiamo infatti dimenticarci che nelle fresche giornate primaverili e autunnali l umidità dell aria può essere anche molto alta, ma questa non influisce sul benessere da noi percepito grazie alla bassa temperatura dell aria. Pag. n. 4

5 20% 25% % % 40% 45% 50% 55% 60% 65% 70% 75% 80% 85% 90% T percepita < C Tra e 32 C Tra 33 e 39 C Tra 40 e 54 C Oltre i 54 C Comfort / percezione fisica Buono / nessuna sensazione di disagio Sufficiente / lieve sensazione di calore Scarso / affaticamento, possibili difficoltà respiratorie Decisamente scarso / possibili colpi di calore Pericoloso / forte rischio di colpi di calore Fig. 5 diagramma di Stedman Heat index - indice di calore. Indica la temperatura percepita in relazione a temperatura e umidità relativa dell aria. Ma cosa succede nelle poche ma fastidiose giornate afose? Se la % di umidità dell aria è particolarmente alta, il sistema ha una minore efficienza, ma in queste condizioni, facendo nuovamente riferimento al diagramma di Fig. 5, si può capire come anche in queste condizioni l abbassamento anche di soli pochi gradi della temperatura di immissione nel locale abbassa notevolmente la temperatura percepita. Infatti con una temperatura dell aria di 33 C e umidità al 70 %, il calore percepito è uguale ad una temperatura di 44 C. Abbassando di 2 soli gradi la temperatura dell aria con la stessa umidità, la temperatura percepita è di 6 C in meno. L igienicità del sistema Un raffrescatore evaporativo utilizza nel suo processo di funzionamento acqua (che evapora in una determinata quantità durante il funzionamento) per raffreddare una massa d aria. Per mantenere costante ed elevata l igienicità del sistema, i raffrescatori sono dotati di una serie di accorgimenti tecnici ed elettronici. Infatti i più moderni e sofisticati raffrescatori evaporativi, come il modello Robur AD 14, sono equipaggiati di una scheda elettronica a microprocessore che presiede ai controlli di carico e scarico dell acqua, evita il ristagno di acqua nel serbatoio ad unità spenta, previene l eccessiva concentrazione di calcare nell acqua di ricircolo del serbatoio. Il sistema si completa infine di filtri lavabili sull ingresso dell aria in aspirazione, che evitano lo sporcamento dei pacchi evaporativi. L installazione L installazione dei raffrescatori evaporativi richiede semplici operazioni. Gli apparecchi possono essere applicati a tetto (la soluzione più tipica), oppure a parete, oppure a terra. In tutti i casi questi dovranno essere collegati ad una canalizzazione che porti all interno l aria prelevata dall esterno e raffreddata sui pacchi evaporativi. Il canale potrà avere forma e lunghezze in base alle esigenze dell edifico, potendo contare su un ventilatore con circa 150 Pa di pressione netta disponibile. Pag. n. 5

6 Per il funzionamento l unità ha bisogno di un allacciamento idrico di acqua e di un alimentazione elettrica a 2 V. L allacciamento idrico sarà connesso in modo permanente tramite un apposito tubo flessibile fornito a corredo. L elettronica dell unità provvederà in modo autonomo ad effettuare i vari riempimenti ed integrazione dell acqua in funzione dell effettiva evaporazione. Provvederà inoltre a scaricare solo al momento opportuno i residui d acqua con elevata concentrazione di calcare. L energia elettrica richiesta per alimentare una piccola pompa di circolazione dell acqua e per il ventilatore, è a 2 V monofase, grazie al basso assorbimento necessario (circa 1,5 kw). L installazione dei raffrescatori non richiede altro se non il posizionamento del comando di controllo a distanza, fornito a corredo, che permette l avviamento ed eventualmente la regolazione e gestione del sistema. Il raffrescatore Robur AD 14 è infatti predisposto per essere controllato anche da un timer, da un termostato ambiente e da un umidostato per il controllo dell umidità relativa interna all edificio. Il sistema di raffrescamento evaporativo non è però completo se, come già accennato in precedenza, non viene garantito il totale ricambio d aria nell ambiente servito. Il raffrescatore immette costantemente un volume di aria fresca all interno dell edificio, quindi un volume all incirca uguale dovrà uscirne. Per garantire che questo ricambio d aria avvenga è necessario che l edificio servito abbia ampie aperture verso l esterno sempre aperte (finestre, portoni, porte, lucernai). In caso non sia possibile garantire queste aperture, sarà necessario installare degli estrattori d aria (a tetto o a parete) in grado di mantenere l adeguato ricambio d aria nel locale. I raffrescatori Robur sono per questo motivo dotati di un consenso di funzionamento in modo tale che all avviamento del ventilatore sia messo in moto anche il rispettivo estrattore d aria. I vantaggi offerti dal sistema L utilizzo di questi apparecchi offre la possibilità di raffrescare edifici anche di grande volumetria con un impegno economico e di gestione probabilmente proibitivo per i sistemi di condizionamento più tradizionali. Infatti il basso costo di acquisto dei raffrescatori, sommato al basso costo di gestione di questi, ne fanno un sistema particolarmente apprezzato in tutti quegli edifici che hanno necessità di abbassare le temperature interne, a causa delle condizioni climatiche esterne e/o dei processi di produzione e lavorazione che prevedono sviluppo di calore. La presenza di portoni aperti durante la stagione invernale non fa altro che aiutare il ricambio d aria naturale del locale e quindi, a differenza di altri sistema di condizionamento, l impianto funziona perfettamente anche con porte e portoni completamente aperti. Il sistema è apprezzato anche perché consente un costante ricambio d aria, mantenendo in questo modo pulita l aria interna al locale, soprattutto se in questo vi sono lavorazioni con rilascio di fumi, vapori o pulviscolo in sospensione. Infine anche la manutenzione del sistema non è particolarmente onerosa, in quanto non sono richieste particolari attrezzature o competenze specializzate per il controllo e la pulizia degli apparecchi. Pag. n. 6

7 Un caso concreto Per dare concretezza al sistema di raffrescamento evaporativo fin qui descritto, riportiamo di seguito l esperienza acquisita da una nota azienda della provincia di Latina, la Maserpack SpA (Fig. 6) sita a Cisterna di Latina. Fig. 6 l esterno della Maserpack a Cisterna di Latina Questa azienda, specializzata nella produzione di cluster, espositori, scatole cartonate e nella relativa stampa con vernici all acqua o colori speciali, ha deciso di dotare il loro complesso produttivo, di circa mq, di un sistema di raffrescamento estivo, per dare maggiore confort alle maestranze impiegate nella parte produttiva, anche in considerazione della presenza in alcuni punti dell edificio di macchinari di stampa che rilasciano calore durante il loro funzionamento. La prima ipotesi presa in considerazione dalla proprietà dell azienda era quella di un sistema di condizionamento tradizionale ad energia elettrica. Da una prima stima della potenza frigorifera occorrente, risultava necessaria una disponibilità elettrica di circa 140 kw. Con un funzionamento H24 dello stabilimento i consumi stimati si rivelavano eccessivi ed a causa di ciò la proprietà ha deciso di sondare un alternativa rivolgendosi all ing. Bologna che, facendosi partecipe delle esigenze del Cliente, ha avanzato una valida soluzione. Con alle spalle altre esperienze nello stesso campo, il progettista ha suggerito, come alternativa, un sistema di raffrescamento evaporativo, con l ausilio di apparecchiature Robur da collocare a tetto in modo opportuno. L idea è piaciuta alla proprietà, che ha commissionato il progetto esecutivo del sistema. Il risultato di questo è stato la realizzazione in breve tempo di un impianto di raffrescamento dotato di n. 13 raffrescatori Robur AD 14, collocati tutti in modo distribuito sul tetto dell edificio (Figg. 7/a e 7/b). Pag. n. 7

8 Fig. 7/a il posizionamento a tetto dei n. 13 raffrescatori Robur AD 14 Fig. 7/b esempio di montaggio di un raffrescatore Robur AD 14 Pag. n. 8

9 Nella progettazione è stato tenuto conto di installare gli apparecchi utilizzando al meglio le condizioni esistenti, impattando quanto meno possibile sulla struttura edile. I canali d aria sono stati quindi dimensionati in modo da poter penetrare dai lucernari presenti sul tetto (Fig. 8) senza richiedere particolari opere murarie. Anche per la distribuzione dell aria interna sono stati utilizzati diffusori con elevato coefficiente induttivo riducendo al minimo la percorrenza dei canali (Fig. 9). Fig. 8 particolare del canale di mandata Fig. 9 particolare del plenum di diffusione L installazione delle apparecchiature ha richiesto un assorbimento elettrico di circa 20 kw (circa 1/6 della prima ipotesi) ed sono stati impiegati pochi giorni per la sua realizzazione. Ovviamente rimaneva l incognita dell efficacia di questo sistema, ancora poco conosciuto in zona e quindi con una incognita. Nel mese di giugno, qualche giorno dopo la fine dei lavori, le temperature esterne hanno dato la possibilità di fare subito una prima verifica. Grazie alla disponibilità e collaborazione del progettista, sono stati fatti alcuni rilievi delle temperature esterne e delle temperatura di mandata dei raffrescatori. A fronte di una temperatura esterna del primo pomeriggio di circa 36 C (Fig. 10) la temperatura registrata sulla bocchetta di mandata di uno dei raffrescatori era di circa 23 C (Fig. 11). Fig. 10 temperatura e U.R. dell aria esterna Fig. 11 temperatura e umidità dell aria in ingresso all edificio Pag. n. 9

10 Ciò in considerazione del fatto che l umidità esterna era relativamente bassa (Fig. 10) come tipicamente avviene durante i periodi di maggiore temperatura dell aria. Il beneficio all interno dell edificio era quindi facilmente percepibile ed apprezzato. Nel successivo mese di luglio si è avuta occasione di ripetere questa valutazione, con temperature e umidità diverse (Fig. 12 e 13). Fig. 12 temperatura e U.R. dll aria esterna Fig. 13 temperatura e umidità dell aria in ingresso all edificio Come si può notare l efficienza del sistema installato è del tutto apprezzabile, e se consideriamo il costo di acquisto e di gestione di questo, (in particolare se paragonato all alternativa di un impianto di condizionamento tradizionale), il risultato è stato del tutto soddisfacente. Non rimane infine che da ricordare che il sistema di raffrescamento finora descritto non può essere considerato e scambiato per un impianto di condizionamento o climatizzazione, in quanto questo è si sempre in grado di abbassare la temperatura dei locali, ma non a un punto fisso costante, essendo dipendente la sua efficienza dalle condizioni climatiche esterne. Non è possibile quindi impostare una specifica e precisa temperatura interna, come invece può avvenire per un impianto di condizionamento tradizionale, condizione necessaria per quelle realtà produttive dove le temperature devono essere controllate per via del tipo di materiale in lavorazione o per il buon funzionamento di macchinari. Il sistema evaporativo non può sostituirsi ad un impianto più complesso per ottenere queste prestazioni. Risulta invece fortemente competitivo in quelle realtà produttive nei quali l obiettivo primario è fornire in modo semplice ma efficace un raffrescamento che riduca l elevata temperatura interna all edificio, causata sia dalle condizioni climatiche tipicamente estive che dalla tipologia di produzione che prevede uno sviluppo di calore all interno del luogo di lavoro. Robur SpA- Ec/ec IL RAFFRESCAMENTO EVAPORATIVO IN CONCRETO.doc Pag. n. 10