Tecnica del Controllo Ambientale

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1 1 Tecnica del Controllo Ambientale Corso di laurea in ARCHITETTURA Dipartimento di Architettura e Disegno Industriale L. Vanvitelli Seconda Università degli Studi di Napoli

2 BENESSERE TERMO-IGROMETICO 2

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21 IMPIANTI PER IL CONTROLLO DEL BENESSERE TERMO-IGROMETICO 21

22 CONDIZIONI DI BENESSERE TERMO- IGROMETRICO Fissato l abbigliamento e l attività svolta, il benessere termo-igrometrico degli occupanti un ambiente confinato dipende principalmente dalle seguenti grandezze: temperatura di bulbo asciutto dell aria umida interna umidità relativa dell aria umida interna qualità dell aria umida interna velocità dell aria umida interna 22

23 CLASSIFICAZIONE IMPIANTI PER IL CONTROLLO DEL BENESSERE TERMO-IGROMETRICO Non tutti gli impianti controllano tutti i parametri che influenzano il benessere termoigrometrico. A seconda del tipo e del numero di parametri termo-igrometrici controllati, si distinguono i seguenti principali tipi di impianti: Impianto Parametri controllati Riscaldamento Temperatura di bulbo asciutto dell aria umida in inverno Raffrescamento Riscaldamento e raffrescamento (condizionamento) Climatizzazione Temperatura di bulbo asciutto dell aria umida in estate Temperatura di bulbo asciutto dell aria umida sia in inverno che in estate Temperatura di bulbo asciutto dell aria umida (estate ed inverno) Umidità relativa dell aria umida (estate ed inverno) Velocità dell aria umida (estate ed inverno) Qualità dell aria umida (estate ed inverno) 23

24 IMPIANTI DI CLIMATIZZAZIONE Si distinguono 2 principali tipologia di impianti di climatizzazione: 1) IMPIANTI A TUTT ARIA 2) IMPIANTI MISTI Gli impianti misti consentono un controllo più preciso dei parametri che influenzano il benessere termo-igrometrico, ma sono più complicati da progettare/gestire e più costosi. Nel seguito ci occuperemo solo degli impianti a tutt aria. 24

25 IMPIANTI A TUTT ARIA Aria espulsa r Aria esterna e CENTRALE TERMICA Volume di controllo aria di ricircolo sezione di miscela m U.T.A. r Aria di ripresa i Aria di immissione r LOCALE CLIMATIZZATO r U.T.A. = Unità di Trattamento Aria "e" = condizioni dell aria umida esterna usata per il controllo della qualità dell aria "r" = condizioni di progetto interne "i" = condizioni dell aria umida di immissione "m" = condizioni dell aria umida a valle del mescolamento adiabatico tra l aria umida di ricircolo e l aria umida esterna 25

26 IMPIANTI A TUTT ARIA 26

27 PROGETTAZIONE IMPIANTI CLIMATIZZAZIONE Passi da seguire per la progettazione di un impianto di climatizzazione: 1) Definizione delle condizioni di progetto interne «r», ovvero dei target di temperatura di bulbo asciutto e umidità relativa dell aria umida interna 27

28 CONDIZIONI DI PROGETTO INTERNE Le condizioni «r» di temperatura di bulbo asciutto e umidità relativa dell aria umida interna (CONDIZIONI DI PROGETTO INTERNE) sono definite sulla base di norme tecniche o indicazioni del committente Estate: T r = 26 C (norma UNI 10339) UR r = 50-60% (norma UNI 10339) Inverno: T r definita dalla norma UNI EN in funzione della destinazione d uso UR r = 35-45% (UNI 10339) 28

29 CONDIZIONI DI PROGETTO INTERNE UNI EN (Inverno) 29

30 CONDIZIONI DI PROGETTO INTERNE Estate Esempio: T r = 26 C UR r = 50% r 30

31 CONDIZIONI DI PROGETTO INTERNE Inverno Esempio: T r = 20 C UR r = 40% r 31

32 PROGETTAZIONE IMPIANTI CLIMATIZZAZIONE Passi da seguire per la progettazione di un impianto di climatizzazione: 1) Definizione delle condizioni di progetto interne «r», ovvero dei target di temperatura di bulbo asciutto e umidità relativa dell aria umida interna 2) Calcolo dei carichi 32

33 CALCOLO DEI CARICHI Con riferimento ad un volume di controllo contenente solo e soltanto l aria umida interna, si osserva che tale volume di controllo è soggetto a scambi di potenza in modalità calore e associati a flussi di massa con l ambiente esterno. Tali potenze che attraversano il volume di controllo considerato prendono il nome di «carichi». Tali carichi tendono a modificare i valori della temperatura di bulbo asciutto e/o dell umidità relativa dell aria umida interna rispetto a quelli di progetto. Si distingue tra: i carichi che comportano solo una variazione della temperatura di bulbo asciutto dell aria umida interna, detti «sensibili» i carichi che comportano solo una variazione del titolo dell aria umida interna, detti «latenti» I principali carichi (sensibili e/o latenti) sono: CARICO DI TRASMISSIONE CARICO DOVUTO ALLA RADIAZIONE SOLARE CARICO INTERNO Q I Q T Q RS 33

34 CARICO DI TRASMISSIONE Carico di trasmissione Q T : potenza termica scambiata per conduzione, convezione e irraggiamento attraverso gli elementi opachi e semi-trasparenti dell involucro a causa della differenza di temperatura tra l ambiente interno ed esterno 34

35 CARICO DI TRASMISSIONE Stagione invernale Stagione estiva Il carico di trasmissione è generalmente diretto dal volume di controllo verso l esterno durante la stagione invernale (T e bassa). Il carico di trasmissione è generalmente diretto dall esterno verso il volume di controllo durante la stagione estiva (T e alta). 35

36 CARICO DI TRASMISSIONE Il carico di trasmissione rappresenta solo un CARICO SENSIBILE (comporta una modifica della sola temperatura di bulbo asciutto dell aria umida interna) 36

37 CALCOLO CARICO DI TRASMISSIONE Un metodo semplificato per il calcolo del carico di trasmissione consiste nell ipotizzare il regime stazionario e riferirsi alle condizioni invernali più gravose considerando una temperatura esterna di progetto «cautelativa» fornita dalla norme tecniche in funzione della località. INVERNO Norma UNI /17 prof. ROSATO 37

38 CALCOLO CARICO DI TRASMISSIONE Un metodo semplificato per il calcolo del carico di trasmissione consiste nell ipotizzare il regime stazionario e riferirsi alle condizioni estive più gravose considerando una temperatura esterna di progetto «cautelativa» fornita dalla norme tecniche in funzione della località. ESTATE Norma UNI /17 prof. ROSATO 38

39 CARICO DOVUTO ALLA RADIAZIONE SOLARE Carico dovuto alla radiazione solare Q RS : potenza termica scambiata tra l esterno e l interno a causa della radiazione solare incidente Stagione invernale e estiva Il carico dovuto alla radiazione solare è sempre diretto verso il volume di controllo sia durante la stagione invernale che durante la stagione estiva 39

40 CARICO DOVUTO ALLA RADIAZIONE SOLARE Il carico dovuto alla radiazione solare rappresenta solo un CARICO SENSIBILE (comporta una modifica della sola temperatura di bulbo asciutto dell aria umida interna) 40

41 CALCOLO CARICO DOVUTO ALLA RADIAZIONE SOLARE Il carico dovuto alla radiazione solare varia con la località, nonché con l inclinazione e l orientamento delle superfici. A parità di altre condizioni, esso varia nel tempo a causa della variazione della radiazione solare al variare del mese, del giorno e dell ora del giorno. Intensità della radiazione solare [W/m 2 ] per una parete verticale variamente orientata, località a 45 di latitudine NORD, 23 luglio 41

42 CARICO INTERNO Stagione invernale e estiva Q I Carico interno : potenza termica scambiata tra il volume di controllo e le persone Q I, p gli apparecchi di illuminazione ed altre apparecchiature Q I, altro Il carico interno è sempre diretto verso il volume di controllo sia durante la stagione invernale che durante la stagione estiva 42

43 CARICO INTERNO Il carico interno rappresenta sia un CARICO SENSIBILE (persone Q S, I, p, apparecchi di illuminazione Q S, I, altro ) ed un CARICO LATENTE (persone Q L, I, p ) in quanto comporta una modifica sia della temperatura di bulbo asciutto che dell umidità relativa dell aria umida interna 43

44 CALCOLO CARICO INTERNO Il carico interno dipende principalmente dal numero di persone presenti e dalla loro attività, nonchè dal numero, dalla tipologia e dalla potenza elettrica nominale degli apparecchi di illuminazione e delle altre apparecchiature attive. Il carico interno varia nel tempo a causa della variazione del numero di persone e della loro attività, nonché del numero e della tipologia di apparecchi di illuminazione o di altri apparecchi 44

45 CALCOLO CARICO INTERNO Contributo delle persone Le persone contribuiscono al carico interno totale sia con un aliquota sensibile che con un aliquota latente, la cui intensità dipende sostanzialmente dal tipo di attività svolta 45

46 CALCOLO CARICO INTERNO Contributo delle persone ATTIVITÀ Sensibile [W] Latente [W] Totale [W] Seduto a teatro durante il giorno Seduto a teatro durante la sera Seduto, lavoro leggerissimo Moderata attività di ufficio In piedi, lavoro leggero Camminare, stare in piedi Lavoro sedentario Lavoro al banco leggero Ballare moderatamente Camminare alla velocità di 4.8 km/h Giocare a bowling Lavoro pesante Lavoro pesante alla macchina Atletica

47 CALCOLO CARICO INTERNO Contributo degli apparecchi di illuminazione Gli apparecchi di illuminazione contribuiscono al carico interno totale solo con un aliquota sensibile, la cui intensità dipende sostanzialmente dal tipo di sorgente luminosa e dalla relativa potenza elettrica nominale: - circa il 90% della potenza elettrica consumata da una sorgente luminosa a incandescenza è dissipata in potenza termica verso l aria umida interna. - circa il 70% della potenza elettrica consumata da una sorgente luminosa a scarica è dissipata in potenza termica verso l aria umida interna. 47

48 CALCOLO CARICO INTERNO Contributo degli altri apparecchi Apparecchio TV Frigorifero Congelatore Lavastoviglie Lavatrice Computer Fotocopiatrice/stampante Carico interno sensibile 300 W 320 W 540 W 50 W 50 W W W 48

49 PROGETTAZIONE IMPIANTI CLIMATIZZAZIONE Passi da seguire per la progettazione di un impianto di climatizzazione: 1) Definizione delle condizioni di progetto interne «r», ovvero dei target di temperatura di bulbo asciutto e umidità relativa dell aria umida interna 2) Calcolo dei carichi 3) Calcolo del fattore RST (Rapporto Sensibile sutotale) 49

50 CALCOLO FATTORE RST RST i i Q S, i S, i i Q Q Q Q S, i L TOT Q Si, Q L : i-esima aliquota sensibile del carico complessivo : aliquota latente del carico complessivo Il calcolo del fattore RST deve essere condotto separatamente per la stagione estiva e per la stagione invernale. Nel calcolo di RST: - i carichi uscenti dall aria umida interna devono essere presi con il segno negativo, mentre i carichi entranti nell aria umida interna devono essere presi con il segno positivo - in genere si considerano i valori assoluti massimi del carico di trasmissione, del carico dovuto alla radiazione solare e del carico interno (condizioni di progetto più gravose). 50

51 ESERCIZIO 13 Si consideri una sala conferenze occupata, durante la stagione estiva, da 120 persone. Ciascuna persona contribuisce con un carico sensibile di 80 W e un carico latente di 31 W. Il carico interno dovuto agli apparecchi di illuminazione e agli altri apparecchi elettrici risulta trascurabile. Il carico di trasmissione è pari a 13.4 kw. Il carico dovuto alla radiazione solare è trascurabile. Determinare: - il fattore RST Soluzione i QS, i QT QS, I, p x W Q = Q Q = Q Q x31 = W TOT S, i L T L, I, p i RST= = In estate il carico sensibile è positivo e il carico latente interno è positivo RST>0 e RST<1 51

52 ESERCIZIO 14 Si consideri un ufficio open space occupato, durante la stagione invernale, da 30 persone che svolgono una «moderata attività di ufficio». Il carico interno dovuto agli apparecchi di illuminazione e agli altri apparecchi elettrici risulta pari a 2000 W. Il carico di trasmissione risulta pari a 7 kw. Il carico dovuto alla radiazione solare è trascurabile. Determinare: - il fattore RST Soluzione i QS, i QT QS, I, p QS, I, altro x W Q = Q Q = x55 = W TOT S, i L i RST= = In inverno, in genere (ma non sempre), il carico sensibile netto è uscente (e, quindi, negativo), il carico latente è positivo e il carico sensibile netto è in valore assoluto maggiore del carico latente per cui RST>1 52

53 PROGETTAZIONE IMPIANTI CLIMATIZZAZIONE Passi da seguire per la progettazione di un impianto di climatizzazione: 1) Definizione delle condizioni di progetto interne «r», ovvero dei target di temperatura di bulbo asciutto e umidità relativa dell aria umida interna 2) Calcolo dei carichi 3) Calcolo del fattore RST (Rapporto Sensibile sutotale) 4) Tracciamento della «retta ambiente» sul diagramma psicrometrico 53

54 RETTA AMBIENTE 54

55 RETTA AMBIENTE Esempio: RST = 0.7 1) Individuare il valore di RST calcolato sul semicerchio interno 2) Tracciare la retta passante per il centro del semicerchio e il valore di RST individuato sul semicerchio interno 55

56 RETTA AMBIENTE Esempio: RST = 0.7 3) Tracciare sul diagramma psicrometrico la retta parallela a quella individuata sul semicerchio (tramite il valore di RST) e passante per il punto rappresentativo delle condizioni di progetto interne «r» Tale retta prende il nome di «retta ambiente». r 56

57 ESERCIZIO 15 Si consideri una sala conferenze occupata, durante la stagione estiva, da 120 persone. Ciascuna persona contribuisce con un carico sensibile di 80 W e un carico latente di 31 W. Il carico interno dovuto agli apparecchi di illuminazione e agli altri apparecchi elettrici risulta trascurabile. Il carico di trasmissione è pari a 13.4 kw. Il carico dovuto alla radiazione solare è trascurabile. Si vuole mantenere una temperatura interna di T r =25 C con UR r =50%. Riportare sul diagramma psicrometrico la retta ambiente Soluzione RST = RST= = r 57

58 ESERCIZIO 16 Si consideri un ufficio open space occupato, durante la stagione invernale, da 30 persone che svolgono una «moderata attività di ufficio». Il carico interno dovuto agli apparecchi di illuminazione e agli altri apparecchi elettrici risulta pari a 2000 W. Il carico di trasmissione risulta pari a 7 kw. Il carico dovuto alla radiazione solare è trascurabile. Si vuole mantenere una temperatura interna di T r =22 C con UR r =50% Riportare sul diagramma psicrometrico la retta ambiente Soluzione RST = RST= = r 58

59 PROGETTAZIONE IMPIANTI CLIMATIZZAZIONE Passi da seguire per la progettazione di un impianto di climatizzazione: 1) Definizione delle condizioni di progetto interne «r», ovvero dei target di temperatura di bulbo asciutto e umidità relativa dell aria umida interna 2) Calcolo dei carichi 3) Calcolo del fattore RST (Rapporto Sensibile sutotale) 4) Tracciamento della «retta ambiente» sul diagramma psicrometrico 5) Definizione delle condizioni di progetto esterne «e», ovvero le condizioni di temperatura di bulbo asciutto e umidità relativa dell aria umida esterna 59

60 CONDIZIONI DI PROGETTO ESTERNE Un impianto di climatizzazione controlla la temperatura e l umidità relativa dell aria umida interna prelevando una opportuna portata di aria esterna e immettendola nell ambiente interno dopo averne modificato opportunamente la sua temperatura e il suo titolo. Contemporaneamente viene estratta dall ambiente da climatizzare una pari portata. In quali condizioni di temperatura e umidità relativa si trova l aria umida esterna prelevata dall impianto di climatizzazione? 60

61 CONDIZIONI DI PROGETTO ESTERNE INVERNO UR e Norma UNI % T e -> Norma UNI

62 CONDIZIONI DI PROGETTO ESTERNE ESTATE UR e Norma UNI T e -> Norma UNI

63 CONDIZIONI DI PROGETTO ESTERNE Estate T e = 32 C UR e = 50% r e 63

64 CONDIZIONI DI PROGETTO ESTERNE Inverno T e = 0 C UR e = 60% e r 64

65 PROGETTAZIONE IMPIANTI CLIMATIZZAZIONE Passi da seguire per la progettazione di un impianto di climatizzazione: 1) Definizione delle condizioni di progetto interne «r», ovvero dei target di temperatura di bulbo asciutto e umidità relativa dell aria umida interna 2) Calcolo dei carichi 3) Calcolo del fattore RST (Rapporto Sensibile sutotale) 4) Tracciamento della «retta ambiente» sul diagramma psicrometrico 5) Definizione delle condizioni di progetto esterne «e», ovvero le condizioni di temperatura di bulbo asciutto e umidità relativa dell aria umida esterna 6) Individuazione delle condizioni di immissione «i» dell aria umida trattata 65

66 CONDIZIONI DI IMMISSIONE La «retta ambiente» rappresenta il luogo dei punti di possibile immissione dell aria umida nell ambiente da climatizzare. Lo stato d immissione «i» sul diagramma psicrometrico deve trovarsi, quindi, sulla retta ambiente. Conoscendo la retta ambiente e lo stato di progetto interno «r», è possibile determinare semplicemente e completamente lo stato di immissione «i», fissando un ipotetica temperatura di immissione T i : - la temperatura di immissione T i deve essere maggiore della temperatura di progetto interna T r durante l inverno - la temperatura di immissione T i deve essere minore della temperatura di progetto interna T r durante l estate - il valore assoluto della differenza tra la temperatura di immissione e la temperatura interna di progetto non deve essere maggiore di C sia durante l inverno che durante l estate 66

67 CONDIZIONI DI IMMISSIONE - ESTATE RST = 0.86 i r Max C 67

68 CONDIZIONI DI IMMISSIONE - INVERNO RST = 2.5 r i Max C 68

69 PROGETTAZIONE IMPIANTI CLIMATIZZAZIONE Passi da seguire per la progettazione di un impianto di climatizzazione: 1) Definizione delle condizioni di progetto interne «r», ovvero dei target di temperatura di bulbo asciutto e umidità relativa dell aria umida interna 2) Calcolo dei carichi 3) Calcolo del fattore RST (Rapporto Sensibile sutotale) 4) Tracciamento della «retta ambiente» sul diagramma psicrometrico 5) Definizione delle condizioni di progetto esterne «e», ovvero le condizioni di temperatura di bulbo asciutto e umidità relativa dell aria umida esterna 6) Individuazione delle condizioni di immissione «i» dell aria umida trattata 7) Determinazione della portata volumetrica di aria umida da immettere nelle condizioni di immissione «i» 69

70 Aria esterna di la e m U.T.A. PORTATA MASSICA DI IMMISSIONE - ESTATE CENTRALE TERMICA r Il bilancio di energia sull aria umida relativamente CLIMATIZZATO Aria di ripresa al volume di controllo che comprende l aria umida all interno del locale climatizzato, nell ipotesi di regime stazionario, fornisce per l estate: m a,i hi Q TOT m a,i hr m a,i QTOT hr- hi i Aria di immissione portata massica di aria secca di immissione Volume di controllo r LOCALE CLIMATIZZATO LOCALE r Q T TOT Q Q Q TOT S, i L i 70

71 Aria esterna e di a m U.T.A. PORTATA MASSICA DI IMMISSIONE - INVERNO CENTRALE TERMICA r Volume di controllo i Aria di immissione LOCALE CLIMATIZZATO LOCALE CLIMATIZZATO Il bilancio di energia Aria di sull aria ripresaumida relativamente al volume di controllo che comprende l aria umida all interno del locale climatizzato nell ipotesi di regime stazionario fornisce per l inverno: m a,i hi m a,i hr QTOT m as,i QTOT hi- hr portata massica di aria secca di immissione r r Q TTOT Q Q Q TOT S, i L i Il carico totale netto deve essere utilizzato nell equazione di bilancio di energia in VALORE ASSOLUTO! 71

72 PORTATA VOLUMETRICA DI IMMISSIONE V m v i a,i i V i : portata volumetrica di aria umida di immissione v i : volume specifico dell aria umida nelle condizioni di immissione «i» 72

73 ESERCIZIO 17 Si consideri una sala conferenze occupata, durante la stagione estiva, da 120 persone. Ciascuna persona contribuisce con un carico sensibile di 80 W e un carico latente di 31 W. Il carico interno dovuto agli apparecchi di illuminazione e agli altri apparecchi elettrici risulta trascurabile. Il carico di trasmissione è pari a 13.4 kw. Il carico dovuto alla radiazione solare è trascurabile. Si vuole mantenere una temperatura interna di T r =25 C con UR r =50% quando all esterno si ha T e =32 C e UR e =60%. Si assuma una temperatura di immissione dell aria umida di 18 C. Determinare: - La portata volumetrica di aria umida da immettere nella sala conferenze Soluzione QTOT QS, i QL = W h = 51 kj/h r h = 42 kj/h i i i 3 v = m /kg i RST= = m a,i= = 2.97 kg/s V = = 2.49 m /s 3 73

74 ESERCIZIO 18 Si consideri un ufficio open space occupato, durante la stagione invernale, da 30 persone che svolgono una «moderata attività di ufficio». Il carico interno dovuto agli apparecchi di illuminazione e agli altri apparecchi elettrici risulta pari a 2000 W. Il carico di trasmissione massimo risulta pari a 7 kw. Il carico dovuto alla radiazione solare è trascurabile. Si vuole mantenere una temperatura interna di T r =22 C con UR r =50% quando all esterno si ha T e =5 C e UR e =70%. Si assuma una temperatura di immissione dell aria umida di 26 C. Determinare: - La portata volumetrica di aria umida da immettere nell ufficio open space Soluzione Q = Q Q = W TOT S, i L i h = 43 kj/h r h = 45 kj/h i i 3 v = m /kg i RST= = m a,i= = 0.55 kg/s V = = 0.47 m /s 3 74

75 PROGETTAZIONE IMPIANTI CLIMATIZZAZIONE Passi da seguire per la progettazione di un impianto di climatizzazione: 1) Definizione delle condizioni di progetto interne «r», ovvero dei target di temperatura di bulbo asciutto e umidità relativa dell aria umida interna 2) Calcolo dei carichi 3) Calcolo del fattore RST (Rapporto Sensibile sutotale) 4) Tracciamento della «retta ambiente» sul diagramma psicrometrico 5) Definizione delle condizioni di progetto esterne «e», ovvero le condizioni di temperatura e umidità relativa dell aria umida esterna 6) Individuazione delle condizioni di immissione «i» dell aria umida trattata 7) Determinazione della portata volumetrica di aria umida da immettere nelle condizioni «i» 8) Verifica limiti imposti dalla legge per le esigenze di controllo della qualità dell aria umida interna 75

76 CONTROLLO QUALITÀ ARIA UMIDA INTERNA Specifiche norme tecniche (UNI 10339) prescrivono ai fini del controllo della qualità dell aria opportune portate volumetriche di aria umida esterna specifiche, ovvero riferite: al numero di persone nel locale m 3 /(s persona), oppure alla superficie in pianta del locale m 3 /(s m 2 ) Nel caso in cui si abbiano a disposizione le informazioni necessaire al calcolo di tutte e due le portate volumetriche specifiche suggerite dalla norma, occorre considerare come riferimento normativo quella più elevata tra le due. Le portate volumetriche di aria umida esterna specifiche di riferimento vengono distinte in base alla destinazione d uso dell ambiente da climatizzare. 76

77 PORTATE VOLUMETRICHE DI RIFERIMENTO UNI Attenzione all unità di misura! 77

78 PORTATE VOLUMETRICHE DI RIFERIMENTO UNI

79 PORTATE VOLUMETRICHE DI RIFERIMENTO UNI

80 VERIFICA PORTATE DI IMMISSIONE Dal confronto tra la portata volumetrica di aria umida di immissione calcolata sulla base di una ipotizzata temperatura di immissione e la portata volumetrica di aria umida necessaria per garantire una adeguata qualità dell aria V IAQ potrebbero verificarsi i seguenti casi: V i V i V IAQ La portata d aria umida di immissione calcolata è esattamente sufficiente anche alle esigenze di controllo della qualità dell aria V i V IAQ La portata d aria umida di immissione calcolata è sovrabbondante rispetto alle esigenze di qualità dell aria V i V IAQ In tal caso non sarebbero soddisfatti i requisiti di legge in termini di qualità dell aria occorre scegliere una temperatura di immissione T i diversa e ripetere il calcolo finché non risulti: V i V IAQ 80

81 TEMPERATURA DI IMMISSIONE DI SECONDO TENTATIVO V i V IAQ Come si sceglie la temperatura di immissione T i di secondo tentativo??? ESTATE m a,i QTOT hr- hi Fissato il valore assoluto del carico totale INVERNO m a,i QTOT hi- hr Q TOT e fissate le condizioni di progetto interne «r» (e, quindi, h r ), dal bilancio di energia sull aria umida interna si ricava che la portata di immissione calcolata cresce man mano che la differenza di entalpia specifica diminuisce: OCCORRE SCEGLIERE UNA TEMPERATURA DI IMMISSIONE T i DI SECONDO TENTATIVO PIU VICINA ALLA TEMPERATURA DI PROGETTO T r E RIFARE I CONTI 81

82 V A i PORTATA DI IMMISSIONE MASSIMA canale w w : velocità aria umida nel canale V i : portata volumetrica di aria umida di immissione A canale : area della sezione del canale ortogonale alla direzione del flusso In genere la massima velocità dell aria umida nei canali di distribuzione dell aria negli ambienti da climatizzare si sceglie non superiore a 5 m/s L area della sezione massima del canale è definita dagli ingombri dei canale e dagli spazi a disposizione Il limite superiore di velocità dell aria umida, insieme al limite di ingombro a disposizione per i canali, definisce la massima portata volumetrica teorica di aria umida di immissione (e, quindi, la minima differenza teorica tra la temperatura di immissione e quella di progetto interna) 82

83 ESERCIZIO 19 Si consideri una sala conferenze occupata, durante la stagione estiva, da 120 persone. Ciascuna persona contribuisce con un carico sensibile di 80 W e un carico latente di 31 W. Il carico interno dovuto agli apparecchi di illuminazione e agli altri apparecchi elettrici risulta trascurabile. Il carico di trasmissione è pari a 13.4 kw. Il carico dovuto alla radiazione solare è trascurabile. Si vuole mantenere una temperatura interna di T r =25 C con UR r =50% quando all esterno si ha T e =32 C e UR e =60%. Si assuma una temperatura di immissione dell aria umida di 18 C. Verificare se la portata volumetrica di aria umida di immissione risulta sufficiente per le esigenze di controllo della qualità dell aria Soluzione m h Q m h a,i i TOT a,i r V = = 2.49 m /s i IAQ V = = 0.66 m /s V i V IAQ 83

84 ESERCIZIO 20 Si consideri un ufficio open space occupato, durante la stagione invernale, da 30 persone che svolgono una «moderata attività di ufficio». Il carico interno dovuto agli apparecchi di illuminazione e agli altri apparecchi elettrici risulta pari a 2000 W. Il carico di trasmissione massimo risulta pari a 7 kw. Il carico dovuto alla radiazione solare è trascurabile. Si vuole mantenere una temperatura interna di T r =22 C con UR r =50% quando all esterno si ha T e =5 C e UR e =70%. Si assuma una temperatura di immissione dell aria umida di 26 C. Verificare se la portata volumetrica di aria umida di immissione risulta sufficiente per le esigenze di controllo della qualità dell aria Soluzione m a,i hi m a,i hr QTOT V = = 0.47 m /s i IAQ V = = 0.33 m /s V i V IAQ 84

85 PROGETTAZIONE IMPIANTI CLIMATIZZAZIONE Passi da seguire per la progettazione di un impianto di climatizzazione: 1) Definizione delle condizioni di progetto interne «r», ovvero dei target di temperatura di bulbo asciutto e umidità relativa dell aria umida interna 2) Calcolo dei carichi 3) Calcolo del fattore RST (Rapporto Sensibile sutotale) 4) Tracciamento della «retta ambiente» sul diagramma psicrometrico 5) Definizione delle condizioni di progetto esterne «e», ovvero le condizioni di temperatura e umidità relativa dell aria umida esterna 6) Individuazione delle condizioni di immissione «i» dell aria umida trattata 7) Determinazione della portata volumetrica di aria umida da immettere nelle condizioni «i» 8) Verifica limiti imposti dalla legge per le esigenze di controllo della qualità dell aria umida interna 9) Scelta della tipologia impiantistica 85

86 IMPIANTI A TUTT ARIA Sebbene risulti sufficiente operare con una portata volumetrica di aria umida di immissione esattamente pari a quella suggerita dalla norma per il controllo della qualità dell aria: V i V IAQ in un impianto a tutt aria si opera con una portata volumetrica di aria umida di immissione maggiore di quella esattamente sufficiente anche alle esigenze di controllo della qualità dell aria: V i V IAQ In particolare si utilizza una portata volumetrica di aria umida di immissione somma di due aliquote: - una prima aliquota di portata volumetrica prelevata dall esterno ed esattamente pari a quella necessaria per il controllo della qualità dell aria: - una seconda aliquota di portata volumetrica prelevata dall ambiente da climatizzare: V IAQ V e V r 86

87 Un aliquota della portata dell aria di ripresa viene ricircolata (e mescolata con quella necessaria per il controllo della qualità dell aria) V r Aria espulsa r aria di ricircolo sezione di miscela IMPIANTI A TUTT ARIA Aria esterna e m U.T.A. CENTRALE TERMICA r Aria di ripresa Volume di controllo i Aria di immissione r LOCALE CLIMATIZZATO La portata necessaria alle esigenze di qualità dell aria viene prelevata dall esterno U.T.A. = Unità di Trattamento Aria "e" = condizioni dell aria umida esterna usata per il controllo della qualità dell aria "r" = condizioni di progetto interne (si assume che le condizioni dell aria umida di ripresa coincidano con quelle di progetto interne) "i" = condizioni dell aria umida di immissione "m" = condizioni dell aria umida a valle del mescolamento adiabatico tra l aria umida di ricircolo e l aria umida esterna V IAQ V r e 87

88 MESCOLAMENTO ADIABATICO x x 3 Determinazione grafica punto m ma, m a,3 ma, m a,3 Determinazione analitica punto m w h 3 3 m w m w a,1 1 a,2 2 m a,3 m h m h m a,1 1 a,2 2 a,3 88

89 PROGETTAZIONE IMPIANTI CLIMATIZZAZIONE Passi da seguire per la progettazione di un impianto di climatizzazione: 1) Definizione delle condizioni di progetto interne «r», ovvero dei target di temperatura di bulbo asciutto e umidità relativa dell aria umida interna 2) Calcolo dei carichi 3) Calcolo del fattore RST (Rapporto Sensibile sutotale) 4) Tracciamento della «retta ambiente» sul diagramma psicrometrico 5) Definizione delle condizioni di progetto esterne «e», ovvero le condizioni di temperatura e umidità relativa dell aria umida esterna 6) Individuazione delle condizioni di immissione «i» dell aria umida trattata 7) Determinazione della portata volumetrica di aria umida da immettere nelle condizioni «i» 8) Verifica limiti imposti dalla legge per le esigenze di controllo della qualità dell aria umida interna 9) Scelta della tipologia impiantistica 10) Individuazione delle trasformazioni elementari dell aria umida da realizzare nell Unita di Trattamento Aria (U.T.A.) 89

90 TRASFORMAZIONI ELEMENTARI NELL U.T.A. ESTATE 1) Mescolamento adiabatico 2) Raffreddamento con deumidificazione 3) Semplice riscaldamento (anche detto postriscaldamento) 90

91 TRASFORMAZIONI ELEMENTARI NELL U.T.A. 1) Mescolamento adiabatico 2) Semplice riscaldamento (o pre-riscaldamento) 3) Umidificazione con acqua in fase liquida (A -i) OPPURE A A 1) Mescolamento adiabatico 2) Semplice riscaldamento (o pre-riscaldamento) 3) Umidificazione con acqua in fase aeriforme (A-i) 2016/17 prof. ROSATO 91

92 PROGETTAZIONE IMPIANTI CLIMATIZZAZIONE Passi da seguire per la progettazione di un impianto di climatizzazione: 1) Definizione delle condizioni di progetto interne «r», ovvero dei target di temperatura di bulbo asciutto e umidità relativa dell aria umida interna 2) Calcolo dei carichi 3) Calcolo del fattore RST (Rapporto Sensibile sutotale) 4) Tracciamento della «retta ambiente» sul diagramma psicrometrico 5) Definizione delle condizioni di progetto esterne «e», ovvero le condizioni di temperatura e umidità relativa dell aria umida esterna 6) Individuazione delle condizioni di immissione «i» dell aria umida trattata 7) Determinazione della portata volumetrica di aria umida da immettere nelle condizioni «i» 8) Verifica limiti imposti dalla legge per le esigenze di controllo della qualità dell aria umida interna 9) Scelta della tipologia impiantistica 10) Individuazione delle trasformazioni elementari dell aria umida da realizzare nell Unita di Trattamento Aria (U.T.A.) 11) Dimensionamento dell Unita di Trattamento Aria (U.T.A.) 92

93 UNITÀ DI TRATTAMENTO ARIA (U.T.A.) Configurazione usuale AE: Aria esterna AR: Aria di ripresa (dall ambiente da climatizzare) AS: Aria espulsa AM: Aria di mandata (verso l ambiente da climatizzare) Vm: Ventilatore di mandata Vr: Ventilatore di ripresa S: Serrande di regolazione delle portate F: Filtro Bpre: Batteria alettata di preriscaldamento (alimentata con fluido caldo) BF: Batteria alettata di raffreddamento e deumidificazione (alimentata con fluido freddo) Um: Umidificatore con acqua liquida/aeriforme Bpost: Batteria alettata di postriscaldamento (alimentata con fluido caldo) 93

94 BATTERIA ALETTATA Aria umida in ingresso IN/OUT fluido caldo/freddo proveniente dalla centrale termica 94

95 UNITÀ DI TRATTAMENTO ARIA (U.T.A.) Nella stagione estiva tipicamente sono attive: - Batteria di raffreddamento e deumidificazione - Batteria di post-riscaldamento Nella stagione invernale tipicamente sono attive: - Batteria di pre-riscaldamento - Umidificatore con acqua liquida/aeriforme 95

96 INGOMBRI DELL U.T.A. 96 La U.T.A. è installata fuori dall ambiente da condizionare, in genere in un locale tecnico apposito (oppure su un solaio di copertura oppure in un area attrezzata all aperto) C In questa tabella sono indicate le dimensioni di massima delle U.T.A. in funzione della portata volumetrica d aria umida

97 INGOMBRO LOCALE TECNICO PER L U.T.A. 97 La norma UNI EN fornisce indicazioni di massima sugli spazi necessari per il locale tecnico in cui può essere installata la U.T.A. in funzione della portata volumetrica d aria umida

98 PROGETTAZIONE IMPIANTI CLIMATIZZAZIONE Passi da seguire per la progettazione di un impianto di climatizzazione: 1) Definizione delle condizioni di progetto interne «r», ovvero dei target di temperatura di bulbo asciutto e umidità relativa dell aria umida interna 2) Calcolo dei carichi 3) Calcolo del fattore RST (Rapporto Sensibile sutotale) 4) Tracciamento della «retta ambiente» sul diagramma psicrometrico 5) Definizione delle condizioni di progetto esterne «e», ovvero le condizioni di temperatura e umidità relativa dell aria umida esterna 6) Individuazione delle condizioni di immissione «i» dell aria umida trattata 7) Determinazione della portata volumetrica di aria umida da immettere nelle condizioni «i» 8) Verifica limiti imposti dalla legge per le esigenze di controllo della qualità dell aria umida interna 9) Scelta della tipologia impiantistica 10) Individuazione delle trasformazioni elementari dell aria umida da realizzare nell Unita di Trattamento Aria (U.T.A.) 11) Dimensionamento dell Unita di Trattamento Aria (U.T.A.) 98

99 DIMENSIONAMENTO BATTERIA FREDDA DELL U.T.A. ESTATE U.T.A. r e V.C. 1 V.C. 2 r r m _ A + i Q BF m co La batteria di raffreddamento e deumidificazione è attraversata da un fluido freddo a temperatura minore di T A Bilancio di massa sul volume di controllo V.C.1 relativo all acqua in regime stazionario: m w m w m a, i m a, i A co Bilancio di energia sul volume di controllo V.C.1 relativo all aria umida (aria secca+acqua) in regime stazionario: m h m h m h Q a, i m a, i A co co BF Q BC m m w w co a, i m A Q m h h m h BF a, i m A co co 99

100 DIMENSIONAMENTO BATTERIA CALDA DELL U.T.A. ESTATE U.T.A. r e V.C. 1 V.C. 2 r r m _ A + i a, i A a, i i Q BF m co La batteria di post-riscaldamento è attraversata da un fluido caldo a temperatura maggiore di T i Bilancio di massa sul volume di controllo V.C.2 relativo all acqua in regime stazionario: m w m w wa wi Bilancio di energia sul volume di controllo V.C.2 relativo all aria umida (aria secca+acqua) in regime stazionario: m h Q m h a, i A BC a, i i Q BC Q m h h BC a, i i A 100

101 ESERCIZIO 21 Si consideri una sala conferenze occupata, durante la stagione estiva, da 120 persone. Ciascuna persona contribuisce con un carico sensibile di 80 W e un carico latente di 31 W. Il carico interno dovuto agli apparecchi di illuminazione e agli altri apparecchi elettrici risulta trascurabile. Il carico di trasmissione è pari a 13.4 kw. Il carico dovuto alla radiazione solare è trascurabile. Si vuole mantenere una temperatura interna di T r =25 C con UR r =50% quando all esterno si ha T e =32 C e UR e =60%. Si assuma una temperatura di immissione dell aria umida di T i =18 C. Determinare: - Il fattore RST - La portata massica di aria secca di immissione - La portata volumetrica di aria umida di immissione - La portata volumetrica di aria umida esterna - La portata massica di aria secca esterna - La portata massica di aria secca di ricircolo - La portata volumetrica di aria umida di ricircolo - Le trasformazioni sul diagramma psicrometrico - La portata massica di acqua condensata - La potenza termica della batteria fredda - La potenza termica della batteria calda 101

102 ESERCIZIO 21 Soluzione RST= = h = 51 kj/h r h = 42 kj/h i i m a,e 3 v = m /kg m a,i= = 2.97 kg/s i V = = 2.49 m /s IAQ e = = 0.74 kg/s V = V = = 0.66 m /s 102

103 ESERCIZIO 21 Soluzione m = m - m = = 2.23 kg/s a,r a,i a,e V r = = 1.91 kg/s h m= 58 kj/kg w m = 12 g/kg m m w w, = 8.0 g/s co a i m A L entalpia specifica dell acqua condensata deve essere calcolata come: h co =c p T A c p = calore specifico acqua in fase liquida = 4.19 kj/(kg C) T A = temperatura dell aria umida nello stato finale della trasformazione di raffreddamento e deumidificazione QBF ma, i hm ha mco hco = 63.4 kw QBC ma, i hi ha kw 103

104 ESERCIZIO 21 RST = 0.86 re 5.7 cm mae, rm re 1.42 cm m m a, e a, r e m A i r Le distanze indicate cambiano al variare del formato di stampa del diagramma 104

105 DIMENSIONAMENTO BATTERIE CALDE E UMIDIFICATORE DELL U.T.A. INVERNO r er U.T.A. V.C. e 1 U.T.A. V.C. V.C. 2 1 V.C. 32 V.C. 3 r r r m + ma + BA + B + i i Q PRE Q l PRE m Q POST m l Q POST Proporzionamento della batteria di pre-riscaldamento Bilancio di energia sul volume di controllo V.C.1 relativo all aria umida (aria secca+acqua) in regime stazionario: m h Q m h a, i m PRE a, i A Q m h h PRE a, i A m Proporzionamento umidificatore Bilancio di massa sul volume di controllo V.C.2 relativo all acqua in regime stazionario: m w m m w m m w w a, i A w a, i i w a, i i A 105

106 ESERCIZIO 22 Si consideri un ufficio open space occupato, durante la stagione invernale, da 30 persone che svolgono una «moderata attività di ufficio». Il carico interno dovuto agli apparecchi di illuminazione e agli altri apparecchi elettrici risulta pari a 2000 W. Il carico di trasmissione massimo risulta pari a 7 kw. Il carico dovuto alla radiazione solare è trascurabile. Si vuole mantenere una temperatura interna di T r =22 C con UR r =50% quando all esterno si ha T e =5 C e UR e =70%. Si assuma una temperatura di immissione dell aria umida di T i =26 C. Determinare: - Il fattore RST - La portata massica di aria secca di immissione - La portata volumetrica di aria umida di immissione - La portata volumetrica di aria umida esterna - La portata massica di aria secca esterna - La portata massica di aria secca di ricircolo - La portata massica di aria secca di ricircolo - La portata volumetrica di aria umida di ricircolo - Le trasformazioni dell aria umida sul diagramma psicrometrico (ipotizzando una umidificazione con acqua liquida) - La potenza della batteria calda (ipotizzando una umidificazione con acqua liquida) - La portata massica di acqua necessaria all umidificazione (ipotizzando una umidificazione con acqua liquida) - Le trasformazioni dell aria umida sul diagramma psicrometrico (ipotizzando una umidificazione con acqua aeriforme) - La potenza della batteria calda (ipotizzando una umidificazione con acqua aeriforme) - La portata massica di acqua necessaria all umidificazione (ipotizzando una umidificazione con acqua aeriforme) 106

107 ESERCIZIO 22 Soluzione RST= = h = 43 kj/h r h = 45 kj/h i 3 v i= m /kg 1.1 m a,i= = 0.55 kg/s i V = = 0.47 m /s IAQ e V =V = = 0.33 m /s m a,e = = 0.42 kg/s 107

108 ESERCIZIO 22 Soluzione m a,r = ma,i- m a,e= = 0.13 kg/s V r = = 0.11 kg/s h m= 21.6 kj/kg w m = 4.9 g/kg Umidificazione con acqua in fase liquida Q m h h, kw PRE a i A m m m w w, g/s w a i i A Umidificazione con acqua in fase aeriforme Q m h h, kw PRE a i A m m m w w, g/s w a i i A 108

109 ESERCIZI 22 RST = 2.5 re 8.7 cm mae, rm re m m a, e a, r 6.60 cm m r i Le distanze indicate cambiano al variare del formato di stampa del diagramma e A A 109

110 PROGETTAZIONE IMPIANTI CLIMATIZZAZIONE Passi da seguire per la progettazione di un impianto di climatizzazione: 1) Definizione delle condizioni di progetto interne «r», ovvero dei target di temperatura di bulbo asciutto e umidità relativa dell aria umida interna 2) Calcolo dei carichi 3) Calcolo del fattore RST (Rapporto Sensibile sutotale) 4) Tracciamento della «retta ambiente» sul diagramma psicrometrico 5) Definizione delle condizioni di progetto esterne «e», ovvero le condizioni di temperatura e umidità relativa dell aria umida esterna 6) Individuazione delle condizioni di immissione «i» dell aria umida trattata 7) Determinazione della portata volumetrica di aria umida da immettere nelle condizioni «i» 8) Verifica limiti imposti dalla legge per le esigenze di controllo della qualità dell aria umida interna 9) Scelta della tipologia impiantistica 10) Individuazione delle trasformazioni elementari dell aria umida da realizzare nell Unita di Trattamento Aria (U.T.A.) 11) Dimensionamento dell Unita di Trattamento Aria (U.T.A.) 12) Selezione delle macchine per la produzione di energia termica e frigorifera 110

111 MACCHINE PER LA PRODUZIONE DI ENERGIA TERMICA E FRIGORIFERA La potenza termica e frigorifera necessaria al corretto funzionamento di un impianto di climatizzazione può essere prodotta attraverso diverse tipologie di macchine: Macchine frigorifere e pompe di calore a compressione di vapore elettriche Pompe di calore bivalenti a gas Macchine frigorifere ad assorbimento Macchine frigorifere ad adsorbimento Pannelli solari termici Sistemi di cogenerazione In questo corso tratteremo solo le macchine frigorifere e pompe di calore a compressione di vapore elettriche 111

112 SCHEMA DI FUNZIONAMENTO T A Q A 3 2 ORGANO DI LAMINAZIONE CONDENSATORE EVAPORATORE COMPRESSORE L 4 1 Motore elettrico T B Q B P el 1 -> refrigerante in fase aeriforme (bassa p, bassa T) 2 -> refrigerante in fase aeriforme (alta p, p 2 >>p 1, alta T, T 2 >>T 1 ) 3 -> refrigerante in fase liquida (alta p, p 3 p 2, alta T, T 3 <T 2 ) 4 -> refrigerante sottoforma di miscela bifase (bassa p, p 4 <<p 3, p 4 p 1, bassa T, T 4 <<T 3, T 4 T 1 ) 112

113 SCOPO Lo stesso sistema assume nomi diversi a seconda del suo scopo: - nel caso in cui lo scopo del sistema è sottrarre potenza termica Q B ad un ambiente, allora il sistema prende il nome di macchina frigorifera - nel caso in cui lo scopo del sistema è fornire potenza termica Q A ad un ambiente, allora il sistema prende il nome di pompa di calore 113

114 CLASSIFICAZIONE A seconda della natura del fluido termovettore interno ed esterno, si distinguono le seguenti tipologie di macchine frigorifere, pompe di calore e pompe di calore bivalenti a compressione di vapore elettriche: Fluido termovettore interno Fluido termovettore esterno ARIA ACQUA ARIA Aria-Aria Aria-Acqua ACQUA Acqua-Aria Acqua-Acqua 114

115 COP La prestazione delle macchine frigorifere/pompe di calore a compressione di vapore elettriche è definita dal seguente indice: COefficiente di Prestazione (COP) numeratore denominatore OBIETTIVO SPESA m.f. Macchina frigorifera COP m.f. Q L B Q P B el p.c. Pompa di calore COP p.c. Q L A Q P A el In regime estivo i costruttori e le norme di settore preferiscono utilizzano il parametro denominato EER (Energy Efficiency Ratio) in luogo del COP. Sebbene i simboli utilizzati siano diversi, il significato è lo stesso. 115

116 COP 116

117 CATALOGHI CLINT Il modello viene selezionato in base ai valori calcolati della potenza della batteria calda e fredda 117

118 PROGETTAZIONE IMPIANTI CLIMATIZZAZIONE Passi da seguire per la progettazione di un impianto di climatizzazione: 1) Definizione delle condizioni di progetto interne «r», ovvero dei target di temperatura di bulbo asciutto e umidità relativa dell aria umida interna 2) Calcolo dei carichi 3) Calcolo del fattore RST (Rapporto Sensibile su Totale) 4) Tracciamento della «retta ambiente» sul diagramma psicrometrico 5) Definizione delle condizioni di progetto esterne «e», ovvero le condizioni di temperatura e umidità relativa dell aria umida esterna 6) Individuazione delle condizioni di immissione «i» dell aria umida trattata 7) Determinazione della portata volumetrica di aria umida da immettere nelle condizioni «i» 8) Verifica limiti imposti dalla legge per le esigenze di controllo della qualità dell aria umida interna 9) Scelta della tipologia impiantistica 10) Individuazione delle trasformazioni elementari dell aria umida da realizzare nell Unita di Trattamento Aria (U.T.A.) 11) Dimensionamento dell Unita di Trattamento Aria (U.T.A.) 12) Selezione delle macchine per la produzione di energia termica e frigorifera 13) Dimensionamento dei canali ad aria 118

119 CANALI AD ARIA Sono gli elementi che permettono il trasporto dell aria dall U.T.A. ai singoli locali da climatizzare e viceversa. Il circuito ad aria si può sempre suddividere in due: -Mandata (immissione dell aria proveniente dalla Unità di Trattamento Aria ai singoli locali da climatizzare) -Ripresa (estrazione dell aria dai singoli locali da climatizzare verso l Unità di Trattamento Aria per il ricircolo e per l espulsione) 119

120 CANALI AD ARIA 120

121 DIMENSIONAMENTO CANALI AD ARIA A canale w : velocità aria umida nel canale V V w : portata volumetrica di aria umida di immissione A canale : area della sezione del canale ortogonale al flusso In genere la massima velocità dell aria umida in un canale si sceglie pari a 5 m/s per limitare la rumorosità, le perdite di carico e l eventuale trascinamento di goccioline d acqua liquida. Fissata la velocità dell aria umida nei canali e la portata di immissione, risulta fissata la sezione dei canali per la distribuzione dell aria umida nei locali da climatizzare I canali devono essere opportunamente coibentati per minimizzare le dispersioni termiche. 121

122 PROGETTAZIONE IMPIANTI CLIMATIZZAZIONE Passi da seguire per la progettazione di un impianto di climatizzazione: 1) Definizione delle condizioni di progetto interne «r», ovvero dei target di temperatura di bulbo asciutto e umidità relativa dell aria umida interna 2) Calcolo dei carichi 3) Calcolo del fattore RST (Rapporto Sensibile su Totale) 4) Tracciamento della «retta ambiente» sul diagramma psicrometrico 5) Definizione delle condizioni di progetto esterne «e», ovvero le condizioni di temperatura e umidità relativa dell aria umida esterna 6) Individuazione delle condizioni di immissione «i» dell aria umida trattata 7) Determinazione della portata volumetrica di aria umida da immettere nelle condizioni «i» 8) Verifica limiti imposti dalla legge per le esigenze di controllo della qualità dell aria umida interna 9) Scelta della tipologia impiantistica 10) Individuazione delle trasformazioni elementari dell aria umida da realizzare nell Unita di Trattamento Aria (U.T.A.) 11) Dimensionamento dell Unita di Trattamento Aria (U.T.A.) 12) Selezione delle macchine per la produzione di energia termica e frigorifera 13) Dimensionamento dei canali ad aria 14) Selezione dei terminali ad aria 122

123 TERMINALI AD ARIA Il terminale ad aria (o aeraulico) è un apparecchio collocato in ambiente che consente l immissione dell aria nell ambiente da climatizzare e che, contemporaneamente, consente anche il controllo direzionale sulla vena fluida. Si distinguono sostanzialmente 2 tipologie di terminali: bocchette diffusori A sua volta, ciascuna tipologia di terminale si differenzia in funzione del tipo di installazione: a parete a soffitto a pavimento 123

124 BOCCHETTE Bocchette a singolo filare orientabile Bocchette a Doppio Filare Bocchette a barre frontali fisse 124

125 DIFFUSORI Diffusori circolari a coni regolabili Diffusori quadrati o rettangolari multidirezionali Diffusori lineari a soffitto Diffusori a flusso elicoidale Diffusori ad alette Diffusori ad ugelli Diffusori a pavimento Diffusori a dislocamento

126 SELEZIONE TIPOLOGIA TERMINALI AD ARIA 126

127 IMPIANTI DI CONDIZIONAMENTO 127

128 IMPIANTI DI CONDIZIONAMENTO Impianto Riscaldamento Parametri controllati Temperatura di bulbo asciutto dell aria umida in inverno Raffrescamento Riscaldamento e raffrescamento (condizionamento) Climatizzazione Temperatura di bulbo asciutto dell aria umida in estate Temperatura di bulbo asciutto dell aria umida sia in inverno che in estate Temperatura di bulbo asciutto dell aria umida (estate ed inverno) Umidità relativa dell aria umida (estate ed inverno) Velocità dell aria umida (estate ed inverno) Qualità dell aria umida (estate ed inverno) 128

129 TIPOLOGIE IMPIANTI CONDIZIONAMENTO Esistono 2 principali tipi di impianti di condizionamento: 1) Ad acqua 2) Ad espansione diretta 129

130 IMPIANTI DI CONDIZIONAMENTO AD ACQUA Si produce, tramite una pompa di calore bivalente elettrica acqua-acqua o aria-acqua, un fluido termovettore (in genere acqua) caldo o freddo, il quale viene inviato, tramite una pompa, ad uno o più terminali idronici ubicati nell ambiente da condizionare e in corrispondenza dei quali avviene il riscaldamento/raffrescamento dell aria umida interna Acqua calda (periodo di riscaldamento) Acqua fredda (periodo di raffrescamento) Macchine per la produzione del fluido caldo o freddo Q H Terminale idronico Q C 130

131 IMPIANTI DI CONDIZIONAMENTO AD ESPANSIONE DIRETTA Il terminale idronico, ubicato nel locale da condizionare, contiene proprio lo scambiatore di calore (in cui fluisce il refrigerante) della pompa di calore elettrica bivalente che funge da condensatore (stagione invernale) o da evaporatore (stagione estiva) Q H Macchina per il riscaldamento/raffresca mento diretto dell aria umida interna Terminale idronico Q C 131

132 TERMINALI IDRONICI Fan-coil Batteria di tubi 132

133 TERMINALI IDRONICI Fan-coil A parete A soffitto A pavimento 133

134 ESEMPIO IMPIANTO DI CONDIZIONAMENTO AD ACQUA 1) Definizione della temperatura di progetto interna e esterna 20 C/26 C, 0 C/32 C 2) Calcolo dei carichi sensibili 8.8 kw per riscaldamento, 9.5 kw per raffrescamento 3) Scelta della tipologia impiantistica ad acqua 4) Scelta della tipologia della macchina per la produzione di energia termica e frigorifera pompa di calore bivalente a compressione di vapore elettrica 5) Scelta della tipologia di terminali idronici fan-coil 6) Scelta del modello della macchina per la produzione di energia termica/frigorifera 7) Scelta del modello dei terminali idronici 134

135 ESEMPIO IMPIANTO DI CONDIZIONAMENTO AD ESPANSIONE DIRETTA Q H UNITA ESTERNA: Compressore, scambiatore di calore, valvola di laminazione UNITA INTERNA: Terminale idronico Q C UNITA INTERNA UNITA ESTERNA

136 CATALOGO POMPA DI CALORE BIVALENTE ELETTRICA CLINT Il modello da selezionare deve avere una potenza termica e frigorifera nominali non inferiori, rispettivamente, al carico termico (8.8 kw) e frigorifero (9.5 kw) sensibili 136

137 TERMINALI - Selezione Fan-coil 1) Si sceglie il numero di fan-coil da installare -> 6 (esempio) AERMEC 2) Ogni fan-coil deve avere una potenza termica e frigorifera nominali (alla minima velocità del ventilatore) atte a garantire la relativa quota di carico sensibile: 8.8 kw th /6 = 1.47 kw th, 9.5 kw f /6 = 1.58 kw f -> MODELLO:

138 IMPIANTO DI RISCALDAMENTO AD ACQUA TERMINALI IDRONICI POMPA CALDAIA A GAS NATURALE 138

139 TERMINALI IDRONICI - RADIATORI GHISA: ALLUMINIO ACCIAIO 139

140 TERMINALI IDRONICI - RADIATORI Se possibile, il radiatore deve essere installato, sotto la finestra per garantire una migliore uniformità della temperatura dell aria umida interna 140

141 TERMINALI IDRONICI - RADIATORI Ogni elemento del radiatore è caratterizzata da una specifica potenza termica nominale Q n determinata sperimentalmente dal produttore secondo specifiche procedure indicate dalla norma UNI EN 6514 T 1 T amb = 20 C T m = (T 1 + T 2 )/2 T 2 DT = T m T amb = 60 C A volte i produttori forniscono la potenza nominale di ogni singolo elemento anche per differenze di temperatura diverse da DT 60 C o indicano l esponente «n» indicato nella formula seguente: Q = Q n n DT

142 IMPIANTO DI RISCALDAMENTO AD ACQUA 1) Definizione della temperatura di progetto interna e esterna 20 C, 0 C 2) Calcolo dei carichi sensibili 25.6 kw (8.8 kw per riscaldamento kw per DHW) 3) Scelta della tipologia impiantistica ad acqua 4) Scelta della tipologia della macchina per la produzione di energia termica caldaia a gas naturale 5) Scelta della tipologia di terminali idronici radiatori 6) Scelta del modello della macchina per la produzione di energia termica 7) Dimensionamento dei terminali idronici 142

143 VAILLANT ESEMPIO IMPIANTO DI RISCALDAMENTO AD ACQUA Catalogo caldaia Il modello da selezionare deve avere una potenza termica nominale non inferiore al carico termico sensibile per esigenze di riscaldamento e acqua calda sanitaria (25.6 kw) 143

144 ESEMPIO IMPIANTO DI RISCALDAMENTO AD ACQUA Catalogo radiatori 1) Si sceglie un modello di radiatore-> MODELLO: 4/870 (4 colonne/ altezza 870 mm) 2) Si calcola il numero di elementi necessari dividendo il carico termico sensibile (8.8 kw) da bilanciare per esigenze di riscaldamento per la potenza termica nominale del singolo elemento fornita dal costruttore per un DT di 60 C: 61 (8800 W/ W = 60.65) 3) Nel caso reale il calcolo deve essere effettuato per singolo ambiente e considerando che di solito i radiatori completi possono essere costituiti anche da 15/20 colonne ovvero nel caso specifico componendo 4/5 elementi con la sigla 4/

145 EFFICIENZA ENERGETICA IN EDILIZIA 145 Q RS Q T Q i Q h Q c,e Q d Q s Q g

146 EFFICIENZA ENERGETICA IN EDILIZIA 146 Il rendimento globale medio stagionale ( g ) è calcolato come il prodotto di 4 contributi: η rg = rendimento di regolazione g e rg d p I valori dei rendimenti sono tabellati η d = rendimento di distribuzione η e = rendimento di emissione η p = rendimento di produzione medio stagionale

147 EFFICIENZA ENERGETICA IN EDILIZIA 147 Il rendimento globale medio stagionale ( g ) è calcolato come il prodotto di 4 contributi: g e rg d p 4. Rendimento di produzione ( p ) V F1 F2 F3 F 4 F5 F6 gn base dove i fattori riduttivi F rappresentano: F1 = Riduzione che tiene conto del rapporto tra potenza del generatore e potenza di progetto richiesta; F2 = Riduzione per installazione all esterno; F3 = Riduzione per camini di altezza superiore a 10 m.; F4 = Riduzione che tiene conto della Temperatura media di caldaia; F5 = Riduzione da considerare se il generatore è monostadio; F6 = Riduzione che tiene conto della Temperatura di ritorno in caldaia; Esempio (caldaia a gas naturale)

148 148 EFFICIENZA ENERGETICA IN EDILIZIA Consideriamo il seguente impianto di climatizzazione invernale. TERMINALI IDRONICI (RADIATORI) η rg = 0.94 η e = 0.94 POMPA η d = 0.96 η p = 0.92 CALDAIA A GAS NATURALE Qh 8.8 kw Considerando un funzionamento dell impianto per 8 ore al giorno per 120 giorni, calcolare l energia primaria (E p ) consumata dalla caldaia. Eh Ep g kwh 8448 / kwh

149 149 EFFICIENZA ENERGETICA IN EDILIZIA Consideriamo il seguente impianto di climatizzazione invernale. TERMINALI IDRONICI (RADIATORI) POMPA CALDAIA A GAS NATURALE Q 8.8 kw E kwh h Calcoliamo la massa di anidride carbonica equivalente (CO 2,eq ) prodotta dal nostro impianto. p Coefficiente di emissione di anidride carbonica equivalente b=0.207 kgco 2,eq /kwh p CO kgco 2, eq 2,eq

150 EFFICIENZA ENERGETICA IN EDILIZIA Consideriamo il seguente impianto di climatizzazione invernale. TERMINALI IDRONICI (VENTILCONVETTORI) η rg = 0.94 η e = 0.95 POMPA η d = 0.96 POMPA DI CALORE ELETTRICA (EHP) COP = 3.0 Rete elettrica nazionale GRID =0.46 Qh 8.8 kw Considerando un funzionamento dell impianto per 8 ore al giorno per 120 giorni, calcolare l energia primaria (E p ) consumata dalla caldaia. Eh Ep g / kwh kwh 150

151 EFFICIENZA ENERGETICA IN EDILIZIA Consideriamo il seguente impianto di climatizzazione invernale. TERMINALI IDRONICI (VENTILCONVETTORI) POMPA POMPA DI CALORE ELETTRICA (EHP) COP = 3.0 Rete elettrica nazionale GRID =0.46 Q 8.8 kw E 7159 h p kwh Calcoliamo la massa di anidride carbonica equivalente (CO 2,eq ) prodotta dal nostro impianto. Coefficiente di emissione di anidride carbonica equivalente a=0.573 kgco 2,eq /kwh el CO kgco 2, eq 2,eq 151

152 152 EFFICIENZA ENERGETICA IN EDILIZIA L efficienza energetica dell edificio è definita attraverso l indice di prestazione energetica globale (EP gl ) relativo all involucro e a tutti i servizi energetici in termini di energia primaria: EP gl =EP H +EP C +EP W +EP V +EP L +EP T EP H indice di prestazione energetica per la climatizzazione invernale; EP C indice di prestazione energetica per la climatizzazione estiva (compreso l eventuale controllo dell umidità); EP W indice di prestazione energetica per la produzione di acqua calda sanitaria; EP V indice di prestazione energetica per la ventilazione; EP L indice di prestazione energetica per l illuminazione artificiale, non si calcola per gli edifici residenziali; EP T indice di prestazione energetica del servizio per il trasporto di persone e cose (impianti ascensori, marciapiedi e scale mobili), non si calcola per gli edifici residenziali. Gli indici prestazionali sono espressi in kwh/m² per tutte le destinazioni d uso. Principali riferimenti normativi: D.P.R. 59/2009 DPR 412/1993 UNI/TS (Parte 1, 2, 3 e 4)

153 EFFICIENZA ENERGETICA IN EDILIZIA 153 Perché è importante saper calcolare l energia primaria consumata dal nostro impianto per soddisfare i fabbisogni energetici di un edificio?