4Abstract tratto da www.darioflaccovio.it. Tutti i diritti riservati. collana Associazione Italiana Condizionamento dell Aria Riscaldamento Refrigerazione LE NUOVE FRONTIERE DELLA CLIMATIZZAZIONE VENTILAZIONE A DISLOCAMENTO in ambienti non industriali Traduzione di Stefano Corgnati
Presentazione Il dislocamento è una strategia di ventilazione affascinante per sua stessa natura: pur essendo un sistema di ventilazione artificiale, esso utilizza le forze naturali di galleggiamento come motore del trasporto dell aria in ambiente, esaltando così quegli aspetti di sostenibilità della scelta progettuale legati all efficiente utilizzo delle risorse naturali disponibili nell ambiente (in questo caso l ambiente confinato). Essendo una strategia di ventilazione, il dislocamento ha per scopo primario il mantenimento di un adeguato livello di qualità dell aria: questo obiettivo è raggiunto in modo estremamente efficace, creando disomogeneità di concentrazione di contaminante nell ambiente e mantenendo una bassa concentrazione di contaminante proprio nella zona occupata dalle persone. Esso è anche un efficace sistema di raffrescamento che può agire in modo autonomo o integrare le potenzialità raffrescanti di un impianto ad acqua (è tipica l integrazione con controsoffitti radianti freddi). Anche l integrazione con i correnti impianti di riscaldamento ad acqua (radiatori o pavimenti caldi) è ottimale. In presenza di un elevato livello di qualità dell aria, di significative potenzialità raffrescanti e di una buona integrabilità con gli impianti di raffrescamento e di riscaldamento ad acqua, c è da chiedersi cosa abbia ostacolato la diffusione di questa strategia di ventilazione nel nostro paese. Sicuramente l ostacolo è costituito da una cultura progettuale troppo spesso confinata alla ricerca di un impianto per tutte le stagioni e per tutte le situazioni : un impianto di riscaldamento, ma anche di raffrescamento e di ventilazione, da usare tutto l anno. Il dislocamento non è un sistema impiantistico per tutte le stagioni e non sempre è la soluzione più appropriata: è un impianto di condizionamento a tutt aria che si può usare tutto l anno ma, per funzionare in modo adeguato, deve immettere l aria ad una temperatura sempre leggermente al di sotto di quella ambiente. Pertanto per il condizionamento integrale degli ambienti, esso deve essere opportunamente integrato con impianti ad acqua. Inoltre l immissione dell aria avviene nella zona occupata, quindi le attenzioni progettuali si devono moltiplicare al fine di limitare le zone di discomfort per correnti d aria. Tenuto conto dell importanza dell applicazione, l associazione europea del riscaldamento e condizionamento dell aria REHVA ha promosso la pubblicazione di un testo specificamente dedicato alla ventilazione a dislocamento. Questo testo redatto in forma di Linee Guida è stato giudicato dalla Commissione Editoria di AICARR di grande utilità per i tecnici italiani della climatizzazione. AICARR, con la traduzione in lingua italiana del testo originale in lingua inglese, si pone ancora una volta come ispiratrice e promotrice di innovazione nel campo impiantistico. Questo testo nasce per il progettista e sarà proprio lui ad apprezzarne a fondo lo stile di scrittura essenziale, l ampio utilizzo di figure e diagrammi esemplificativi, lo sviluppo dettagliato, anche in termini numerici, di esempi applicativi. Gli aspetti teorici sono ridotti all essenziale, per non rubare spazio alla questioni pratico-progettuali che stanno alla base delle scelte progettuali e che conducono il progettista dall intenzione alla realizzazione di un sistema a dislocamento. Desidero qui ringraziare il nostro giovane socio ing. Stefano Corgnati, che ha tradotto il testo prodotto dalla REHVA, ed il nostro socio onorario prof. Marco Filippi, che ne ha revisionato la traduzione, per il loro lavoro svolto in favore della diffusione della cultura tecnica fra i nostri associati. Cesare Taddia PRESIDENTE AICARR 7
REHVA Federation of European Heating and Air-conditioning Associations Olli Seppänen Vice-presidente REHVA per le Linee Guida Professore presso la Helsinki University of Technology REHVA, nata quasi 50 anni fa, è un organizzazione di professionisti europei che operano nell ambito del building services (riscaldamento, ventilazione e condizionamento dell aria). REHVA rappresenta più di 100.000 ingegneri di 25 paesi europei. La principale attività di REHVA è lo sviluppo e la diffusione di tecnologie economiche, energeticamente efficienti e finalizzate al benessere da impiegarsi nel building services. Il lavoro è supervisionato da un Comitato composto da sette membri. Ogni membro è responsabile delle attività di uno specifico settore. Uno di questi settori si occupa delle REHVA Guidelines (Linee Guida). I suoi propositi sono di: intraprendere attività per la definizione di Linee Guida tecniche nel campo del building services; definire dei gruppi di lavoro per ciascuna di queste Linee Guida; incentivare la distribuzione delle Linee Guida della REHVA ai membri e agli altri professionisti; supervisionare la qualità delle Linee Guida della REHVA. Numerosi gruppi di lavoro sono attualmente attivi; tra questi, a titolo d esempio, quello sul commissioning dei sistemi di condizionamento dell aria per un uso efficiente dell energia e l ottenimento di adeguate condizioni microclimatiche, e quello sul controllo della legionella negli impianti degli edifici. Le Linee Guida sulla ventilazione a dislocamento sono redatte da un gruppo di esperti altamente qualificati sotto la guida del norvegese Håkon Skistad. Il lavoro è stato condotto su base puramente volontaristica senza alcuno scopo commerciale. Questo documento è stato approvato dal Comitato della REHVA. Il Comitato desidera esprimere la sua sincera gratitudine a tutti i membri del gruppo di lavoro per il loro impareggiabile impegno. Belgio Croazia Repubblica Ceca Danimarca Estonia Finlandia STATI MEMBRI DI REHVA Francia Olanda Germania Norvegia Ungheria Polonia Italia Romania Lettonia Russia Lituania Slovacchia Slovenia Spagna Svezia Svizzera Turchia Gran Bretagna Jugoslavia 8
Prefazione Questa guida si propone di fornire agli ingegneri europei un manuale di supporto alla progettazione della ventilazione a dislocamento, aggiornato e di facile e diretta comprensione. Essa assorbe l esperienza in campo applicativo e di ricerca maturata dagli autori. L iniziativa ha avuto origine dal Comitato Tecnico REHVA nell aprile 2000, durante l Assemblea Generale a Istanbul. Gli obiettivi del Comitato Tecnico REHVA durante gli ultimi anni sono stati: permettere agli esperti europei del settore di consolidare rapporti più stretti per promuovere l accesso alle esperienze tecniche in tutta l Europa produrre un supporto tecnico-pratico sempre aggiornato dalle più recenti ricerche, metodologie progettuali e applicazioni costruttive. La guida sulla Ventilazione a Dislocamento (Displacement Ventilation, DV) è il risultato diretto di questo sforzo comune. Storicamente, la ventilazione a dislocamento, utilizzata da centinaia di anni, fu per la prima volta scientificamente studiata nel 1940 da Baturin. La ventilazione a dislocamento si è sviluppata ed è stata impiegata principalmente nei paesi scandinavi. Inizialmente, durante gli anni settanta, essa fu usata in applicazioni industriali; quindi, verso la fine degli anni ottanta, essa divenne ampiamente utilizzata anche in applicazioni per il terziario. Il resto d Europa ha fino ad ora ignorato le esperienze pratiche maturate in questo campo. La DV mostra due evidenti vantaggi rispetto ai tradizionali sistemi di ventilazione a miscelazione. Primo, assicurare un miglioramento della qualità dell aria all interno della zona occupata e rimuovere una maggior quantità di contaminati rispetto ad un sistema a miscelazione. Secondo, un efficiente uso dell energia grazie alla sua peculiarità di estrarre l aria dal locale ad una temperatura superiore di quella nella zona occupata: questa strategia permette una più elevata temperatura di immissione dell aria a parità di carico termico da rimuovere. La scopo di questa guida è di semplificare e migliorare le metodologie progettuali. Essa esamina diversi aspetti che sono legati alle ben note parole-chiave: flussi convettivi; altezza del piano neutro e distribuzione di contaminanti; distribuzione di temperatura; distribuzione di velocità nella zona occupata. Confidiamo vivamente che, attraverso REHVA, lo spirito di questa nuova frontiera venga rinnovato in particolare con riferimento allo scambio di informazioni tecniche che permettano il diffondersi di una conoscenza tecnico-pratica. La conoscenza non è soltanto un azione intuitiva e immediata. Essa è piuttosto un processo nel quale le idee non riflettono semplicemente quello che è la realtà, ma sviluppa idee per costruire e trasformare positivamente la realtà stessa. Quello che vorremmo poter affermare pensando all Europa è immaginare il futuro della tecnologia HVAC in Europa, da Santiago di Compostela a Mosca, da Helsinki a Palermo, come un esempio di pragmatismo. Dopo aver reso i dovuti omaggi agli americani per tutta la letteratura prodotta, ci auspichiamo che la tecnologia HVAC possa in futuro continuare a svilupparsi in modo autonomo e distinto in Europa. Pare che oggigiorno le risposte a livello tecnologico siano numerose e interessanti, tuttavia è stato fatto troppo poco per soddisfare l attuale bisogno di una diffusione positiva di questo tipo di conoscenza. Attualmente vi è un eccessiva presenza d informazioni tecniche, troppe EC standards, troppe opzioni, troppe scelte, troppi siti Internet che tutti insieme fanno sorgere un espressione disperata sul volto di chi ha a disposizione uno strumento potente ma ha solo una vaghissima idea di come usarlo. Questo è il compito di REHVA: informare le persone su come usare gli strumenti, come la guida sulla Ventilazione a Dislocamento, che si basa sull esperienza di chi, negli anni trascorsi, ha sviluppato e utilizzato la conoscenza per pura soddisfazione personale. Livio de Santoli COORDINATORE DEL COMITATO TECNICO REHVA PROFESSORE PRESSO L UNIVERSITÀ LA SAPIENZA DI ROMA 9
GRUPPO DI LAVORO Questo libro è stato sviluppato a seguito di numerose discussioni, nel periodo tra ottobre 2000 fino alla stampa nell agosto 2001, tra il gruppo di lavoro costituito da: Livio de Santoli, Professore, Vice Presidente, Rehva / Università di Roma, Italia Olli Seppänen, Professore, Vice Presidente, Rehva / Helsinki University of Technology, Finlandia Derrick Braham, C.Eng., F.C.I.B.S.E. CIBSE - Chartered Institution of Building Services Engineers, London, Regno Unito di Gran Bretagna Peter V. Nielsen, Professore, Aalborg University, Danimarca Elisabeth Mundt, Ph.D., KTH-Royal Institute of Technology, Stockholm, Svezia Kim Hagström, M.Sc., Halton OY, Vantaa, Finlandia Jorma Railio, M.Sc., AFMAHE Association of Finnish Manufacturers of Air Handling Equipment, Helsinki, Finlandia Håkon Skistad, M.Sc., SINTEF, Trondheim, Norvegia REVISORI Il libro è stato revisionato dalle persone elencate di seguito, le quali hanno fornito validi suggerimenti che hanno consentito di apportarne importanti miglioramenti: Jacqueline Balian, CIBSE, Regno Unito di Gran Bretagna Ben Bronsema, Olanda Eric Curd, Regno Unito di Gran Bretagna Klaus Fitzner, Hermann-Rietschel-Institute, Technical University Berlin, Germania Gian Vincenzo Fracastoro, Politecnico di Torino, Italia Karel Hemzal, Czech Technical University, Praga, Repubblica Ceca Miroslav V. Jokl, Czech Technical University, Praga, Repubblica Ceca Egidijus Juodis, Technical University of Lithuania, Lituania Hideki Kubota, Hokkaido University, Sapporo, Giappone Alfred Moser ETH, Zurigo, Svizzera Eimund Skåret, Norvegia RINGRAZIAMENTI Questo libro ha beneficiato del coinvolgimento e degli sforzi di numerose persone. Dalla sua prima presentazione e discussione alla conferenza Clima 2000 a Napoli nel settembre 2001, abbiamo ricevuto molti preziosi commenti da persone di tutto il mondo. In particolare, desideriamo esprimere la nostra gratitudine: a Verity e Derrick Braham, che hanno curato l aspetto linguistico, correggendo ripetutamente il lavoro, sempre con grande entusiasmo e celerità; aiuto particolarmente gradito giacché nessuno degli autori è di madrelingua inglese. Gli errori linguistici ancora presenti sono da imputare al fatto che gli autori hanno inserito parti nuove nella versione definitiva del libro senza sottoporle a revisione linguistica. Al Prof. dr.ing. Klaus Fitzner, che ha eseguito una revisione approfondita del libro ed evidenziato aspetti sui quali noi autori non eravamo completamente informati. Alla Sig.ra Astrid B. Lundquist, grafico presso SINTEF, Trondheim, che ha realizzato il layout del libro. 10
1 La ventilazione a dislocamento in sintesi L idea Per ventilazione a dislocamento, come presentata in questo libro, s intende la tecnica che prevede di far salire i contaminati caldi fino a soffitto, di estrarre l aria contaminata a livello del soffitto e di immettere aria fresca e pulita a pavimento. Fig. 1.1. L idea della ventilazione a dislocamento Particolarmente indicata per: La ventilazione a dislocamento è in primo luogo una tecnica per ottenere un elevata qualità dell aria nella zona occupata. Essa è migliore della ventilazione a miscelazione in: ristoranti; sale riunioni; aule scolastiche; ambienti d altezza elevata: sale conferenza, teatri, supermercati, ecc. La ventilazione a dislocamento è da preferire: quando i contaminanti sono più caldi e/o leggeri dell aria circostante; quando l aria di ventilazione è immessa ad una temperatura minore di quella ambiente; in ambienti di altezza elevata, con altezze superiori a 3 metri; quando in locali di piccole dimensioni devono essere immesse portate d aria elevate. Meno indicata per: La ventilazione a miscelazione è spesso una soluzione migliore rispetto alla ventilazione a dislocamento in locali adibiti ad ufficio singolo dove la qualità dell aria non è un problema. La ventilazione a dislocamento risulta meno indicata della ventilazione a miscelazione: quando il principale problema è la rimozione del carico termico, non la qualità dell aria; in locali di altezza inferiore 2,3 metri; quando il problema è il raffrescamento di locali bassi (negli uffici, si adotti miscelazione e pannelli raffrescanti); dove i flussi d aria sono fortemente disturbati; quando i contaminanti sono più freddi e/o densi dell aria circostante. Gli aspetti vincenti della ventilazione a dislocamento sono: minor potenzialità raffrescante richiesta per una data temperatura nella zona occupata; più lunghi periodi di free cooling; migliore qualità dell aria nella zona occupata. Alcuni aspetti critici sono: possibili problemi di correnti d aria fredda a livello del pavimento (si usino quindi adeguati apparecchi d immissione dell aria e si esamini con attenzione la zona di fronte ai dislocatori); i dislocatori a parete spesso occupano una parte considerevole della parete. Quale sistema per quali condizioni? Un indicazione di massima su quale sistema usare per evitare problemi di correnti d aria
è data da Fitzner (1996). Si veda figura 1.2. La ventilazione a dislocamento può essere usata nel caso di portate d aria elevate. In ogni caso, grandi portate d aria richiedono disponibilità di spazi per i dispositivi d immissione. I dislocatori a pavimento possono rappresentare una valida alternativa. La ventilazione a miscelazione è ampiamente usata nelle comuni applicazioni, cioè per portate d aria fino a circa 15 l/sm 2 (~50m 3 /hm 2 ) e per carichi termici di 60 W/m 2 e oltre (si veda il triangolo rosso in figura 1.2). Con elevati carichi termici e basse portate d aria, si raccomanda la soluzione soffitto raffrescante + ventilazione a miscelazione. Fig. 1.3. Il dislocatore appropriato presenta una zona con rischio di correnti d aria di ampiezza limitata (zona adiacente al dislocatore) di produttori che forniscono una chiara documentazione tecnica insieme al prodotto commercializzato! Portate d aria Fig. 1.2. Sistemi di ventilazione per differenti portate d aria e carichi termici (Fitzner, 1996) Il dislocatore un elemento cruciale I problemi di correnti d aria sono principalmente dovuti a dislocatori non adeguati. Un dislocatore progettato per operare con piccoli gradienti di temperatura rispetto all aria ambiente produce discomfort per correnti d aria a livello del pavimento se viene impiegato con elevati gradienti. Si scelga un dislocatore appropriato ad ogni specifico caso e si utilizzino solo dislocatori Tipicamente, si riscontra che sia i sistemi a miscelazione che quelli a dislocamento richiedono circa le stesse portate d aria, ma la ventilazione a dislocamento è in genere in grado di assicurare una migliore qualità dell aria a parità di portata d aria di ventilazione. Prove di laboratorio indicano che la ventilazione a dislocamento può operare con portate d aria d entità minore rispetto alla ventilazione a miscelazione. Quando sono però necessarie piccole portate d aria ed elevati gradienti di temperatura, la ventilazione a miscelazione è da preferire nella maggior parte dei casi. È richiesta la collaborazione con gli architetti I dislocatori hanno bisogno di una certa superficie di parete, o spazio nel o sul pavimento, dove essere installati. Quindi, è richiesta una stretta collaborazione con l architetto per trovare un adeguata sistemazione ai dislocatori. 12
Fig. 1.4. Dislocatori integratisi nelle colonne a parete in un casinò. (Lindab, Francia) Piano a parete Semicircolare, ad angolo Tipologie di dislocatori Ci sono svariate tipologie di dislocatori. I tipi più comuni sono quelli integrati alla parete. Altri sono posti a parete o in un angolo, liberi a pavimento o integrati nel pavimento stesso. L aria può essere anche immessa attraverso l elemento di copertura superficiale del pavimento (tappeto, moquette, ecc.). In ogni modo, si dovrebbe esaminare il problema della qualità dell aria e, ragionevolmente, non si dovrebbe usare questa soluzione con pavimenti con tendenza allo sporcamento. No ai piedi freddi, per favore! Particolare attenzione deve essere posta alla temperatura a livello del pavimento. In pratica, si deve scegliere un dislocatore che sia in grado di garantire una corretta miscelazione tra l aria fredda immessa e l aria ambiente circostante. La velocità dell aria nei pressi del dislocatore potrebbe comunque causare discomfort anche quando questa miscelazione avvenga correttamente. La zona occupata è la parte più fresca del locale Circolare, libero a pavimento Immissione attraverso l elemento di copertura del pavimento (tappeto, moquette, ecc.) Fig. 1.6. Tipico profilo verticale di temperatura nel caso di ventilazione a dislocamento e a miscelazione A pavimento Fig. 1.5. Alcune tipiche tipologie di dislocatori Nella ventilazione a dislocamento, la temperatura dell aria cresce dal pavimento al soffitto. Ciò significa che la zona occupata è la 13
parte più fresca del locale. Rispetto alla ventilazione a miscelazione, con il dislocamento la temperatura di imissione dell aria è di circa 1 2K più alta per locali di altezza 3 metri, e fino a 4K per ambienti di altezza più elevata. Questo implica la possibilità di operare il free cooling per periodi dell anno più lunghi, e un minore fabbisogno di energia per il raffreddamento dell aria di mandata. Fig. 1.7. Cortocircuito dell aria calda immessa tra mandata e ripresa Non riscaldare il locale con l aria di ventilazione Se un locale deve essere riscaldato attraverso l aria di ventilazione, non si dovrebbe utilizzare la ventilazione a dislocamento così come decritta in questo libro. Se in una stanza fredda si immette aria a livello del pavimento, l aria calda e pulita tenderà a salire per effetto delle forze di galleggiamento, e sarà estratta quando giungerà a soffitto. Pertanto, l aria pulita cortocircuiterà nella bocchetta di ripresa e solo una minima parte di essa raggiungerà la zona occupata. 14