CORSO E-LEARNING LEZIONE 5 Indice La climatizzazione degli edifici o Il riscaldamento o Il condizionamento dell aria Note sui diritti d autore Il presente manuale contiene materiale didattico realizzato per il Progetto IUSES Intelligent Use of Energy at School, finanziato dalla Commissione Europea nell ambito del Programma Intelligent Energy Europe. Autori: Giuseppe Pugliese, Sergio García, Lucie Kochova, Petr Sopoliga. 1
Il riscaldamento Microclima interno e confort Il compito principale del riscaldamento è mantenere all interno degli edifici il confort termico, uno dei fattori più importanti per fornire condizioni ambientali ottimali per le persone: si tratta di uno stato in cui viene mantenuto l equilibrio tra l uomo e l ambiente circostante ed il calore prodotto dal corpo umano viene allontanato dal corpo stesso. I criteri di base collegati al confort termico sono la temperatura operativa (cioè la temperatura dell aria influenzata dalla radiazione proveniente dalle superfici circostanti), l umidità e la velocità dell aria. Per ciascuna attività esistono dei valori raccomandati di temperatura dell aria per ottenere il confort termico; tuttavia per brevi periodi di permanenza in quei luoghi in cui la temperatura ottimale non viene raggiunta, le persone in genere non avvertono disagio, poiché le differenze tra calore prodotto e calore rimosso vengono controbilanciate dal sistema di termoregolazione interna. Questi processi di termoregolazione sono collegati all età, alle condizioni di salute, all alimentazione ed all attività della persona e sono influenzati da temperatura, umidità e velocità dell aria nell ambiente interno. In termini generali, il disagio termico localizzato si può associare ad una delle seguenti categorie: Raffreddamento convettivo localizzato del corpo dovuto a correnti d aria; Raffreddamento o riscaldamento di parti del corpo da radiazione: questo fenomeno è noto come problema di radiazione asimmetrica; Avvertire al contempo freddo ai piedi e caldo alla testa in seguito ad una significativa differenza di temperatura in senso verticale; Avvertire freddo o caldo ai piedi come conseguenza della temperatura del pavimento. 2
La temperatura raccomandata per il soggiorno prolungato in una stanza è compresa tra i 19 e i 24 C. Per i bambini piccoli, le persone anziane, i malati o le persone sottonutrite, la temperatura va mantenuta al di sopra dei 23-24 C. Sistemi di riscaldamento Esistono diversi sistemi di riscaldamento che possono venir suddivisi sulla base della fonte, della dislocazione spaziale, del tipo di vettore di calore utilizzato, della temperatura raggiunta dal vettore di calore, del tipo di elemento utilizzato per il riscaldamento, eccetera. Per sistema di riscaldamento localizzato si intende che la fonte di calore (ad esempio un caminetto) si trova nello stesso locale da riscaldare. Il sistema di riscaldamento centralizzato, invece, consiste in una caldaia o una pompa di calore ubicate in un luogo separato. Le tipologie di vettori per il trasferimento di calore più usati sono l acqua e l aria (ma si possono utilizzare anche l elettricità, il vapore ed altri ancora). In questi sistemi, l acqua o l aria vengono riscaldati e trasportano il calore che poi viene diffuso negli ambienti, per esempio tramite radiatori (nel caso dell acqua) o ventole (nel caso dell aria). In quanto alle fonti di energia, esse possono essere di svariate tipologie: combustibili fossili, solidi (carbone molto usato in passato), liquidi (gasolio) e gassosi (quali il metano che ad oggi è il più utilizzato), che vengono bruciati in caldaie e generano calore; energia elettrica, che genera calore mediante ventilconvettori, sistemi a infrarossi o ai tradizionali radiatori a resistenza; biomassa che nel contesto del riscaldamento domestico, è solitamente legno e suoi rifiuti di lavorazione (paglia, granaglie ed altre rimanenze agricole) sotto forma di pellet. Elementi per il riscaldamento Il compito principale degli elementi del sistema di riscaldamento è di assicurare un sufficiente riscaldamento degli spazi interni per creare le condizioni di confort termico. La quantità può essere regolata a seconda del tipo, delle dimensioni e delle modalità di installazione dell elemento stesso. 3
Gli elementi per il riscaldamento (radiatori o ventole) andrebbero posizionati nella parte più fredda della stanza, di solito vicino alle finestre, per minimizzare la condensa e compensare la corrente d aria convettiva formata nella stanza dall aria che si trova vicino alla finestra per effetto del vetro freddo. Le correnti di aria fredda possono contribuire in maniera significativa alla sensazione soggettiva di freddo rispetto alla temperatura media della stanza, pertanto è importante controllare eventuali infiltrazioni di aria dall esterno oltre ad una progettazione adeguata del sistema di riscaldamento. Al contrario, quando l elemento è integrato nella superficie interna (ad es. nel riscaldamento a pavimento), l aria fredda dalla finestra scende verso il suolo e crea sgradevoli flussi convettivi con una velocità di circa 0,3-0,5 m/s. Il riscaldamento a pavimento andrebbe intensificato vicino alle finestre oppure andrebbe installato un convettore a pavimento per deflettere il flusso. Tipologie di elementi per il riscaldamento 1. Radiatori I radiatori trasmettono calore per radiazione e convezione. Sono composti da diverse sezioni e vengono prodotti in diversi materiali di solito lamiere di acciaio, ghisa o alluminio. Questo tipo di radiatore ha caratteristiche idrauliche molto buone, ma il contenuto di acqua ed il peso del radiatore sono cospicui, per cui il radiatore non reagisce rapidamente, il che può costituire uno svantaggio in caso di utilizzo di una fonte energetica flessibile e regolazione automatica. I radiatori piatti sono i più comuni e sono costruiti con acciaio piatto o ondulato. Comparandoli ai radiatori a sezione, i radiatori piatti contengono una quantità di acqua pari ad un terzo, dunque sono 4
molto più flessibili e possono essere facilmente regolati con un termostato. Il corpo scaldante tubolare è costituito da numero di piccoli tubi di acciaio o di rame saldati assieme. Hanno di solito un buon valore estetico e se ne trovano in commercio di tante forme, dimensioni, colori. 2. Convettori Il convettore è un elemento che trasmette calore per convezione. E composta da uno scambiatore e dall involucro esterno con una griglia sulla parte superiore. Si può installare sul muro oppure all interno della base di una colonna o nel pavimento. Il convettore installato all interno di un muro ha scarsa emissione, quindi è necessaria una ventola per aumentarla. 3. Riscaldamento a pavimento Il riscaldamento a pavimento è basato sul riscaldamento per radiazione di ampie aree. Esistono due tipi di riscaldamento a pavimento: ad acqua calda ed elettrico. Questo tipo di elemento di riscaldamento, richiede temperature di lavoro piú basse per mantenere il confort termico all interno dell edificio, quindi si puó associare a una fonte di calore a bassa entalpia, come pompa di calore, caldaia a condensazione o pannelli solari. Pompe di calore Una pompa di calore è un apparecchiatura elettrica che ha la capacità di riscaldare e di raffreddare gli ambienti, trasformando il calore naturale a bassa temperatura di acqua, suolo o aria in calore a temperatura più alta che si può utilizzare per il riscaldamento. Si tratta di sistemi di uso sempre più diffuso visto la loro buona efficienza termica e versatilità di funzionamento. Il sistema di funzionamento è molto simile a quello degli apparecchi di condizionamento (paragrafo seguente). 5
Il raffrescamento Il condizionamento dell aria I sistemi di condizionamento dell aria permettono di mantenere una temperatura gradevole negli edifici durante la stagione più calda. Poter scegliere la temperatura desiderata per le nostre abitazioni è un lusso relativamente recente, ma in realtà, nel corso degli ultimi anni, la considerevole diminuzione nel prezzo di questi strumenti di raffrescamento ha diffuso il loro utilizzo in un numero sempre maggiore di edifici. Nella grande maggioranza dei casi, inoltre, gli edifici non hanno sistemi centralizzati, che li renderebbero più efficienti, ma impianti singoli di condizionamento installati nelle singole abitazioni. I condizionatori d aria fanno salire vertiginosamente i consumi di elettricità nel periodo estivo per industrie, alberghi, ospedali, istituzioni, scuole, eccetera. Quale temperatura per ottenere condizioni di confort? Un ambiente confortevole è quello in cui gli occupanti non esprimono alcuna sensazione di caldo o di freddo, poiché le condizioni ambientali danno una sufficiente sensazione di benessere. Un condizionatore necessita di essere impostato su di una temperatura di lavoro, solitamente usando un telecomando, al di sopra della quale inizia a raffreddare l ambiente. In questo modo, è consigliabile scegliere una temperatura adeguata, poiché se è troppo bassa il macchinario dovrà 6
funzionare troppo a lungo, ma se è troppo alta funzionerà solo per un breve periodo di tempo e non raffrescherà abbastanza. Spesso non consideriamo in maniera adeguata la necessità di un condizionatore o il suo consumo energetico, pertanto nel definire il confort decideremo anche quale sia la temperatura adeguata da impostare sul termostato. Che cosa è più confortevole? L esempio che segue chiarisce quanto detto sopra: Un giorno d estate, la temperatura nella mia città alle 15.00 è di 38 C. Cosa dà maggior confort? A. Entrare ed uscire da un edificio al cui interno la temperatura è di 18 C? B. Entrare ed uscire da un edificio al cui interno la temperatura è di 24 C? Nell opzione A, il corpo esperimenta uno sbalzo improvviso di temperatura di 20 C, mentre nell opzione B, lo sbalzo è ridotto a 14 C. Secondo la definizione di confort, in questo caso è molto meglio impostare il condizionatore sui 24 C. In estate l impostazione della temperatura di un condizionatore dovrebbe essere effettuata in tal modo che entrando in un edificio non si avverta freddo. Nonostante il fatto che il condizionatore vi permetta di impostare temperature al di sotto dei 18 C, la temperatura operativa del condizionatore in estate dovrebbe essere sempre compresa tra i 24 e i 26 C. Selezionare la temperatura più adatta per il condizionatore ci da tre vantaggi principali collegati tra di loro: Migliora il confort; Riduce le ore di funzionamento dei macchinari, consumando una quantità inferiore di energia; Temperature troppo basse rendono l abitazione un ambiente non salubre, poiché si produce uno sbalzo termico improvviso, causa della maggior parte dei raffreddori estivi. 7
Come funziona un condizionatore La funzione di tutti gli impianti di refrigerazione o di condizionamento è quella di spostare il calore da un luogo all altro con un certo grado di lavoro, ad esempio consumando energia elettrica. In pratica si tratta di uno scambio, in cui il calore viene rimosso dall interno dell edificio, che viene raffreddato, e trasportato all esterno, dove viene rilasciato. Per fare ciò, l impianto di raffrescamento usa un mezzo detto refrigerante con caratteristiche fisiche adatte. E una sostanza speciale che passa in condizioni di bassa temperatura dallo stato fluido allo stato gassoso, stato in cui viene intrappolato il calore. Un sistema di raffrescamento consiste di quattro parti di base (compressore, condensatore, espansore ed evaporatore) all interno dei quali il liquido refrigerante circola continuamente. Il sistema base prevede quattro fasi come mostrato in figura: Fasi 4-1 : il refrigerante passa attraverso l evaporatore (posto all interno), dove rimuove il calore dallo spazio più caldo (la stanza all interno dell edificio) che viene raffreddato. Questo processo di assorbimento di calore provoca la vaporizzazione del liquido refrigerante, il che significa che questo passa allo stato gassoso ed in tal modo intrappola il calore. Fasi 1 2: il refrigerante, lasciando l evaporatore sotto forma di vapore in condizioni di bassa pressione, viene compresso e portato in condizioni di pressione e temperatura relativamente alte dal compressore. E nel compressore che avviene il consumo di elettricità. Fasi 2 3: il refrigerante in condizioni di temperatura e di pressione più alte passa attraverso il condensatore (situato all esterno) dove si condensa per il contatto con un mezzo più freddo come l aria esterna, per cui avviene un trasferimento di calore dal refrigerante all area circostante. 8
Fasi 3 4: la pressione del refrigerante viene ridotta da una valvola ad espansione ed il liquido trasferito all evaporatore. Naturalmente l evaporatore è posto all interno ed il condensatore all esterno dell edificio. Tipologie di sistemi di condizionamento Prima di acquistare un sistema di condizionamento è necessario verificare che serva davvero, poiché i condizionatori sono piuttosto cari rispetto ai ventilatori e, ancor più importante, consumano molta energia. Note: Nella maggioranza dei casi, un ventilatore è in grado di fornire lo stesso livello di confort di un condizionatore, la temperatura percepita è di 3-5 C più bassa della temperatura reale ed ha un consumo energetico inferiore, di solito meno del 10% rispetto ad un condizionatore. Condizionatori da stanza Si utilizzano per raffrescare singole stanze piuttosto che un intero edificio. Hanno costi di funzionamento meno alti rispetto alle unità centralizzate, ma un efficienza minore. I sistemi più utilizzati sono i cosiddetti sistemi split (in figura) ad elementi separati, in cui l evaporatore è all interno ed il condensatore all esterno. Le due unità sono collegate tra loro tramite un condotto attraverso il quale circola il liquido refrigerante. Quando l evaporatore ed il condensatore sono entrambi posizionati nella stessa intelaiatura, invece, il sistema prende il nome di sistema packaged (in figura) o sistema monoblocco. 9
Consigli e suggerimenti per il buon utilizzo di un condizionatore Evitate di utilizzare il condizionatore quando possibile: nella maggioranza dei casi un ventilatore può fornire lo stesso livello di confort di un condizionatore evitate flussi di calore non necessari, come un eccessiva illuminazione, macchinari troppo caldi, eccetera. Spegnete tutti quelli che non sono utilizzati. i cornicioni e le tende sono ottimi strumenti per evitare l ingresso della luce solare in estate (vedi il capitolo sulle finestre). Dimensioni adeguate ed uso corretto del condizionatore: La potenza refrigerante di un condizionatore viene espressa in Btu/h (British thermal unit per hour). Il Btu/h indica la capacità di un apparecchio di cedere o assorbire il calore in un ora. Per gli apparecchi monoblocco la potenza refrigerante è compresa in media tra 7.000 e 9.000Btu/h, mentre per gli split si hanno modelli anche di 14.000Btu/h. La potenza può essere espressa anche in altre unità, il WATT e la chilocaloria all ora detta anche chilofrigoria all ora: 1W = 3,4 Btu/h 1 kcal/h = 4 Btu/h 1 kfrig/h = 4 Btu/h Questo è il dato fondamentale da valutare al momento dell acquisto. 10
N.B.: I materiali da costruzione utilizzati, l orientamento ed il design dell edificio influenzano in maniera significativa le necessità di raffrescamento, quindi, per fare un esempio concreto, se la stanza da raffrescare è molto esposta al sole oppure si trova in una soffitta, il valore riportato in tabella va aumentato del 15%. scegliete un livello di confort tra i 23 ed i 27 C (il valore più alto è preferibile) ed installate strumentazioni di controllo (termostati) per regolare il sistema di condizionamento alla temperatura desiderata. Per ogni grado al di sotto della temperatura di confort, si consuma l 8% in più di energia; tenete le porte e le finestre chiuse quando il sistema di condizionamento è operativo; un buon isolamento è molto importante per evitare dispersioni di freddo (seguite le stesse indicazioni fornite nella sezione sugli impianti di riscaldamento e vedete anche la sezione sull isolamento); assicuratevi che il flusso di freddo sia ben distribuito nello spazio, evitando aree con flussi d aria troppo fredda o calda (vicino a finestre, porte, eccetera). Se il vostro condizionatore ha feritoie mobili, rivolgetele verso il soffitto, poiché il freddo tende ad andare verso il basso; guardate con cura alla classificazione energetica del nuovo condizionatore: la classe A indica l apparecchiatura migliore, la G la peggiore. Installazione e manutenzione corrette del vostro apparecchio: il condensatore va collocato all esterno, in un area ben ventilata e non soleggiata; nei condizionatori da stanza, collocate il sistema in una zona vicina ad una finestra o vicino ad un muro al centro della stanza e sul lato più in ombra dell edificio; pulite e controllate il condizionatore più volte l anno: filtri e serpentine sporchi possono bloccare il normale flusso dell aria ed impedire la capacità di assorbimento del calore dell evaporatore, riducendo l efficienza del sistema. Il risparmio energetico che ne deriva può andare dal 3 al 10%. 11