Facoltà di Ingegneria - Polo di Rieti Corso di " Ipianti Tecnici per l'edilizia" Ipianti di Condizionaento: Ipianti a tutt'aria e isti Prof. Ing. Marco Roagna
INTRODUZIONE Una volta noti i carichi sensibili e latenti dei diversi abienti e/o zone dell edificio, relativi alle condizioni invernali ed estive, si procede con la scelta del tipo di ipianto di cliatizzazione e, quindi, al suo diensionaento. aranno considerate le seguenti due tipologie di ipianto: Ipianto a tutt aria (onocondotto, con o senza ricircolo, eventualente ultizone) Ipianto isto (aria priaria e ventilconvettori) In linea generale un ipianto isto viene adottato in presenza di olti abienti diversi, con disuniforità nei carichi terici e di diensioni. contenute. In abienti olto grandi è più opportuno l utilizzo di un ipianto a tutt aria.
Diensionaento Il diensionaento dell ipianto di cliatizzazione si copone delle seguenti fasi: Diensionaento dell UTA (Unità Trattaento Aria) ed eventualente dei ventilconvettori (ipianti isti): definizione delle portate di aria totali, dell eventuale ricircolo, delle condizioni di iissione nell abiente e calcolo delle potenze delle batterie di scabio terico (pre-riscaldaento, raffreddaento, post-riscaldaento). Diensionaento della canalizzazioni dell aria (andata e ripresa ): l aria trattata nell UTA verrà distribuita negli abienti da cliatizzare traite una rete di canalizzazioni. Deve essere definita la rete di distribuzione dei canali (nuero di bocchette nei diversi abienti), calcolate le diensioni dei canali nei vari tratti e le perdite di carico, necessarie per il diensionaento del ventilatore.
Diensionaento Diensionaento della rete di tubazioni dell acqua: L energia terica/frigorifera che verrà scabiata nelle batterie dell UTA e/o nei ventilconvettori verrà trasportata dall acqua (fluido terovettore) dalla centrale terica (caldaia, a cui è richiesta anche l acqua calda sanitaria) e da quella frigorifera. E necessario valutare le portate d acqua necessarie e, in base alle assie velocità aesse, scegliere l opportuno diaetro e lunghezza dei vari tratti di tubazione e calcolare le perdite di carico. Queste ultie consentiranno di valutare la potenza della (o delle) pope necessarie alla circolazione dell acqua. Diensionaento della centrale terica, del gruppo frigorifero e dei sistei di circolazione: Vengono valutate le potenzialità della caldaia, del gruppo frigorifero, delle pope e dei ventilatori, tenendo conto dei rendienti e di opportuni fattori di sicurezza. Scelta definitiva delle principali apparecchiature (UTA, ventilconvettori, pope, ventilatori, sistei di controllo) in base ai risultati del diensionaento ed alle disponibilità coerciali (cataloghi).
Dati iniziali per il diensionaento Vengono raccolti in tabella i dati necessari per il diensionaento dell ipianto, per entrabe le condizioni invernali ed estive. I dati sono: Condizioni aria esterna: (teperatura ed uidità specifica) Condizioni aria interna: (teperatura ed uidità specifica) Carico terico sensibile dell edificio o della zona da cliatizzare (per l estate il valore assio) q p,sens Carico terico latente dell edificio o della zona da cliatizzare q p,lat Carico terico totale (sensibile + latente) dell edificio o della zona da cliatizzare q p,tot q p,sens + q p,lat Portata di vapore generata all interno dell edificio o della zona da cliatizzare (legata al carico latente) v Portata di ventilazione di progetto ae (precedenteente calcolata) per l edificio o per la zona da cliatizzare
Aria esterna ed interna Condizioni INVERNALI (Roa): t ae 0 C ϕ 60% dal diagraa psicroetrico x E 2.3 g v /kg as t ai 20 C ϕ 50% dal diagraa psicroetrico x A 7.2 g v /kg as Condizioni ESTIVE (Roa): t ae 34 C ϕ 55% dal diagraa psicroetrico x E 18.5 g v /kg as t ai 26 C ϕ 50% dal diagraa psicroetrico x A 10.5 g v /kg as
Calcolo della portata di vapore noto il carico latente Dalla conoscenza dei carichi latenti si ricava la portata di vapore introdotta nell abiente interno con la seguente forula: v q p, lat h v Dove q p,lat il carico latente in kw h v entalpia del vapore [ 2550 kj/kg] v portata di vapore in kg/s (se si vuole convertirla in kg/h oltiplicare il valore ottenuto per 3600)
Schea UTA Punti caratteristici Espulsione Aria di ricircolo RA Filtro A Punto Abiente (ESTATE) Ventilatore Batteria di raffreddaento I (Iissione) Aria esterna E M C D S F I Miscelatore Uidificatore Batteria di postriscaldaento Batteria di riscaldaento (INVERNO) Condensa (INVERNO)
Cicli Estivo ed Invernale Punti caratteristici E M E M D S F I C A I A
Bilancio dell Abiente INVERNO ESTATE q sens (-) q sens (+) x A h A Estrazione AMBIENTE x I h I q tot (q lat + q sens ) > 0 0 < 0 Iissione v h v q lat (+) Tutto l anno Cons. Massa di vapore x I + v x A x I x A ( v /) x I x A sepre Cons. Energia h I + v h v + q sens h A h I h A (q tot /) IMPIANTI TECNICI - De Santoli, Mancini, Mariotti q sens (-) > q lat (+)
Deterinazione del Punto di Iissione Le coordinate del punto di iissione sono state individuate nei calcoli ostrati in precedenza: x x (/) t t (q / c* ) h h (q /) I A v I A sens I A tot Si può notare che la posizione del punto di iissione I è tanto più vicina al punto abiente A quanto è più grande la portata d aria (kg/s). Quindi il punto di iissione non è unico, a sono tutti quelli che rispettano le equazioni precedenti (aleno due, in quanto la terza è una conseguenza) Si può vedere che sul diagraa psicroetrico tutti i possibili punti di iissione si trovano su una seiretta che passa dal punto abiente A, con una inclinazione che dipende dai valori di q tot e q sens. Tale retta si chiaa RETTA DI CARICO o RETTA AMBIENTE.
Esepio di U.T.A. con oduli asseblati in serie
Cicli Estivo ed Invernale Punti caratteristici E M E M S D D F I A C I I C A I I (INVERNO): ASSENZA DI CARICHI LATENTI I (ESTATE): ASSENZA DI CARICHI SENSIBILI IMPIANTI TECNICI - De Santoli, Mancini, Mariotti
DIMENSIONAMENTO UTA: IMPIANTO A TUTT ARIA MONOCONDOTTO
Calcolo della portata d aria Il punto di iissione può essere, in via preliinare, liberaente scelto sulla retta di introduzione, ad esepio fissando la teperatura di iissione ti (tra 20 e 30 C in inverno e tra 16 e 26 C in estate). Si tenga però presente che più il punto di iissione è vicino al punto abiente (t ai ), aggiore sarà la portata di aria da trattare. La portata d aria da trattare si calcola infatti traite la forula: c p q sens ( t t ) A I Kg/s C p 1008 J/kg K se q sens èin W; C p 1.008 kj/kg K se q sens èin kw (il calore sensibile sarà negativo in inverno e positivo in estate) (Per ottenere la portata in kg/h oltiplicare il valore ottenuto per 3600) Il valore ottenuto dovrà essere confrontato con la portata di ventilazione ae!!! (Portata inia da assicurare per la qualità dell aria)
Valutazione preliinare di (ESTATE) Si verifica quindi la possibilità o eno del ricircolo: ric ae con ae portata di aria esterna necessaria per garantire i requisiti di qualità (UNI 10339) In questo caso è possibile sfruttare l opportunità del ricircolo (rispariando energia)
Valutazione del PUNTO DI IMMISSIONE I In base alle portate d aria relative alle condizioni invernali, si calcolano le effettive caratteristiche del punto di iissione in Inverno. In Inverno t I > t A!!!! Per quanto riguarda l uidità specifica del punto di iissione, si ottiene dal bilancio (valido anche per l estate): Portata di vapore generata nell abiente kg v /kg as ( t IMPIANTI TECNICI - De Santoli, Mancini, Mariotti t I A x t ) I x t I I A + x A c v c p p q sens q sens v x A In Inverno ha il segno negativo! In Watt! In kg/s! INGRESSO USCITA L uidità in uscita è pari a quella dell abiente interno Stesse Unità di Misura!!!! (kg/s o kg/h)
IMPIANTI TECNICI - De Santoli, Mancini, Mariotti Valutazione del PUNTO DI MISCELA M Si valutano ora le condizioni di iscelazione fra portata di aria esterna e L entalpia h dipende dalla teperatura e dal titolo x dell aria uida: h t + x(2500 + 1.9t ) in kj/kg as approssiare: R R E ae M M R R E ae h h h h h h + + R R E ae M M R R E ae x x x x x x + + R R E ae M M R R E ae t t t t t t + + portata di ricircolo, in entrabe le stagioni. I bilanci di assa e di energia conducono alle seguenti due equazioni: Per abbreviare i calcoli, l equazione di bilancio dell energia si può
Riassunto dati In neretto i dati di progetto o calcolati traite bilanci In rosso dati ottenuti dal diagraa psicroetrico INVERNO ( 39780 kg/h) ESTATE ( 39780 kg/h) t [ C] x [gv/kgas] h [kj/kgas] ϕ [%] t [ C] x [gv/kgas] h [kj/kgas] ϕ [%] A 20 7,2 50 26 10,5 50 E 0 2,3 60 34 18,5 55 M 3,8 3,23 11,9 32,5 17 76,05 C 16,9 3,23 25,11 / / / / C' 20,7 3,23 28,9 / / / / D 9 6,4 25,11 90 / / / / D' 10,7 7,2 28,9 90 / / / / F / / / / 9,7 S / / / / 100 I 22,8 6,4 39,08 16 9,7 40,54 I' 22,8 7,2 41,11 26 9,7 50,73 IMPIANTI TECNICI - De Santoli, Mancini, Mariotti Se non ci fosse stato il ricircolo, al posto del punto di iscela M si sarebbe utilizzato, nei calcoli seguenti, il punto esterno E (tutt aria esterna)!!!!
Diensionaento della batteria di pre-riscaldaento (INVERNO) Deterinazione dei punti C e D La potenzialità della batteria di preriscaldaento si deterina in base al salto entalpico fra il punto M ed il punto C. Il punto C viene deterinato in base alla posizione del punto D (fine uidificazione). Tale punto D dovrà avere lo stesso titolo del punto di iissione I e la sua uidità relativa dovrebbe essere, teoricaente, pari al 100%. In realtà l uidificatore è caratterizzato da un efficienza di uidificazione, per cui l uidità relativa del punto D sarà inferiore al 100%. Ipotizzando un efficienza pari al 90% (per uidificatori ad acqua è copresa fra il 70 ed il 90%), il punto D si trova all intersezione della retta orizzontale (isotitolo) che congiunge il punto di iissione I con la curva isoentalpica passante per il punto di saturazione teorico (vedi oltre). Il punto C avrà, approssiativaente, la stessa entalpia del punto D. IMPIANTI TECNICI - De Santoli, Mancini, Mariotti
Diensionaento della batteria di pre-riscaldaento (INVERNO) Nel caso siano assenti i carichi latenti, il punto di iissione, per antenere costante l uidità relativa al valore di progetto, dovrebbe spostarsi in I (stesso grado igroetrico del punto abiente; si copensano solo i carichi sensibili). In tal caso il punto D si sposta in D (grado igroetrico sepre pari al 90%, per seplicità; in realtà sarebbe 88%) ed il punto C in C (aggiore pre-riscaldaento assia potenza della batteria). Se in assenza di carichi latenti si antenesse il punto C nella sua posizione, si avrebbe una diinuzione del grado igroetrico dell abiente (deve giudicare il progettista se essa è accettabile). Se invece si antenesse fisso il punto C anche in presenza di carichi latenti, il grado igroetrico nell abiente auenterebbe fino ad un valore tale da essere copensato dall aria trattata. IMPIANTI TECNICI - De Santoli, Mancini, Mariotti INVERNO ( 39780 kg/h) t [ C] x [gv/kgas] h [kj/kgas] ϕ [%] A 20 7,2 50 E 0 2,3 60 M 3,8 3,23 11,9 C 16,9 3,23 25,11 C' 20,7 3,23 28,9 D 9 6,4 25,11 90 D' 10,7 7,2 28,9 90 F / / / / S / / / / I 22,8 6,4 39,08 I' 22,8 7,2 41,11 Assunta per seplicità pari a quella del punto D
Diensionaento della batteria di pre-riscaldaento (INVERNO) La potenza della batteria di pre-riscaldaento è (trasforazione M-C): q M C ( h h ) C M Oppure, nel caso della trasforazione M-C, il suo assio valore è: q M C ' ( h ) ' h C M
Diensionaento della batteria di postriscaldaento (INVERNO) In tal caso, la assia potenza della batteria è quella della trasforazione D-I: q D I ( h h ) I D Poiché la batteria di post-riscaldaento è operativa anche in estate, è necessario calcolare anche la potenzialità necessaria in tale stagione per definire la diensione effettiva della batteria (verrà assunto il valore assio fra quelli ottenuti in estate ed in inverno).
Diensionaento della batteria di raffreddaentodeuidificazione (ESTATE) Il raffreddaento e deuidificazione dell aria in estate è funzione della inia teperatura della superficie della batteria di raffreddaento. Noralente tali batterie sono alientate da un fluido freddo (proveniente da un gruppo frigorifero, che opera fra le teperature 7 C e 12 C, valori inii). La teperatura superficiale inia della batteria sarà di circa 10 C. Tutte le batterie sono caratterizzate da un by-pass dell aria per cui solo una frazione di questa subisce il raffreddaento e la deuidificazione, entre la aggior parte riane alle condizioni di ingresso. La iscelazione delle due frazioni fornisce poi le caratteristiche dell aria in uscita, che non sarà più in condizioni di saturazione. Quanto detto può tornare utile per ridurre l entità del post-riscaldaento estivo (rispario di energia).
Raffreddaento e deuidificazione con by-pass Durante il processo di raffreddaento e deuidificazione, in realtà, solo una parte della portata totale di aria viene a contatto con la batteria di raffreddaento; una frazione della portata totale, pari a bp, non subisce alcuna trasforazione e si iscela, a valle della batteria, con la portata ( bp ) la quale, nel processo di raffreddaento e deuidificazione, è in condizioni sature. Tale portata bp, che non subisce trasforazioni, è detta portata di by-pass. Il processo descritto può essere rappresentato coe in figura in cui, a valle del processo di raffreddaento e deuidificazione subìto dalla portata ( bp ), si ha un iscelaento adiabatico con la portata di by-pass bp. G bp G-G bp - bp iscelatore G G Batteria di raffreddaento deuidificazione condensa IMPIANTI TECNICI - De Santoli, Mancini, Mariotti
Raffreddaento e deuidificazione con by-pass Il processo descritto può essere utilizzato per evitare, durante il ciclo estivo, il postriscaldaento dell aria. Infatti, invece di effettuare le trasforazioni M-U-S -I, si può deuidificare una parte della portata d aria fino al punto S, a teperatura ancora più bassa, e poi iscelarla adiabaticaente con la portata di by-pass nelle condizioni teroigroetriche del punto M fino a raggiungere il punto I. h 0 kj/kg a.s. 10 20 30 ϕ 1 Diagraa Psicroetrico 40 2 S 50-10 -5 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 IMPIANTI TECNICI - Teperatura De Santoli, [ C] Mancini, Mariotti 60 S 2' 70 U R 80 90 110 100 3 I 120 0.9 0.8 M 1 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 35 30 25 20 15 10 5 0 Uidità specifica [g/kga.s.] Ciò è possibile se il punto S esiste (la congiungente i punti M ed I, estesa verso sinistra tocca la curva di saturazione in un punto S a teperatura superiore a 10 C, altrienti è necessario counque un post riscaldaento.
Cicli delle trasforazioni dell aria
Diensionaento della batteria di raffreddaento-deuidificazione (ESTATE) La potenza della batteria di raffreddaento (trasforazione M-F) è dunque: q M F ( h h ) 39780 ( 36.9 76.05) 433 kw F M 3600 Il fattore di by-pass voluto (nel nostro caso 0.222) dipende dal tipo di batteria. In generale esso è legato al nuero di ranghi NR della stessa (file di tubi contate nel senso di attraversaento dell aria).
Diensionaento della batteria di post-riscaldaento (ESTATE) La potenza della batteria di post-riscaldaento in funzionaento estivo (trasforazione F-I) sarebbe: q F I ( h h ) I F Nel caso siano assenti i carichi sensibili, il punto di iissione, per antenere costante la teperatura al valore di progetto, dovrebbe spostarsi in I (stessa teperatura del punto abiente; si copensano solo i carichi latenti). In tal caso il punto sarebbe necessario un aggiore post-riscaldaento ( assia potenza della batteria). Se in assenza di carichi sensibili (o in caso di riduzione) si antenesse il punto I nella sua posizione, si avrebbe una forte diinuzione di teperatura nell abiente. La potenza assia della batteria di post-riscaldaento è (trasforazione F-I ): q F I ' ( h h ) I ' F Se il valore è inferiore a quello ottenuto in inverno si assuerà quest ultio coe valore di progetto.
DIMENSIONAMENTO UTA: IMPIANTO ARIA PRIMARIA E VENTILCONVETTORI - POTENZA CALDAIA E GRUPPO FRIGO
Introduzione L ipianto isto, aria priaria e ventilconvettori, si addice bene alla destinazione ad uffici. La portata di aria da inviare negli abienti è solo quella definita dalle caratteristiche di ventilazione degli abienti stessi ( ae ). All aria priaria è affidato il copito di assicurare le volute condizioni di purezza dell aria e di controllare i paraetri igroetrici, in odo da ottenere in abiente le condizioni di uidità relativa di progetto (controllo del carico latente). I carichi sensibili saranno controllati localente dai ventilconvettori. In questo tipo di ipianto, quindi, non c è ricircolo (non c è il punto M e il ciclo parte dal punto E) e le condizioni di iissione sono alla teperatura abiente di progetto (20 C in inverno e 26 C in estate).
Caratteristiche del PUNTO DI IMMISSIONE I Nel caso di un ipianto isto, quindi, la portata d aria è quella di ventilazione di progetto (aria esterna) ae. La teperatura del punto di iissione è pari a quella di progetto degli abienti e l uidità specifica si calcola analogaente a quanto visto nel caso dell ipianto a tutt aria: x I x ai v IMPIANTI TECNICI - De Santoli, Caruso, Mancini
Cicli delle trasforazioni dell aria E S D F A I A I E C
Diensionaento della batteria di pre-riscaldaento (INVERNO) La potenza della batteria di pre-riscaldaento è (trasforazione E-C): q E C ( h h ) C E Oppure, nel caso della trasforazione E-C, il suo assio valore è: q E C ' ( h ) ' h C E Anche in questo caso, se sono assenti i carichi latenti, il punto di iissione, per antenere costante l uidità relativa al valore di progetto, dovrebbe spostarsi esattaente in A). In tal caso il punto D si sposta in D (grado igroetrico assunto sepre pari al 90%) ed il punto C in C (aggiore pre-riscaldaento assia potenza della batteria). Se in assenza di carichi latenti si antenesse il punto C nella sua posizione, si avrebbe una diinuzione del grado igroetrico dell abiente (deve giudicare il progettista se essa è accettabile). Se invece si antenesse fisso il punto C anche in presenza di carichi latenti, il grado igroetrico nell abiente auenterebbe fino ad un valore tale da essere copensato dall aria trattata.
Diensionaento della batteria di post-riscaldaento (INVERNO) In tal caso, la assia potenza della batteria è quella della trasforazione D-I: q D I ( h h ) I D Poiché la batteria di post-riscaldaento è operativa anche in estate, è necessario calcolare anche la potenzialità necessaria in tale stagione per definire la diensione effettiva della batteria (verrà assunto il valore assio fra quelli ottenuti in estate ed in inverno).
Diensionaento della batteria di raffreddaentodeuidificazione (ESTATE) In questo caso il raffreddaento è perfettaente analogo al caso dell ipianto a tutt aria (naturalente il raffreddaento in questo caso ha inizio nel punto E ) La potenza della batteria di raffreddaento è dunque: q E F ( h h ) F E I ventilconvettori saranno scelti per copensare i carichi sensibili dei singoli abienti dell edificio