Corso di energetica degli edifici - docente.unicas.it · Impianti per il riscaldamento ambientale 2 Obiettivo di un impianto di climatizzazione destinato agli usi civili è quello

1 Impianti per il riscaldamento ambientale

Impianti di climatizzazione

Corso di energetica degli edifici


Obiettivo di un impianto di climatizzazione destinato agli usi civili è

quello di mantenere e realizzare, nel corso di tutto l’anno ed in tutti gli

ambienti confinati:

• la temperatura desiderata

• un’umidità relativa accettabile

• un’adeguata purezza dell’aria ambientale

• un valore della velocità dell’aria

entro i limiti richiesti dal benessere degli occupanti.

Per determinare le caratteristiche di un impianto di climatizzazione è

necessario definire i parametri che influenzano le condizioni di benessere.



Fissato il livello del metabolismo energetico dell’uomo ( funzione dell’attività

svolta), i parametri che influenzano le condizioni di benessere sono:

• resistenza termica dell’abbigliamento (non dipende dall’ambiente

ma dai suoi occupanti);

• la temperatura di bulbo asciutto dell’aria umida presente in ambiente;

• l’ umidità relativa dell’aria presente in ambiente;

• la velocità media dell’aria umida presente in ambiente;

• la temperatura media radiante del locale:

– dipende dalla tipologia dell’involucro edilizio;

– dalle condizioni climatiche esterne;

– influenzata in misura maggiore o minore dal tipo di impianto di climatizzazione

e dalle sue condizioni di esercizio

Tre

proprietà

termofisiche

dell’aria



La finalità degli impianti di climatizzazione (secondo la UNI

10339/95) è il controllo delle tre proprietà termofisiche dell’aria

interna:

• temperatura;

• umidità relativa;

• velocità;

e garantire una buona qualità dell’aria in ambiente al fine di

assicurare condizioni di benessere.

Si parla di impianti di termoventilazione se manca il controllo

dell’umidità relativa e di impianti di ventilazione se manca

anche il controllo della temperatura.



I principali componenti di un impianto di climatizzazione sono:

Apparecchiature per la produzione dei fluidi termovettori caldo e freddo:

• gruppi frigo;

• caldaie;

• pompe di calore;

Apparecchiature per il trattamento dell’aria:

• batterie per il riscaldamento e per il raffreddamento;

• umidificatori;

talvolta tutti accoppiati in un’unica apparecchiatura detta U.T.A. (Unità di

trattamento aria) o C.T.A. (Centrale di trattamento aria), o anche

condizionatore

il loro insieme costituisce

la “centrale termica” o

“centrale

termofrigorifera”



Apparecchiature per la distribuzione dei fluidi termovettori:

• canali e ventilatori per l’aria;

• tubazioni e pompe per l’acqua.

Unità terminali:

•bocchette;

• diffusori;

•griglie di estrazione; terminali aeraulici

•radiatori:

•ventilconvettori ( fancoil);

•induttori.

Organi di regolazione

Terminali

aeraulici

Terminali

idraulici



I vari tipi di impianti di condizionamento adottati possono essere

classificati in base al tipo di fluido termovettore che arriva in

ambiente.

In tal senso si possono distinguere:

• impianti a tutta aria, che impiegano l’aria come fluido vettore del

caldo e/o del freddo in ambiente;

• impianti misti (aria-acqua), impiegano l’aria e l’acqua come fluidi

vettori del caldo e/o del freddo in ambiente;

• impianti a tutta acqua, impiegano l’acqua come fluido vettore del

caldo e/o del freddo in ambiente;

• impianti a fluido refrigerante o ad espansione diretta.



Impianti a tutt’aria Negli ambienti è distribuita la sola aria trattata nell’U.T.A. ed inviata mediante canali nei locali, in cui è immessa con opportuni terminali di diffusione.



Impianti a tutt’aria U.T.A



Impianti a tutt’aria









Impianti misti aria-acqua In cui l’aria (“primaria”) è solo aria esterna, in misura strettamente necessaria alle esigenze di rinnovo, mentre l’acqua è inviata ad unità terminali idrauliche presenti nei locali. Esempi: impianti a fan-coil ed aria primaria, a radiatori ed aria primaria, a pannelli radianti ed aria primaria.



Stagione estiva:

L’aria, sufficientemente deumidificata nella centrale di

condizionamento, consente di ottenere buone condizioni di umidità

relativa, evitando la formazione di condensa sulle batterie delle unità

terminali.

Stagione invernale:

l’aria primaria viene opportunamente umidificata per mantenere

negli ambienti l’umidità relativa nei limiti di benessere.

Impianti misti aria-acqua



Impianti ad acqua Veicolano nei locali solo acqua: talvolta solo acqua calda in inverno (è il caso di impianti a radiatori, a pannelli radianti, a termoconvettori, ad aerotermi), altre volte anche acqua fredda in estate (impianti a fan-coil)



Impianti a fluido frigorigeno (detti ad espansione diretta) In cui il fluido termovettore è costituito direttamente dal fluido frigorigeno che attraversa la macchina frigorifera/pompa di calore (esempi sono i condizionatori monoblocco “da finestra” ed i condizionatori a due unità, una interna ed una esterna al locale, anche detti “split system”.



Condizioni di progetto




b) condizioni microclimatiche da mantenere all’interno

Stato termodinamico aria umida Velocità massima ammissibile aria (0.15 m/s UNI 10339) Minime portate di aria di rinnovo (UNI 1033)

c) proprietà termofisiche dell’involucro edilizio

Trasmittanza termica unitaria per i componenti opachi (0.7 W/m2K) e per componenti finestrati (3 W/m2K) Coefficiente di trasmissione del vetro alla radiazione solare par i a 0.7









Tipiche condizioni termoigrometriche di progetto



Cenni sui carichi termici dei locali









Cenni sui carichi termici dei locali Carico termico latente



Carico termico totale









Apparecchi utilizzatori



Apparecchi utilizzatori – Corpi scaldanti

Indipendentemente dalla tipologia di impianto utilizzato, gli ambienti vengono riscaldati mediante corpi scaldanti che possono essere suddivisi in due tipologie principali: radiatori e convettori.

I radiatori I radiatori si costruiscono in ghisa, in acciaio, in alluminio e sue leghe.

Radiatori in alluminio Baisi (www.baisi.com) Radiatori in ghisa Baisi (www.baisi.com)










(www.baisi.com)

(www.irsap.it) (www.irsap.it)

I radiatori ed, in generale, i corpi scaldanti, vengono realizzati non solo rispondendo ad esigenze tecniche (massimizzare superficie di scambio, ridurre il contenuto di acqua), ma anche ad esigenze estetiche e di ingombro.




I radiatori emettono parte del calore per convezione e parte per radiazione. Per questo motivo devono essere mantenuti liberi di irradiare calore nell’ambiente e di godere di una attività di circolazione dell’aria attorno ad essi. • l’installazione sotto una mensola riduce l’emissione

del 4%; • l’installazione in nicchia riduce l’emissione del 7 %; • l’installazione dietro tendaggi riduce l’emissione del

30-40%.

L’installazione dietro copriradiatore non riduce l’emissione a patto che si lascino adeguate aperture in basso ed in alto in modo da creare un tiraggio che permetta all’aria di lambire la superficie del radiatore stesso.




I convettori Il convettore è costituito da una batteria di scambio alettata che, lambita dall’aria ambiente per convezione naturale, permette il riscaldamento dei locali. Generalmente la batteria è collocata in un mobiletto, immediatamente sopra una apertura di ingresso. L’apertura superiore è generalmente provvista di una serranda di regolazione dell’aria che, comandata da un termostato sul convettore, può interrompere l’erogazione di calore.

Convettore Aermec – Lo scambio termico avviene per convezione naturale e le temperature in gioco sono tali da evitare il fenomeno della “tostatura” della polvere dell’aria scongiurando il problema

dell’annerimento delle pareti.




I ventilconvettori Costituiti da un ventilatore, da una batteria di scambio di calore e da un filtro, i ventilconvettori sono macchine ideali per la climatizzazione estiva ed il riscaldamento invernale. Alimentati con acqua calda proveniente da una pompa di calore o da una comunissima caldaia forniscono il calore necessario al riscaldamento dei locali. Ideato per lavorare in estate con una piccola differenza di temperatura con l’aria ambiente, in inverno è necessario avere contenute temperature della batteria di scambio. Ventilconvettore prodotto da Baltur


Ventil_Convettore_Baltur.pdf



Esempi di ventilconvettori




I convettori a battiscopa Un sistema di riscaldamento molto usato soprattutto nei Paesi nordici è quello a battiscopa che è formato sostanzialmente da un tubo di rame di circa 25mm di diametro, posto nell'angolo tra il pavimento e la parete più fredda, infilato in tante lamelle radianti, distanti tra loro uno o due centimetri. La striscia di parete dietro il tubo è isolata. All'interno scorre acqua con temperatura che va dai 50°C agli 80°C, idonea all'accoppiamento con pannelli solari. L'aria sale in strato laminare a contatto con la parete riscaldandola e riuscendo ad ottenere una situazione di equilibrio termico all'altezza di un metro e mezzo – due. Si evita in questo modo la dispersione di calore a livello del soffitto con la conseguenza di un risparmio energetico di circa il 20%. La parete resterà più asciutta evitando la formazione di muffe ed aumentando il potere di isolamento. Gli aspetti negativi sono la lentezza di entrata in esercizio e la possibile formazione di campi elettromagnetici su percorsi metallici con acqua corrente




Aerotermi Gli aerotermi sono comunemente utilizzati per il riscaldamento di ambienti industriali. Sono costituiti da una batteria di tubi alettati contenuti in una cassa: dietro la batteria vi è un ventilatore che preleva aria dall’ambiente, la spinge attraverso la batteria e la reimmette, riscaldata, in ambiente. Sul fronte della cassa sono generalmente previste una serie di alette (deflettore) per poter dirigere il getto di aria calda. Gli aerotermi si prestano anche al rinnovo dell’aria ambiente in quanto uno o più di essi

può prelevare l’aria direttamente dall’esterno. Nell’istallazione di questi apparecchi vanno attentamente valutate la temperatura e la velocità dell’aria ai fini di garantire il comfort termico, osservando le seguenti regole: • temperatura massima di immissione: 35 °C; • velocità dell’aria sulle persone: 4,5 m/s (26 °C); 5,5 (28 °C); 7,0 m/s (30 °C).




Pannelli radianti Gli impianti di riscaldamento basati sui pannelli radianti a parete e a pavimento forniscono comfort interno a bassi consumi d'energia. Il calore proviene dal pavimento o dalle pareti e si propaga soprattutto entro i due metri di altezza, ovvero laddove serve. In questo modo la caldaia potrà lavorare ad un minore impiego di energia per garantire lo stesso livello di comfort.









La distribuzione dell’acqua



I circuiti di distribuzione dell’acqua

• La distribuzione dell’acqua negli impianti civili avviene mediante sistemi di tubazioni costituiti dal collegamento di testa di condotte aventi sezione circolare e dimensioni normalizzate.

• I tubi commerciali sono cilindrici, cavi, di materiale e spessore diverso e possono essere fra loro congiunti con differenti modalità.

• Nelle reti di tubazioni circola acqua a diversa temperatura. • I materiali comunemente impiegati nei sistemi di tubazioni sono: acciaio nero,

acciaio zincato, rame e materie plastiche. • Acciaio nero: lega Fe-C – UNI 8863 e 7287, UNI-ISO 4200 Coeff. di dilatazione

termica: 0.0125 mm/m°C. • Acciaio zincato: spessore della zincatura compreso tra 0.15 e 0.20 mm. • Rame: rame puro al 99.9% - UNI 5649 e 6507 - Coeff. di dilatazione termica: 0.0165

mm/m°C. • Materiali plastici: PVC, polietilene, polipropilene, polibutene, UNI 7741, 7611, 7990,

8318, 9338 – Coeff. di dilatazione da 0.05 a 0.185 mm/m°C.




• L’acqua è da intendersi di acquedotto, incolore, inodore, insapore, alla temperatura standard di 15°C

• solidificazione a 0°C, evaporazione a 100°C

• massa volumica (4°C) =1 kg/dm3

• calore specifico 4186 J/kgK

• conducibilità termica 0.586 W/mK

• viscosità cinematica (100°C) 0.295 106 m2/s



Tubazioni Negli impianti ad acqua calda o a vapore si impiegano di solito tubazioni in acciaio. Nel caso di piccoli diametri si utilizza anche il rame e, per impianti individuali, si utilizzano tubazioni in materiale plastico (polietilene UNI 9338, polibutilene). Uno dei principali problemi relativi ai tubi metallici è dovuto alla dilatazione termica (la dilatazione lineare dell’acciaio è pari a 0,012 mm/m °C, mentre nel rame è pari a 0,017 mm/m °C). E’ necessario prevedere giunti di dilatazione, ad U oppure ad omega, realizzati con lo stesso tubo, che permettano di assorbire le dilatazioni termiche dei materiali rimanendo in campo elastico. Qualora i tubi siano poggiati su sostegni è necessario calcolare la distanza tra i sostegni in modo da contenere la deformazione del tubo stesso dovuta al proprio peso più il peso del fluido termovettore. I tubi correnti in locali non riscaldati devono essere necessariamente isolati (schiuma poliuretanica rigida, resine, tubo esterno, polietilene,...).




• I sistemi di tubazioni a circuito aperto trasferiscono l’acqua dalla sorgente all’utenza mettendola, in qualche punto del circuito, a contatto con l’atmosfera. I circuiti aperti possono essere: a pressione (se la pressione totale è fornita da un mezzo meccanico,

ad esempio le elettropompe), a caduta (se l’acqua proviene da un serbatoio sopraelevato rispetto all’utenza), misti (se l’acqua viene pompata ai serbatoi di raccolta e quindi distribuita a caduta)

• In un circuito chiuso, l’acqua in circolazione è teoricamente sempre la stessa. Per

tale motivo sono necessarie tubazioni di andata e di ritorno. La rete di distribuzione è praticamente sempre un anello ed, a causa dei gradienti di temperatura

presenti, sarà sempre collegato ad un recipiente atto a contenere le conseguenti variazioni di volume (vaso di espansione).

Le reti di distribuzione. Che uniscono la sorgente energetica alle utenze mediante sistemi di tubazioni nelle quali si muove acqua a circolazione forzata possono essere classificate in distribuzione: i) monotubo, ii) a due tubi, iii) a tre tubi, iv) a quattro tubi.




Distribuzione monotubo • Utilizzata generalmente negli impianti di riscaldamento di tipo autonomo.

• L’alimentazione in serie è ormai sostituita dal collegamento in derivazione.

• L’acqua che entra nel primo corpo scaldante è una parte della portata totale; l’acqua

che entra nel secondo terminale è, a sua volta, parte della portata totale, risultante però dalla miscela tra l’acqua meno calda che esce dal precedente e quella parte che ha proseguito nell’anello con la temperatura iniziale.

• Le alimentazioni successive dei terminali di uno stesso anello avvengono a temperature sempre minori.




Distribuzione monotubo



Sia per gli impianti misti che per quelli a sola acqua, la distribuzione del fluido termovettore acqua ai terminali è garantita dalle seguenti soluzioni tecnologiche: •Distribuzione a due tubi •Distribuzione a quattro tubi




Distribuzione a due tubi • Tipologia più diffusa nel caso si voglia

trasferire ai terminali acqua calda o refrigerata.

• Indifferentemente adottata sia negli impianti unifamiliari che in quelli centralizzati, dalla più modesta alla più elevata estensione.

• Nel caso di elevate estensioni si utilizzano impianti a la rete di distribuzione (distribuzione orizzontale e montanti o colonne) è sempre costituita da una tubazione di mandata ed una tubazione di ritorno, che riconduce il fluido termovettore alla centrale.




Distribuzione a due tubi

• Nel caso di impianti di modesta estensione, la configurazione più comune è a collettore (o a margherita).

• Esso è rappresentato da due collettori (andata e ritorno) collegati da un lato alla sorgente energetica e dall’altro ai terminali.

• Il collegamento ai terminali è costituito da tante coppie di tubi di andata e ritorno quanti sono i terminali stessi, aventi diametri diversi e passanti sotto pavimento o sotto traccia.




Distribuzione a tre tubi

• E’ Attualmente abbandonata.

• E’ stata proposta (ed in alcuni casi applicata) ad impianti di condizionamento ad o ventilconvettori, in cui l’alimentazione avveniva con due tubazioni distinte (una per il caldo ed una per il freddo), ma con ritorno unico.

• Ogni terminale era dotato di elettrovalvola a tre vie che, comandata da un sensore ambiente, sceglieva il “freddo” o il “caldo”.

• Le caratteristiche dell’impianto non compensavano il lieve risparmio di materiale.




Distribuzione a quattrotubi I terminali sono alimentati in ogni stagione con acqua calda e refrigerata in base alle necessità. La

portata di aria primaria viene calcolata per garantire il rinnovo con l’aria esterna e il controllo

dell’umidità; inoltre questa non ha il compito di annullare i carichi per trasmissione.

Consentono di raffreddare e riscaldare zone diverse.

L’aria primaria, immessa nelle condizioni di saturazione, mantiene per tutto l’anno condizioni

termoigrometriche costanti.

Inoltre non è necessario effettuare la commutazione stagionale, perché il riscaldamento degli

ambienti con carichi sensibili negativi nelle stagioni intermedie è effettuato dai ventilconvettori.



I circuiti di distribuzione dell’acqua Distribuzione a quattrotubi



La distribuzione dell’aria



La distribuzione dell’aria.

Generalità

• La funzione delle condotte è quella di veicolare da e verso gli ambienti l’aria “trattata” dalle apposite Unità di Trattamento Aria (UTA).

• Nell’ambito dei processi di ventilazione e climatizzazione, la distribuzione dell’aria deve: assicurare la ventilazione dei locali sulla base dei quantitativi prestabiliti; assicurare la distribuzione dell’aria senza modificare i parametri termoigrometrici e la qualità

lungo il percorso dalla centrale ai terminali di distribuzione; assicurare limitatissime dispersioni e perdite di calore; limitare il rumore; mantenere le prestazioni desiderate per un lungo periodo (affidabilità).

• Il circuito di distribuzione dell’aria deve essere progettato e realizzato per ovviare al fatto che le condotte possono essere sede di accumulo di polvere e batteri compromettendo la salubrità degli ambienti climatizzati o ventilati.




Generalità

• Nel muoversi all’interno delle condotte l’aria incontra una certa resistenza per attrito dovuta al contatto con le pareti ed alle turbolenze.

• Per consentire al fluido di muoversi con portata e velocità prestabilite è necessario utilizzare un elettroventilatore e, quindi, consumare energia.

• La rete aeraulica deve essere dimensionate al fine di ridurre il consumo di energia: scegliendo il percorso più breve; riducendo al massimo le variazioni di sezione; scegliendo appropriate forme geometriche per i raccordi e le sezioni.

• Lo studio del moto dell’aria all’interno delle condotte costituisce pertanto la base della progettazione dei sistemi aeraulici.





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