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IMPIANTI DI
CLIMATIZZAZIONE
Livio de Santoli, Francesco Mancini
Università La Sapienza di [email protected]
www.eeplus.it
www.ingenergia.it
Introduzione2
• Progettazione finalizzata al raggiungimento del comfort ambientale, inteso come
comfort termico, igrometrico e nei confronti della qualità dell’aria.
• Comfort termico
o controllo della temperatura in inverno ed in estate
o un sistema impiantistico deve compensare il carico termico sensibile invernale
ed estivo
• Comfort igrometrico
o controllo dell’umidità relativa dell’ambiente in inverno e in estate
o un sistema impiantistico deve compensare il carico termico latente invernale
ed estivo
• Comfort nei confronti della qualità dell’aria
o Controllo della concentrazione degli inquinanti sia nella stagione invernale,
sia nella stagione estiva
o diluire la produzione locale di inquinanti con aria più pulita, con un sistema
impiantistico o attraverso un sistema di ventilazione naturale.
Classificazione e definizioni (UNI 10339)3
• riscaldamento - realizzazione e mantenimento simultaneo negli ambienti delle
condizioni termiche limitatamente alla stagione invernale
• raffrescamento - realizzazione e mantenimento simultaneo negli ambienti delle
condizioni termiche limitatamente alla stagione estiva
• ventilazione - realizzazione e mantenimento simultaneo negli ambienti delle
condizioni di qualità e movimento dell’aria comprese entro i limiti richiesti per il
benessere delle persone; rispetto alla climatizzazione, è escluso il controllo termico
ed, eventualmente, il controllo igrometrico
• termoventilazione - realizzazione e mantenimento simultaneo negli ambienti delle
condizioni termiche, di qualità e movimento dell’aria comprese entro i limiti
richiesti per il benessere delle persone; rispetto alla climatizzazione è escluso il
controllo igrometrico
• climatizzazione - realizzazione e mantenimento simultaneo negli ambienti delle
condizioni termiche, igrometriche, di qualità e movimento dell’aria comprese entro
i limiti richiesti per il benessere delle persone
Classificazione e definizioni (UNI 10339)4
Denominazione Inverno Estate
T UR IAQ T UR IAQ
Riscaldamento x - - - - -
Raffrescamento - - - x - -
Ventilazione - - x - - x
Termoventilazione x - x x - x
Termoventilazione invernale x - x - - -
Termoventilazione estiva - - - x - x
Climatizzazione x x x x x x
Climatizzazione invernale x x x - - -
Climatizzazione estiva - - - x x x
Impianti di riscaldamento e raffrescamento5
• Riscaldamento: realizzare ed a mantenere la temperatura in inverno
• Raffrescamento: realizzare ed a mantenere la temperatura in estate
QH,nd
QH,imp
QC,nd
QC,imp
ndHimpHQQ
,, max,,, ndCimpC
• Impianti autonomi o centralizzati
• Produzione del calore (caldaia, gruppo frigo, pompa di calore, ecc.)
• Distribuzione
• Regolazione
• Terminali di emissione• Radiatori (solo riscaldamento)
• Pannelli radianti (riscaldamento e raffrescamento)
• Ventilconvettori (riscaldamento e raffrescamento)
• Split (riscaldamento e raffrescamento)
Impianti di ventilazione6
• Controllo della qualità dell’aria, che si realizza inviando in ambiente il giusto
quantitativo di aria esterna (mae)
mae
mae
Ventilatore
di immissione
mae
mae
Ventilatore
di estrazione
• Per piccoli locali, si potranno avere impianti dotati di solo ventilatore installato a
parete o montato su una finestra
• Il ventilatore potrà essere di immissione o di estrazione dell’aria; il
bilanciamento delle portate si avrà per esfiltrazione o per infiltrazione dagli infissi
o la soluzione con ventilatore di estrazione è da preferire per ambienti che si
vogliano mantenere in depressione, come, ad esempio, i servizi igienici
o in alcune situazioni, può essere utile installare sia un ventilatore di
immissione, sia un ventilatore di estrazione
Impianti di ventilazione7
mae
mae
mae
mae
• Per portate alte, la configurazione degli infissi non consente il bilanciamento
delle portate; conviene installare sia un impianto di immissione, sia un impianto
di estrazione
• Sebbene l’impianto sia preposto alla sola ventilazione, per non alterare troppo il
bilancio termico degli ambienti, si può installare un recuperatore di calore
Impianti di ventilazione8
mae
(80-90%)mae
mae
mrip
WC
mexp
(80-90%)mae
• Per mantenere l’edificio in sovrapressione rispetto all’esterno, l’impianto di estrazione
dovrà prelevare dagli ambienti una portata di aria inferiore a quella immessa.
• Solitamente, l’aria estratta è pari all’80-90% dell’aria immessa.
• Tale rapporto deve essere rispettato sia per l’edificio nel suo complesso, sia, con una
maggiore flessibilità, per i singoli ambienti o per singole zone dell’edificio: ciò consentirà
di evitare fastidiose correnti d’aria tra un ambiente e l’altro.
• Mandata
• Ripresa
• Mandata
• Ripresa
• Espulsione
Impianti di termoventilazione9
• Termoventilazione: controllo della qualità dell’aria e della temperatura
• Variante migliorativa dell’impianto di ventilazione
• Quasi sempre si ha solo termoventilazione invernale: una macchina
(termoventilatore) per la ventilazione ed il riscaldamento dell’aria utilizzata
come fluido termovettore.
mae
maemtot cp TA
QH,nd
mtot cp TS
ndHAptotSptotQTcmTcm
,
aeaemm
• I due schemi sono da sovrapporre per arrivare ad un solo valore della portata
d’aria (mae oppure mtot)
• La seconda equazione ha due incognite (mtot e TS)
Impianti di termoventilazione10
• Si procede per tentativi
• Primo tentativo: si fissa un valore massimo della temperatura di immissione,
con una differenza non superiore a 10°C rispetto alla temperatura
dell’ambiente, ponendo quindi TS = TA+10
• Si calcola mtot
• Si confronta mtot con mae
• A seconda del risultato del confronto si avranno soluzioni diverse
ASp
ndH
totTTc
Qm
,
Impianti di termoventilazione11
• Se mae ≥ mtot, significa che la portata per il controllo della qualità dell’aria è
anche sufficiente al controllo del carico termico
• Si procede con il ricalcolo dell’equazione di bilancio della potenza sostituendo
mtot con mae e considerando la temperatura TS come incognita.
pae
ndH
AScm
QTT
,
Einv
Ainv
S
En
talp
ia s
pec
ific
a [
kJ/k
g as]
Um
idit
à s
pecif
ica
[g
v/k
ga
s]
Temperatura [°C]
0
5
10
15
20
25
-10 -5 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55
-10
-50
5
510
15
20
25
25
30
35
40
40
45
50
50
60
65
70
75
80
85
90
95
100
100%
90%
80%
70%
60%
50%
40%
30%
20%
10%
ESpaeRISC
TTcmQ
Impianti di termoventilazione12
• Nel caso in cui mae < mtot, l’impianto dovrà necessariamente trattare la
portata mtot.
• Si potrà scegliere se prelevare per intero la portata mtot dall’esterno o ricircolare
una parte dell’aria ripresa dagli ambienti (mric=mtot-mae)
• 10,
A
ptot
ndH
AST
cm
QTT
ESptotRISC
TTcmQ
mtot cp TA
QH,nd
mtot cp TS
mric
mae
mric
ptot
EpaeApric
Mcm
TcmTcmT
MSptotRISC
TTcmQ
Potenza batteria
Senza ricircolo Con ricircolo
Impianti di climatizzazione
ad aria primaria e ventilconvettori
13
• Gli impianti ad aria primaria e ventilconvettori, anche definiti impianti misti,
sono costituiti da unità di trattamento dell’aria esterna (aria primaria) e da unità
terminali di trattamento di singoli ambienti o zone (ventilconvettori).
• L’unità di trattamento aria, attraverso una rete di canalizzazioni, invia l’aria
esterna, trattata dal punto di vista termoigrometrico, alle unità terminali che
provvedono alla diffusione in ambiente. All’immissione di aria è affidato il
compito di controllare la qualità dell’aria e l’umidità relativa
• Il ventilconvettore, collegato ad una rete di tubazioni per la distribuzione
dell’acqua, provvede alla compensazione dei carichi termici
• Soluzione impiegata laddove ci sia la necessità di:
o controllo locale e personalizzabile della temperatura ambiente
o per quelle destinazioni d’uso caratterizzate da carichi termici elevati in
rapporto alla portata d’aria necessaria alla qualità dell’aria
Impianti di climatizzazione
ad aria primaria e ventilconvettori
14
mae
mae
mv
mae xS
mae xA
aeaemm AaevSae
xmmxm
ae
v
ASm
mxx
• Il controllo dell’umidità relativa si realizza compensando con l’immissione di aria
esterna la produzione locale di vapore.
• La portata di aria esterna è la stessa impiegata per garantire la qualità dell’aria
• L’aria immessa deve avere un valore di umidità specifica più basso del valore
desiderato in ambiente.
• Il bilancio vale, sia per la stagione invernale, sia per la stagione estiva, con
l’avvertenza di inserire dati congruenti.
Impianti di climatizzazione
ad aria primaria e ventilconvettori
15
QH,nd
QH,vent
mae cp TS
mae cp TA
QC,nd
QC,vent
mae cp TS
mae cp TA
ndHApaeventHSpaeQTcmQTcm
,,
ventCApaendCSpaeQTcmQTcm
,,
ventHndHQQ
,,
ventCndCQQ
,,
ASTT
• Per il controllo della temperatura, in inverno ed in estate, sono installati
ventilconvettori idonei, in caratteristiche e numero, alla compensazione del
carico termico invernale ed estivo
• L’immissione dell’aria esterna e la sua successiva estrazione non dovranno avere
alcun effetto sul bilancio termico dell’ambiente
ASTT
Impianti di climatizzazione
ad aria primaria e ventilconvettori
16
Ainv
Einv
Eest
B
DAest
SestC
Sinv
Einv B SinvC C Sinv
Eest SestD SestEest Eest
En
talp
ia s
pec
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a [
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g as]
Um
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à s
pecif
ica
[g
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ga
s]
Temperatura [°C]
0
5
10
15
20
25
-10 -5 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55
-10
-50
5
510
15
20
25
25
30
35
40
40
45
50
50
60
65
70
75
80
85
90
95
100
100%
90%
80%
70%
60%
50%
40%
30%
20%
10%
invEBaePRE
hhmQ,
CinvSaeinvPOST
hhmQ ,,
DinvEaeRAFF
hhmQ ,
DestSaeestPOST
hhmQ ,,
max
Impianti di climatizzazione
ad aria primaria e ventilconvettori
17
xS
T1 T2 T3
xS
xS xS
• Per ogni unità di trattamento aria, si ha la possibilità di stabilire un solo punto
di immissione con umidità specifica determinata
• I valori di mv e mae da inserire per il calcolo sono i valori totali di tutti gli
ambienti serviti dalla stessa UTA
• Il controllo di umidità relativa e qualità dell’aria che si ottiene sarà da intendersi
come medio, riferito alla totalità degli ambienti serviti
• Per il controllo della temperatura si potranno avere tanti punti di controllo
quanti sono i ventilconvettori
Impianti di climatizzazione a tutt’aria18
• Gli impianti a tutt’aria sono costituiti da una unità di trattamento dell’aria che,
attraverso una rete di canalizzazioni, invia l’aria, opportunamente trattata dal
punto di vista termoigrometrico, alle unità terminali che provvedono alla
diffusione in ambiente
• All’immissione di aria è affidato il compito di controllare la qualità dell’aria,
l’umidità relativa e anche la temperatura
• Gli impianti possono elaborare solo aria esterna ed in tal caso sono detti a
tutt’aria esterna oppure possono prevedere il ricircolo dell’aria ed in tal caso
sono detti a tutt’aria con ricircolo
• Questa soluzione viene comunemente impiegata:
o laddove ci sia la necessità di elevate portate d’aria
o per ambienti ad uso collettivo (sale conferenze, cinema, teatri, ecc..)
o per quelle destinazioni d’uso caratterizzate da carichi termici bassi in
rapporto alla portata d’aria necessaria alla qualità dell’aria.
Impianti di climatizzazione a tutt’aria19
mae
mae
mv
mae xS
mae xA
aeaemm AaevSae
xmmxm
ae
v
ASm
mxx
• Il controllo dell’umidità relativa si realizza compensando con l’immissione di aria
esterna la produzione locale di vapore.
• La portata di aria esterna è la stessa impiegata per garantire la qualità dell’aria
• L’aria immessa deve avere un valore di umidità specifica più basso del valore
desiderato in ambiente.
• Il bilancio vale, sia per la stagione invernale, sia per la stagione estiva, con
l’avvertenza di inserire dati congruenti.
Impianti di climatizzazione a tutt’aria20
QH,nd
mtot cp TS
mtot cp TA
QC,nd
mtot cp TS
mtot cp TA
ndHinvApinvtotinvSpinvtotQTcmTcm
,,,,,
estApesttotndCestSpesttotTcmQTcm
,,,,,
invAinvSpinvtotndH
TTcmQ,,,,
estSestApesttotndC
TTcmQ,,,,
• Il carico termico dell’ambiente può essere compensato grazie all’immissione di
aria, in inverno a temperatura (TS) più alta della temperatura ambiente (TA) ed in
estate a temperatura più bassa.
• Le equazioni presentano ognuna due incognite (mtot e TS)
• È necessario pertanto procedere alla loro soluzione per tentativi
Impianti di climatizzazione a tutt’aria21
Primo tentativo: si fissa un valore massimo della temperatura di immissione, con
una differenza non superiore a 10°C rispetto alla temperatura dell’ambiente:
o TS,inv = TA,inv+10 in inverno
o TS,est = TA,est-10 in estate
invAinvSp
ndH
invtotTTc
Qm
,,
,
,
estSestAp
ndC
esttotTTc
Qm
,,
,
,
• Impianto per il controllo congiunto di qualità dell’aria, umidità relativa e
temperatura
• Confronto tra la portata d’aria per il controllo di qualità dell’aria e umidità
relativa (mae) con la portata d’aria per il controllo della temperatura (mtot).
• mae ≥ mtot si avranno impianti a tutt’aria esterna
• mae < mtot si avranno impianti a tutt’aria con ricircolo, sebbene si possa ancora
scegliere di realizzare un impianto a tutt’aria esterna
• La portata d’aria per il controllo della temperatura
è stabilita in base alla condizione più gravosa
(quella con il carico termico maggiore)
• Sia mtot la maggiore tra mtot,inv e mtot,est
Impianti a tutt’aria esterna22
• mae > mtot
• la portata per il controllo della qualità dell’aria è sufficiente anche per il
controllo del carico termico
• l’impianto deve trattare la portata mae
pae
ndH
invAinvScm
QTT
,
,,
pae
ndC
estAestScm
QTT
,
,,
ae
v
invAinvSm
mxx
,,
ae
v
estAestSm
mxx
,,
• riflessioni sulla temperatura del punto di immissione nella stagione estiva
• Tutti i calcoli hanno considerato il valore massimo del carico estivo; tuttavia, potrà
accadere che nella stagione estiva ci siano momenti di carico inferiore e momenti di
carico anche nullo (si pensi ad una giornata piovosa o ad una notte di giugno).
estA
pae
estAestST
cmTT
,,,
0
Impianti a tutt’aria esterna23
Ainv
Einv
Eest
B
DAest
Sest,0
C
Sinv
Einv B SinvC C Sinv
Eest SestSestD
Sest
Eest Eest
En
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Temperatura [°C]
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25
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-10
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5
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15
20
25
25
30
35
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50
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65
70
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90
95
100
100%
90%
80%
70%
60%
50%
40%
30%
20%
10%
invEBaePRE
hhmQ,
CinvSaeinvPOST
hhmQ ,,
DinvEaeRAFF
hhmQ ,
DestSaeestPOST
hhmQ 0,,,
max
Impianti a tutt’aria con ricircolo24
• mae < mtot
• la portata per il controllo della qualità dell’aria è minore della portata per il
controllo del carico termico
• l’impianto deve trattare la portata mtot
• Possibilità di scegliere:
o prelevare per intero la portata mtot dall’ambiente esterno
o ricircolare una quota parte dell’aria ripresa dagli ambienti (mric=mtotmae).
• Nel primo caso, l’impianto è ancora a tutt’aria esterna e valgono tutte le
considerazioni esposte in precedenza, con la sola avvertenza di considerare mtot
in luogo di mae.
Impianti a tutt’aria con ricircolo25
mtot cp TA
QH,nd
mtot cp TS
mric
mric
mae
QC,nd
ptot
ndH
invAinvScm
QTT
,
,,
ptot
ndC
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QTT
,
,,
tot
v
invAinvSm
mxx
,,
tot
v
estAestSm
mxx
,,
estA
ptot
estAestST
cmTT
,,,
0
• Per il calcolo dell’umidità specifica vale quanto già visto
• Per il calcolo della temperatura vale quanto già visto considerando la portata mtot
Impianti a tutt’aria con ricircolo26
Ainv
Einv
Eest
B
DAestSest
C
Sinv
Mest
Minv
Sest,0
En
talp
ia s
pec
ific
a [
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Um
idit
à s
pecif
ica
[g
v/k
ga
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Temperatura [°C]
0
5
10
15
20
25
-10 -5 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55
-10
-50
5
510
15
20
25
25
30
35
40
40
45
50
50
60
65
70
75
80
85
90
95
100
100%
90%
80%
70%
60%
50%
40%
30%
20%
10%
invEBaePRE
hhmQ,
CinvSaeinvPOST
hhmQ ,,
DinvEaeRAFF
hhmQ ,
DestSaeestPOST
hhmQ 0,,,
max
tot
AricEae
Mm
xmxmx
tot
AricEae
Mm
hmhmh
Punto di miscela M
Risparmio
EinvMtotPRERISP
hhmQ ,,
estMEtotRAFFRISP
hhmQ,,
Impianti a tutt’aria27
xS,TS
xS,TS
xS,TS xS,TS
• Tutte le funzioni di controllo (T, UR, IAQ) affidate all’unità di trattamento aria
• Per ogni UTA si può stabilire un solo punto di immissione
• I valori di mv, mae o mtot, QH,nd e QC,nd da inserire per il calcolo sono i valori
totali di tutti gli ambienti serviti dalla stessa UTA
• Il controllo di T, UR, IAQ che si ottiene sarà pertanto da intendersi come medio,
riferito alla totalità degli ambienti serviti
• La ripartizione delle portate sarà effettuata in funzione dell’esigenza di
controllare la T (come di solito), oppure la IAQ oppure l’UR
• Possono esserci per qualche ambiente scostamenti anche importanti rispetto al
valore di progetto
• un impianto a tutt’aria può servire con efficacia soltanto un piccolo numero
di ambienti con caratteristiche omogenee
Impianti a tutt’aria multizona28
• Per superare le difficoltà descritte di controllo congiunto dei parametri
ambientali, gli impianti a tutt’aria possono essere del tipo multizona
• Si ha una prima parte di trattamenti in comune all’interno dell’UTA, mentre i
trattamenti di postriscaldamento sono specifici per l’ambiente (o per la zona)
e sono realizzati in prossimità dell’immissione dell’aria in ambiente
• Le batterie all’interno dell’UTA sono dimensionate per la portata di tutti gli
ambienti
• Le batterie di postriscaldamento locali sono dimensionate ognuna per la propria
portata, calcolata sulla base dei carichi termici dell’ambiente servito (o della
zona servita).
xS
xS,T1 xS,T2
xS
xS,T3
xSxS
Elementi di risparmio energetico29
Portata [m3/h]numero di ore annue di funzionamento
da 1400 a 2100 gradi giorno oltre 2100 gradi giorno2.000 4.000 2.7005.000 2.000 1.20010.000 1.600 1.00030.000 1.200 80060.000 1.000 700
• Al ricambio di aria sono associati importanti consumi energetici
• Se sono presenti sistemi di ventilazione meccanica controllata, è prescritto
(D.P.R. 412/93) l’impiego di apparecchiature per il recupero del calore se la
portata dell’aria di ricambio ed il numero di ore annue di funzionamento sono
superiori ai valori riportati in tabella
![Comfort termoigrometrico - UniFIweb.taed.unifi.it/fisica_tecnica/Sciurpi/3-comfortTI.pdfsk [W] = potenza termica dispersa per evaporazione attraverso la pelle f (grado igrometrico](https://img.pdfslide.net/doc/110x75/5e314d207164115b7207005b/comfort-termoigrometrico-sk-w-potenza-termica-dispersa-per-evaporazione-attraverso.jpg)
