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Impianti di Climatizzazione eImpianti di Climatizzazione e Condizionamento

CENTRALI TECNOLOGICHE

1Corso di Impianti Tecnici per l'edilizia - E. Moretti

COMPONENTI DI UN IMPIANTO DI CONDIZIONAMENTO

Impianti a tutt’aria:

1. terminali di immissione dell’aria;2. rete di distribuzione ed eventualmente di ripresa dell’aria;3. condizionatore (o UTA) per trattare la portata d’aria di progetto;4. centrale termica e frigorifera.

Impianti misti aria-acqua:

1. terminali di immissione dell’aria;2 rete di distribuzione dell’aria;2. rete di distribuzione dell’aria;3. condizionatore (o UTA) per il trattamento dell’aria primaria;4 t l t i f i if4. centrale termica e frigorifera.5. elemento terminale (ventilconvettore, induttore o pannello radiante);6. rete di distribuzione dell’acqua;


GENERALITA’

Le centrali tecnologiche ospitano le apparecchiature necessarie allag p pp

produzione dei fluidi che alimentano l’impianto di condizionamento. I

fluidi trattati come visto sono aria e acquafluidi trattati, come visto, sono aria e acqua.

L’acqua calda e refrigerata sono impiegate, oltre che nei circuiti di

alimentazione delle batterie di scambio termico presenti nell’UTA anchealimentazione delle batterie di scambio termico presenti nell UTA, anche

nel circuito di alimentazione degli elementi terminali negli impianti misti.

Macchina frigorifera Caldaia

Acqua refrigerata Acqua caldaAcqua refrigerata Acqua calda


UTA

L ibilità è l tt i ti iù id t d ll UTA t t il lLa componibilità è la caratteristica più evidente delle UTA, pertanto il loroprogetto si riduce alla scelta ed al dimensionamento delle singole sezioni.

La batteria di pre-riscaldamento e l’umidificatore adiabatico sonoutilizzati soltanto in inverno, la batteria fredda soltanto in estate mentrequella di post-riscaldamento sia in inverno che in estate.


UTA

Rispetto allo schema più generale (nel quale sono presenti tre batterie e un

umidificatore), che consente di fruire dell’impianto di climatizzazione durante

ftutte le stagioni dell’anno, le UTA possono presentare schemi semplificati, in

funzione del tipo di impiego:p p g

- sola batteria calda (o di pre-riscaldamento) limitatamente ad impieghi di

termoventilazione invernale;

batteria calda fredda ed umidificatore adiabatico per termoventilazione- batteria calda, fredda ed umidificatore adiabatico per termoventilazione

invernale e condizionamento estivo;

- sola batteria fredda limitatamente alla climatizzazione estiva.


Dimensionamento degli elementi principali

La batteria di pre-riscaldamento (BC1) opera la trasformazione di pre-riscaldamento a umidità specifica costante dal punto E al punto P.La potenzialità della batteria di pre-riscaldamento è data dalla seguenterelazione, nel caso in cui non venga effettuato ricircolo dell’aria interna:

( ) 3600/hhGQ (kW)( ) 3600/hhGQ EP1BC −⋅ρ⋅= (kW)

dove:dove:QBC1 = potenzialità batteria di pre-riscaldamento (kW);G = portata d’aria da trattare (m3/h);G = portata d aria da trattare (m /h);ρ = densità dell’aria (kg/m3);h = entalpia dell’aria nel punto P (kJ/kg);hP = entalpia dell aria nel punto P (kJ/kg);hE = entalpia dell’aria nel punto E (kJ/kg).


Impianti a tutt’aria

CASO INVERNALE Miscela effettuata prima dell’ingresso nel condizionatore

hI - hRI



Quando viene effettuato il ricircolo dell’aria interna, il punto di introduzionedell’aria all’unità di trattamento coincide con il punto di miscela M. Inpquesto caso, la relazione che consente di determinare la potenzialità dellabatteria di pre-riscaldamento risulta la seguente:p g

( )( ) 3600/hhGQ M'P1BC −⋅ρ⋅= (kW)

dove:

QBC1 = potenzialità batteria di pre-riscaldamento (kW);

G = portata d’aria da trattare (m3/h);

ρ = densità dell’aria (kg/m3);ρ ( g )

hP’ = entalpia dell’aria nel punto P’ (kJ/kg);

h = entalpia dell’aria nel punto M (kJ/kg)hM = entalpia dell aria nel punto M (kJ/kg).



La batteria fredda (BF) effettua il raffreddamento a umidità specifica

costante da E a RE e il raffreddamento con deumidicazione da RE a RI. La

sua potenzialità è data dalla seguente relazione, nel caso in cui non venga

ricircolata l’aria interna:

( ) 3600/hhGQ RIEBF −⋅ρ⋅= (kW)

dove:

QBF = potenzialità batteria fredda (kW);

G = portata d’aria da trattare (m3/h);

ρ = densità dell’aria (kg/m3);ρ densità dell aria (kg/m );

hE = entalpia dell’aria nel punto E (kJ/kg);

h = entalpia dell’aria nel punto RI (kJ/kg)hRI = entalpia dell aria nel punto RI (kJ/kg).


Impianti a tutt’aria

CASO ESTIVO



I valori di hE e hRE possono essere determinati mediante il diagramma

pscicrometrico.

Anche in questo caso, quando viene effettuato il ricircolo, il punto di

introduzione dell’aria nell’UTA coincide con il punto di miscela Mintroduzione dell aria nell UTA coincide con il punto di miscela M.

La relazione da usare per la determinazione della potenzialità della

batteria fredda è la seguente:

( ) 3600/hhGQ (kW)( ) 3600/hhGQ RIM1BF −⋅ρ⋅= (kW) dove:Q t i lità b tt i f dd (kW)QBF1 = potenzialità batteria fredda (kW);G = portata d’aria da trattare (m3/h);ρ = densità dell’aria (kg/m3);ρ = densità dell aria (kg/m3);hM = entalpia dell’aria nel punto M (kJ/kg);h = entalpia dell’aria nel punto RI (kJ/kg)hRI = entalpia dell aria nel punto RI (kJ/kg).



La potenzialità della batteria di post-riscaldamento (BC2) deve essere

calcolata nel caso estivo e in quello invernale; quale dato di progettocalcolata nel caso estivo e in quello invernale; quale dato di progetto

si assume il valore massimo dei due. La relazione che ne consente il

calcolo è la seguente:

( ) 3600/hhGQ RII2BC −⋅ρ⋅= (kW)( ) 3600/hhGQ RII2BC ρ (kW) dove:QBC2 = potenzialità batteria di post-riscaldamento (kW);QBC2 potenzialità batteria di post riscaldamento (kW);G = portata d’aria da trattare (m3/h);ρ = densità dell’aria (kg/m3);ρ ( g );hI = entalpia dell’aria nel punto di introduzione I (kJ/kg);hRI = entalpia dell’aria nel punto RI (caso estivo ed invernale) (kJ/kg).hRI entalpia dell aria nel punto RI (caso estivo ed invernale) (kJ/kg).

N l t l t i lità i hi t d ll b tt i il t i ld t iNormalmente la potenzialità richiesta dalla batteria per il post-riscaldamento in condizioni invernali è in generale maggiore rispetto al caso estivo.



P di i l’ idifi di b i bi d i lPer dimensionare l’umidificatore adiabatico bisogna determinare la portatad’acqua da somministrare all’aria in condizioni invernali (trattamento P-RI)

ti il i i t di d t t t i t iper garantire il raggiungimento di un adeguato contenuto igrometrico.Questa si determina mediante la seguente relazione:

( ) 1000/XXGG PRIW −⋅ρ⋅= (kg/h)

dove:Gw = portata d’acqua (kg/h);G = portata d’aria di progetto (m3/h);p p g ( );ρ = densità dell’acqua (kg/m3);XRI = umidità specifica dell’aria nel punto RI (g/kg);XRI umidità specifica dell aria nel punto RI (g/kg);XP = umidità specifica dell’aria nel punto P (g/kg).



Per dimensionare il ventilatore di mandata occorre definire i valori della

portata d’aria e della prevalenzaportata d aria e della prevalenza.

La portata d’aria è pari alla portata totale, determinata in fase di progetto.

L l d l til t d t l d ti di i lLa prevalenza del ventilatore, deve essere tale da consentire di vincere le

perdite di carico totali del circuito aeraulico (per il circuito più sfavorito) e

sono espresse dalla relazione già vista in precedenza:

PPPPP Δ+Δ+Δ+Δ=Δ (Pa)UTAdiffcd PPPPP Δ+Δ+Δ+Δ=Δ (Pa)

Al valore di ∆P ai fini della definizione della prevalenza del ventilatore siAl valore di ∆P, ai fini della definizione della prevalenza del ventilatore, si

applica in genere un fattore di sicurezza dell’ordine di 1.5.

G èNote G e ∆P, è possibile determinare la potenza del ventilatore di mandata :

PG ⎞⎛ Δ 3600/PGWV ⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛ηΔ⋅

= (W)


Generatori di calore: tipologie e caratteristiche costruttive

Dispositivi che realizzano la conversione dell’energia naturalmentedisponibile in termini di fonte primaria (combustibili, radiazione solare,

) ’ecc.), in energia termica con caratteristiche adeguate all’impiego che sene deve fare (acqua calda, acqua surriscaldata, vapore).

In ambito impiantistico, i generatori di calore sono indicati con il nome dicaldaie, intendendo il complesso formato dal corpo caldaia vero e proprio,dal bruciatore, da uno scambiatore di calore e da altri elementi accessori.All’interno viene generata energia termica, per mezzo della reazione delcombustibile con il comburente (aria); l’energia termica prodotta è cedutaad un fluido termovettore che scorre all’interno di uno scambiatore.

Le caldaie possono essere classificate in base a:

- tipologia costruttiva e materiali;

- tipo di combustibile;p ;

- fluido termovettore.15Corso di Impianti Tecnici per l'edilizia - E. Moretti


Una prima distinzione è effettuata in base al posizionamento delbruciatore, che può essere interno o esterno.

Si possono inoltre distinguere caldaie a tubi di fumo e caldaie a tubid’acqua, le quali, a loro volta, possono essere realizzate in acciaio, inghisa, in rame. Caldaia a tubi di fumo

S tit it d i it d’Sono costituite da un corpo riempito d’acqua; l’acqua lambisce un fascio tubiero all’interno del quale, per effetto del tiraggio della canna fumaria, scorrono i fumi della combustione.

Ghisa:più resistenti alla corrosione dovuta ai fumi acidi ed alla loro condensazione;manutenzione relativamente semplice ma sono più costose e pesanti.Acciaio: sono del tipo monoblocco, quindi hanno limitati problemi di tenutalimitati problemi di tenuta,

Potenze:100÷1000 kW 16Corso di Impianti Tecnici per l'edilizia - E. Moretti


Le caldaie a tubi d’acqua sono disponibili nel campo di potenze medio alte(>1 MW); sono costituite da uno o due collettori da cui si dipartono i tubid’acqua in modo da delimitare la zona all’interno della quale avviene lad acqua, in modo da delimitare la zona all interno della quale avviene lacombustione

Il coefficiente di scambio termico èmaggiore rispetto alle caldaie a tubi difumo ma sono maggiori anche i costi difumo, ma sono maggiori anche i costi diacquisto così come le perdite di carico.

Esistono caldaie con scambiatore in rame chepermette di realizzare scambiatori di formamolto complessa così che si possono otteneremolto complessa, così che si possono otteneregrandi superfici di scambio in poco spazio.Inoltre, se i prodotti della combustione sonoprivi di zolfo, il rame resiste alle condenseacide; è in genere impiegato nella costruzionedi piccole caldaie per il riscaldamentodi piccole caldaie per il riscaldamentoautonomo a gas naturale (8÷30 kW).



In base alla tipologia del sistema di evacuazione dei prodotti dellacombustione, le caldaie possono essere:•a tiraggio naturale, in cui i fumi sono espulsi per convezione naturale;• a tiraggio forzato, in cui i fumi sono espulsi da un ventilatore.

Relativamente al combustibile impiegato, inoltre, si distinguono caldaie:• a biomasse;• a gasolio;• ad olio combustibile;• a gas naturale (metano);• a gas naturale (metano);• a gas di petrolio liquefatto (GPL);• di tipo misto.

−In base al fluido termovettore impiegato, si distinguono:

−ad acqua;− ad olio diatermico− ad olio diatermico.


Generatori di calore:dimensionamento

Nota la potenza termica massima che la caldaia deve cedere alle utenze, peril suo dimensionamento bisogna tener conto delle perdite di calore lungo il

di di t ib i d l fl id t ttpercorso di distribuzione del fluido termovettore.

Il rendimento di combustione ηc è il rapporto tra la quantità di calored tt l Q il t l ifi PC d l b tibilprodotta nel processo Q e il potere calorifico PC del combustibile:

PCQ

c =ηPC

In condizioni di funzionamento a regime indicando con Qc la quantità massimadi calore generato dalla combustione e tenendo conto del calore perso alcamino Qd (calore sensibile dei fumi e dei possibili incombusti), si definiscerendimento istantaneo al focolare ηiF il seguente:

QPCIQF

iF =ηdcF QQQ −= con QF è il calore reso al focolare

Iil calore reso al fluido vettore (per esempio all'acqua) ottenibile dal calore resoIil calore reso al fluido vettore (per esempio all acqua), ottenibile dal calore resoal focolare meno le dispersioni termiche proprie della caldaia Qs; ciò porta alladefinizione di un più interessante rendimento istantaneo al fluido ηif, dato da:p ηif

PCIQf

if =η sFf QQQ −=19Corso di Impianti Tecnici per l'edilizia - E. Moretti


Il rendimento istantaneo al fluido ηif fornisce utili indicazioni solo nel caso incui la caldaia abbia funzionamento stabile nel tempo alla sua massimapotenzialità mentre, come sovente accade, sono frequenti cicli d’accensionee spegnimento che portano ad una forte diminuzione del rendimento,perché si hanno ulteriori perdite di calore legate ai transitori e alledispersioni esterne della caldaia.Il rendimento a carico ridotto ηr (intendendo per carico ridotto quellocorrispondente al 20% del carico nominale), per avere indicazioni orientativeanche sul funzionamento intermittenteanche sul funzionamento intermittente.

Indicando con QA il calore prodotto aregime e con Q il calore perduto perregime e con Qi il calore perduto perfenomeni di intermittenza, il rendimento acarico ridotto è dato da:

PCIQr

r =ηiAr QQQ −=



La potenzialità deve essere calcolata considerando che, dal progettodell’impianto, risultano note le potenze termiche che devono essere forniteal fluido termovettore. Pertanto la potenza termica QfC richiesta dal fluidocaldo sarà pari a:

2BC1BCfC QQQ += impianti a tutt’aria

impianti misti:vi2BC1BCfC QQQQ ++=

La potenzialità QC della caldaia sarà quindi determinata tenendo conto delledit i t ( di t di b ti di t i t tperdite sopra menzionate (rendimento di combustione, rendimento istantaneo

al focolare ηiF , rendimento istantaneo al fluido ηif) :

ifiF

fCC

QQη⋅η⋅η

= (kW) ifiFc ηηη


Macchine frigorifere: tipologie e caratteristiche costruttive

T i di i i t i dibiti ll d i d l f dd i i d lTra i diversi sistemi adibiti alla produzione del freddo, si ricordano lemacchine frigorifere a compressione di vapore saturo e quelle adassorbimento.assorbimento.

Pur con diverse tipologie costruttive, i componenti di cui è costituita unamacchina frigorifera a compressione sono:macchina frigorifera a compressione sono:−- compressore e relativi motori elettrici ed organi di potenza;−- condensatore;−- evaporatore;−- organi di laminazione.

A seconda del sistema meccanico impiegato per effettuare laA seconda del sistema meccanico impiegato per effettuare lacompressione, i compressori possono essere:−- a spostamento positivo;−- dinamici.

Nel condensatore il fluido termodinamico si desurriscalda e quindi condensa,viene ceduto calore ad un fluido ausiliario esterno che può essere acqua (torreevaporativa) o direttamente aria atmosferica. Si parla pertanto di:

refrigeratori raffreddati ad acqua;- refrigeratori raffreddati ad acqua;- refrigeratori raffreddati ad aria.



L’evaporatore è il componente del gruppo refrigerante in cui avviene lafase utile del ciclo Le tipologie principali sono due:fase utile del ciclo. Le tipologie principali sono due:−- evaporatori a fascio tubiero;

evaporatori ad espansione diretta−- evaporatori ad espansione diretta.

Attualmente il mercato offre diverse tipologie di gruppi refrigeratoripreassemblati, che impiegano acqua come fluido di lavoro, con

t i lità t hi kW fi i li i di kWpotenzialità comprese tra pochi kW fino a migliaia di kW.

In virtù delle stringenti normative finalizzate alla diminuzione dei gasIn virtù delle stringenti normative finalizzate alla diminuzione dei gasserra, il fluido refrigerante più comunemente impiegato è ilTetrafluoroetano, conosciuto come R134a, naturale sostituto dell’R12, cheTetrafluoroetano, conosciuto come R134a, naturale sostituto dell R12, cheè stato soppresso poiché presentava notevoli problematiche come gas adeffetto serra e ad elevato potenziale di distruzione dello strato di ozonopatmosferico.



Le macchine frigorifere ad assorbimento impiegano come fluidi dilavoro soluzioni liquide sature; esistono numerose coppie di refrigerante-assorbente, ma a livello commerciale le più diffuse sono Acqua-Bromuro diLitio nel campo della climatizzazione e Ammoniaca-Acqua nel campodella refrigerazione industrialedella refrigerazione industriale.

La macchina è costituita da quattro scambiatori di calore:- generatore;- condensatore;- evaporatore e assorbitore,

recuperatore di calore della soluzione- recuperatore di calore della soluzione.

Le macchine ad assorbimento attualmente reperibili sul mercato si distinguonoLe macchine ad assorbimento attualmente reperibili sul mercato si distinguonoulteriormente in base alle temperature necessarie allo sviluppo dei processiinterni alla macchina stessa.Nel caso in cui si adottino processi di combustione standard (impiegandocombustibili quali gas, gasolio, biomasse), le potenzialità vanno da un minimodi 10 kW fi d i di l d i di MWdi 10 kW fino ad un massimo di alcune decine di MW.



La collocazione della centrale frigorifera è subordinata alla destinazioned’uso del sistema edificio-impianto e deve sottostare a vincoli di caratteret tt l l b i ti istrutturale, e nel caso, urbanistici.

−- esterna, in fabbricato dedicato e separato dall’edificio utente;t l t d ll’ difi i t t−- esterna, sopra la copertura dell’edificio utente;

−- interna, nella parte bassa dell’edificio utente.

Collocazione Requisiti edificio Vantaggi Svantaggi

Esternai difi i

Utenza frazionata su più difi i Manutenzione facilitata

Disponibilità area esternaEstensione retiin edificio

dedicatoedifici

Potenza elevata (>2 MW) Rumorosità ridotta Impegno energetico per il pompaggio

Verifica statica del solaio Risparmio di aree utili Manutenzione problematicaEsterna sopra

copertura

Assorbimento delle vibrazioni

Potenza contenuta (<0.7 MW)

pAdiacenza dell’utenza alla centraleNon serve ulteriore spazio per le torri evaporative

Manutenzione problematicaPossibili fumane dalle torri evaporativeRumorositàMW) per le torri evaporative

Interna parte b difi i

Verifica statica del solaioAssorbimento delle

ib i i

Manutenzione facilitata se l’accesso è indipendenteAdi d ll’ t ll

Disponibilità spazio internoManutenzione problematica se l’ è i di d tbassa edificio vibrazioni

Potenza media (<1.5 MW)Adiacenza dell’utenza alla centrale

l’accesso non è indipendenteRumorosità


Macchine frigorifere:dimensionamento

Tenere in conto costi di installazione, esercizio, manutenzione, dimensioni esicurezza di funzionamento.Generalmente, per impianti medio-piccoli, la scelta ricade su un’unicamacchina; nel caso di impianti che richiedono potenzialità medio-alte èconsigliabile optare per più gruppi refrigeranticonsigliabile optare per più gruppi refrigeranti.

Impianti a tutt’aria: BFF QQ = (kW) BFF ( )

QF = potenza termica resa al fluido intermediario adibito al trasporto del freddo

Impianto misto, la potenzialità è fornita da: veBFF QQQ += (kW)

QBF e Qve potenze richieste dalla batteria fredda dell’UTA e dal circuito deiventilconvettori in funzionamento estivo


Cenni sulla regolazione degli impianti

Per gran parte del tempo, l’impianto funziona a carico ridotto e il sistema diregolazione deve provvedere a ridurne la potenzialità per mantenereregolazione deve provvedere a ridurne la potenzialità, per mantenerecostanti le condizioni di comfort.

Il sistema di regolazione della temperatura e del contenuto igrometricodell’aria inviata nell’ambiente deve essere capace di adeguare lep gprestazioni dell’unità di trattamento aria alle esigenze derivanti dallavariabilità delle condizioni esterne e dei carichi interni.variabilità delle condizioni esterne e dei carichi interni.

I sistemi di regolazione sono molteplici e possono essere differenziati aI sistemi di regolazione sono molteplici e possono essere differenziati aseconda della tipologia di impianto


Cenni sulla regolazione degli impianti

Impianti a tutt’aria a portata costante

Regolazione a punto fissoRegolazione a tutto o niente del gruppo frigoriferoControllo proporzionale della potenza frigorifera fornita alla batteria di raffreddamento

Impianti a tutt’aria a portata variabilei f if i t i i t i l d tt i i l l i è ff tt tsi fa riferimento a un impianto a singolo condotto, in cui la regolazione è effettuata

per mezzo di termostati di zona che controllano la serranda della rispettivacassetta al fine di variare la portata d’aria immessa in ambiente secondol’andamento del carico termico. La regolazione dell’umidità relativa non vieneeffettuata in modo diretto, ma indirettamente nella centrale

Impianti misti (a ventilconvettori)

Regolazione sull’acqua – velocità del ventilatore costanteRegolazione sull’aria secondaria – portata d’acqua costante attraverso la batteriaRegolazione combinata aria – acqua


Impianto a tutt’aria monocondotto
