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Impianti di climatizzazione: i principi di funzionamento

Riscaldare, raffrescare e condizionamento dell'aria: una panoramica sintetica ma efficace dei principi di funzionamento degli impianti di climatizzazione

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Un impianto che permette il controllo sia della temperatura, sia dell’umidità relativa ambiente, oltre a garantire una buona qualità dell’aria durante il corso di tutto l’anno è definito impianto di climatizzazione.
Deve garantire perciò:

  • 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.

Sistemi di umidificare e deumidificare l’aria ambiente

La variazione del valore dell’umidità relativa ambiente è influenzata dalla presenza di fonti di generazione di vapore (principalmente persone con la loro attività fisica), ma anche dall’immissione dell’aria esterna di rinnovo. Questa provoca, di per sé, un abbassamento del livello di umidità relativa ambiente nel periodo invernale e un suo innalzamento nel periodo estivo. La realizzazione di un impianto di ricambio dell’aria ambiente con l’immissione di aria esterna accentua, pertanto, la necessità di dover umidificare e deumidificare l’aria ambiente. Perciò si dovrebbe cercare di ridurre la quantità dell’aria esterna che deve essere immessa negli ambienti, adottando impianti di ventilazione di elevata efficienza. Ma l’umidificazione e la deumidificazione richiede purtroppo un elevato consumo energetico.
L’umidificazione dell’aria ambiente viene ottenuta principalmente con due modalità:

  • immissione di vapore acqueo nell’ambiente o nell’aria esterna di ventilazione;
  • umidificazione dell’aria esterna di ventilazione, facendo passare la stessa attraverso particolari setti, mantenuti umidi con acqua o spruzzando acqua nel flusso dell’aria di ventilazione.

La produzione diretta del vapore per l’umidificazione è ottenuta con produttori alimentati con energia elettrica che portano l’acqua alla temperatura di ebollizione e la conseguente produzione di vapore, oppure con produttori di vapore con generatori di calore alimentati da bruciatori di combustibile (gas-gasolio). La qualità dell’aria prodotta con questo primo sistema di umidificazione è ottima ed è da preferire per tutti gli ambienti con elevata esigenza di igienicità (ospedali o altre strutture sanitarie). Ma è anche un sistema con un elevato consumo energetico.
Anche il secondo sistema richiede un certo consumo energetico in quanto l’umidificazione con l’acqua provoca il raffreddamento adiabatico dell’aria con la conseguente necessità di dover riportare l’aria nuovamente al valore della temperatura ambiente adeguata. In più genera sicuramente una minore qualità di aria umidificata (pericolo di proliferazione di batteri e, soprattutto, la possibile diffusione di legionella) perciò questo sistema di umidificazione non deve essere adottato in strutture di tipo sanitario.
Anche il processo inverso di deumidificazione implica un elevato consumo energetico in quanto, generalmente, è ottenuta facendo passare l’aria in batteria alimentata con acqua a temperature sotto i 7 °C che provoca la condensazione sulla batteria e, di conseguenza, la deumidificazione dell’aria stessa. Questo può provocare un raffreddamento non voluto dell’ambiente, con la conseguenza di doverla riportare a temperatura ambiente consono che significa un aumento ulteriore del consumo di energia.
La richiesta del risparmio energetico degli ultimi anni ha fatto ampliare la fascia di accettabilità dell’umidità relativa ambiente dai valori usuali 40÷60% a valori di 30÷65%, sempre tuttavia nel rispetto, laddove sia necessario, di eventuali limiti previsti da normative sanitarie di carattere cogente.

Schema di funzionamento di un deumidificatore

Schema di funzionamento di un deumidificatore

Impianti di aria primaria

Perciò per la climatizzazione degli ambienti si può abbinare a uno degli impianti di riscaldamento o raffrescamento un impianto di aria primaria che garantisce il rinnovo dell’aria ambiente, oltre alla sua umidificazione e deumidificazione.
Sono costituiti da una unità di trattamento dell’aria esterna, una rete di canali e bocchette per la distribuzione nei diversi ambienti, una rete di canali e griglie per l’estrazione dell’aria viziata, oltre al relativo ventilatore di estrazione.
L’unità di trattamento dell’aria esterna è il “cuore” di questo tipo di impianto ed è costituita essenzialmente dai seguenti componenti:

  • un sistema di filtrazione dell’aria esterna a uno o due stadi di efficienza;
  • una batteria di preriscaldamento;
  • una batteria di raffreddamento e deumidificazione;
  • un sistema di umidificazione;
  • un ventilatore per la mandata dell’aria negli ambienti;
  • in alcuni casi un ulteriore sistema di filtrazione dell’aria, prima dell’immissione negli ambienti per le applicazioni sanitarie che richiedono un certo livello prestazionale.

L’unità di trattamento aria esterna comprende frequentemente anche il ventilatore per l’estrazione dell’aria viziata e il recuperatore di calore. Per migliorare ulteriormente le prestazioni energetiche di questi impianti, si stanno sempre più diffondendo i cosiddetti recuperatori di calore entalpici che, oltre a recuperare il livello di temperatura dell’aria espulsa, permettono, nel funzionamento invernale, il recupero del contenuto di umidità prodotto nell’aria espulsa o la capacità di deumidificazione della stessa nel funzionamento estivo.

Schema di funzionamento del recupero di calore entalpici

Schema di funzionamento del recupero di calore entalpici

I recuperatori di calore entalpici permettono di ridurre o limitare la necessità di un sistema di umidificazione, di ridurre la necessità di deumidificare con la batteria di raffreddamento e, molte volte, di eliminare la batteria di preriscaldo, tutto a vantaggio del risparmio energetico.
Gli impianti di trattamento e distribuzione di aria primaria esterna in abbinamento a impianti di riscaldamento e raffrescamento, realizzano degli “impianti di climatizzazione misti aria-acqua” e specificamente:

  • impianti ventilconvettori a due o quattro tubi e aria primaria;
  • impianti a pannelli radianti in solo riscaldamento o riscaldamento/raffrescamento e aria primaria;
  • impianti VRF e aria primaria;
  • impianti ad attivazione di massa e aria primaria.

Questi impianti permettono la climatizzazione estiva e invernale o solo invernale, ma anche solo di riscaldare o raffrescare a secondo le caratteristiche dell’impianto installato (ventilconvettori, pannelli radianti, VRF, attivazione di massa).
Ci sono anche impianti di climatizzazione a radiatori e aria primaria, i quali possono garantire solamente il riscaldamento invernale perché i radiatori non sono idonei al raffrescamento estivo. Un impianto progettato ad aria primaria con un’immissione negli ambienti di aria riscaldata e umidificata e di aria raffrescata e deumidificata, alla temperatura di 18÷21 °C nell’arco dell’anno, è in grado di produrre un certo raffrescamento degli ambienti senza, però, consentire un controllo rigoroso della temperatura ambiente indipendente per ciascun locale ed è idoneo per ambienti che necessitano un generico raffrescamento estivo.

Schema di un impianto di climatizzazione per un edificio di abitazioni

Schema di un impianto di climatizzazione per un edificio di abitazioni

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