Parte II: Modelli di calcolo
5.3 Impianto ad aria primaria – condizioni invernali
In condizioni invernali, le temperature e l’umidità esterna fanno si che non sia necessaria una deumidificazione, mentre risulta essenziale fornire potenza sensibile per mantenere la temperatura interna a 20 °C. Ciò, legato alla necessità di ricambio d’aria, suggerisce un funzionamento dell’impianto simile al periodo primaverile ma con alcune importanti differenze:
- In inverno, non è necessaria la batteria di raffreddamento e con essa la produzione di fluido freddo
- Per ottenere un certo benessere negli ambienti e mantenere l’umidità relativa al di sopra del 50% diventa necessario l’utilizzo di un vaporizzatore
- L’impianto solare termico che fornisce ACS in primavera ed estate, potrebbe non bastare a coprire il fabbisogno.
Segue dal primo punto che la pompa di calore (aria-acqua) funzioni in riscaldamento e che il condensatore provveda al riscaldamento della portata d’acqua necessaria ai pannelli radianti a pavimento e alla batteria di riscaldamento, mentre un desurriscaldatore, in conseguenza del terzo punto, provveda alla fornitura di Acqua Calda Sanitaria.
È stato modellato un vaporizzatore (non esistente) per rispondere alle esigenze espresse nel secondo punto.
Di seguito verranno descritte le principali differenze rispetto al caso precedente; per tutto il resto, si rimanda alla sezione descrittiva dell’impianto ad “Aria Primaria” funzionante in primavera.
Unità di trattamento aria
Come in precedenza, anche qui si assume che l’umidità relativa interna sia mantenuta al 50% mentre la temperatura di estrazione sia una media pesata sui volumi delle temperature ottenute dalla simulazione dinamica. Come in primavera, anche qui decade la funzionalità della batteria di recupero sul ritorno che quindi risulta mai funzionante.
Il recuperatore rotativo continua nella sua funzione di recupero in temperatura e umidità: si assume che l’efficienza in recupero sull’umidità specifica dell’aria uscente sia del 75%. Continua ad avere un’efficienza dell’80% il recupero sulla temperatura.
La batteria di raffreddamento risulta sempre spenta in funzione dell’obiettivo di umidificare l’aria immessa considerata la bassa umidità specifica dell’aria esterna.
La batteria di riscaldamento effettua come in precedenza un riscaldamento sensibile della portata d’aria che l’attraversa; il suo funzionamento, come la sua regolazione non variano rispetto al caso precedente.
Come accennato prima, l’umidità specifica piuttosto bassa dell’aria esterna richiede un’umidificazione e quindi l’utilizzo di un vaporizzatore. Per evitare di immettere vapore in aria a temperatura troppo bassa ed evitarne la condensazione, è buona pratica porlo a valle della batteria di post-riscaldamento. È stato scelto un sistema di umidificazione ad ugelli che miscelano all’aria entrante in sezione una determinata quantità di vapore a 110 °C tramite una lancia di diffusione di vapore (che può essere generato tramite elettrodi immersi o un bruciatore a gas): il sensore di umidità posto all’ingresso, dialogando con la centralina, regola la quantità esatta di vapore da immettere in aria secondo la seguente relazione:
Rì&V =
∆8
1000∙ R&P;
portando così l’umidità specifica alle condizioni volute. Ne consegue un certo innalzamento di temperatura ottenibile dal seguente bilancio energetico:
!&P;,m"j = !&P;,P<q ∙ R&P; + !ì&V∙ Rì&V R&P;+ Rì&V
La sezione di preriscaldamento tiene conto dell’innalzamento di temperatura, seppur impercettibile.
È possibile calcolare la potenza ideale necessaria al vaporizzatore moltiplicando la portata per il calore latente di vaporizzazione dell’acqua (r=2501 kJ/kg). La potenza effettiva varia a seconda del rendimento di generazione.
Pompa di calore
Come detto in precedenza, la pompa di calore funziona in riscaldamento: si mantiene la temperatura di condensazione a 39 °C e, tramite il calcolo della potenza sensibile richiesta in riscaldamento si ottiene la portata d’acqua necessaria ai pannelli radianti (si suppone un ∆!= 5 K). Sommata alla portata necessaria alla batteria di post-riscaldamento, si ottiene la portata d’acqua totale che bisogna fornire all’impianto (T=35 °C). Tramite il metodo dell’efficienza, come visto in precedenza, si calcola la potenza effettivamente scambiata al condensatore e quindi la portata di R410A necessaria, ipotizzando note le entalpie di liquido saturo e vapor saturo alla temperatura di condensazione. Si procede al calcolo del coefficiente di prestazione.
.òC = \9WW
CjQ'V
Si ipotizza che la radiazione solare in inverno sia insufficiente a che l’impianto solare termico possa fornire l’acqua calda necessaria e perciò si utilizza un desurriscaldatore a valle del compressore, per recuperare una certa di quantità di calore e fornire ACS. Si procede al calcolo dell’acqua calda sanitaria necessaria: nella scuola ci sono 12 bagni per un totale di 48 lavabi, 48 bidet ai quali si aggiungono 8 docce presenti nei 2 spogliatoi. Si assume:
Q [l/s] Qtot [l/s] Lavabi 0,1 4,8
Bidet 0,1 4,8
Docce 0,15 1,2
10,8
Considerando un fattore di contemporaneità F=0,7 si calcola la portata di progetto a partire da quella nominale appena ottenuta:
0V;Qq9::Q = 0,7 ∙ 0<Q'D,G
ottenendo una portata di progetto di 2,3 l/s. Considerando un tempo medio di utilizzo dei sanitari di 60 secondi, si ottengono i litri di acqua calda sanitaria necessari per ogni timestep. Ipotizzando per la pompa di calore le stesse condizioni di funzionamento adottate in precedenza e per lo scambiatore un rendimento del 90%, ottengo le potenze scambiate. Se si assume che in inverno l’acqua di adduzione abbia una temperatura di 10 °C e che la si voglia riscaldare fino a 45 °C, si ottiene di conseguenza la portata d’acqua riscaldata per ogni intervallo di tempo:
RSôö = Cõö
ZV,&jk∙ 45 − 10
Un serbatoio di accumulo da 300 litri provvederà ad accumulare l’acqua così prodotta e a fornirla all’impianto idrico sanitario quando necessario. Un sensore di livello provvederà a comandare alla caldaia di back up, la produzione di acqua da integrare nel serbatoio, qualora il livello scendesse troppo.