CAPITOLO 1 SISTEMI DI CLIMATIZZAZIONE DI EDIFICI

CAPITOLO 1

SISTEMI DI CLIMATIZZAZIONE DI EDIFICI

I sistemi per la climatizzazione di edifici comprendono tutti quegli impianti che garantiscono il condizionamento estivo, il riscaldamento invernale e la produzione di acqua calda sanitaria (ACS). In seguito faremo riferimento ai principali sistemi di climatizzazione attualmente adottati negli ambienti civili.

1.1 Impianti di riscaldamento

I principali componenti di un impianto di riscaldamento sono:

• Generatore di calore: in genere è una caldaia, alimentata da un combustibile liquido o gassoso, e provvista di carenna per la fuoriuscita dei fumi. Altri generatori di calore sono i sistemi a collettori solari termici, le pompe di calore. In caso di

teleriscaldamento il generatore è collocato in un'apposita struttura nel quartiere/paese ed all'interno di ogni edificio/casa da riscaldare è presente solo uno scambiatore di calore.

• Rete di distribuzione: è costituita dalle tubazioni che distribuiscono il calore nell'abitazione attraverso la circolazione di acqua calda nell'impianto. Le tubazioni vengono inserite nelle pareti o nei pavimenti e possono essere in plastica o in rame coibentato; è importante che siano ben isolate termicamente per non disperdere il calore e per evitare che possano ghiacciare.

• Terminali di impianti: in genere termosifoni, riscaldano gli ambienti rilasciando il calore fornito dall'acqua che circola al loro interno. Altri terminali sono

• Sistema di regolazione: è il dispositivo in grado di controllare il funzionamento dell'impianto in seguito a variazioni di temperatura interna o esterna all'ambiente.In alcuni impianti è presente anche una sonda che regola il funzionamento della caldaia anche in base alla temperatura esterna.

Vediamo adesso nello specifico il principio di funzionamento del generatore di calore più diffuso e cioè la caldaia, e più precisamente quella a condensazione che è quella con il rendimento più alto.

1.1.1 Caldaia a condensazione

Nel nostro caso condensazione significa sfruttare il calore contenuto nel vapore acqueo dell'aria calda dei fumi per trasformarlo in energia termica, ricavandone acqua e energia. Un tipico fenomeno di condensazione è quello che si verifica in estate quando si tira fuori una bottiglia di acqua fredda dal frigo. L'aria calda e umida dell'ambiente circostante si condensa tutto intorno alla bottiglia fredda.

Alla base del principio di condensazione c'è il calore latente del vapore. Il calore latente è la quantità di calore (o di energia) che occorre fornire o sottrarre all'unità di massa di una certa sostanza (acqua per esempio) per farla cambiare di stato fisico. In questo passaggio di stato, la sottrazione o la fornitura di calore avvengono a temperatura costante, cioè senza cambiamento della temperatura della sostanza. Ad esempio l'acqua a 100 °C, alla pressione del livello del mare, inizia a bollire e a quella temperatura avviene il passaggio di stato da liquido a vapore che si mantiene fino a quando tutta l'acqua è evaporata. La quantità minima di calore o energia necessaria per fare evaporare una unità di massa di acqua prende il nome di calore di evaporazione, una forma particolare di calore latente. La temperatura di ebollizione dell'acqua dipende dalla pressione atmosferica.

Nel caso di evaporazione occorre fornire calore e quindi fornire energia. Nel caso inverso di condensazione, dove avviene il passaggio da vapore ad acqua, l'energia non la si fornisce, ma la si riceve.

Infatti, nel passaggio inverso da vapore ad acqua si parla di calore di liquefazione che è la quantità di calore o energia che viene sottratto all'unita di massa di un vapore saturo ad una data temperatura, per trasformarlo in liquido alla stessa temperatura. Il calore di liquefazione in valore assoluto uguaglia il calore di evaporazione. Quindi con la liquefazione il calore del vapore viene ceduto e restituito al sistema.

Perché avvenga la condensazione del vapore occorre che esso si trovi ad una determinata temperatura ad una determinata pressione. Più la pressione è alta, più alta sarà la temperatura necessaria per condensare il gas.Le combinazioni di temperatura e di pressione necessarie per condensare il vapore contenuto nell'aria prendono il nome di punto di rugiada.

Il punto di rugiada è quindi la temperatura alla quale il vapore acqueo raggiunge il punto di saturazione, per cui si condensa intorno a delle particelle presenti nell'aria ad una certa pressione costante, cedendo il suo calore.

Le caldaie a condensazione sfruttano questi principi fisici. Sfruttano il calore latente del vapore contenuto nei fumi, recuperando quindi una percentuale di energia che viene

riutilizzata, impedendo la sua dispersione nei fumi e quindi nell'ambiente. Di seguito vedremo un confronto fra una caldaia tradizionale (fig 1a) e una a condensazione (fig.1b)

Fig.1b Rendimento utile di una caldaia a condensazione

Per condensare il vapore dei fumi, circa 1,6 kg per m3 di gas, le caldaie a condensazione sfruttano la temperatura dell'acqua di ritorno dall'impianto termico, più fredda rispetto alla temperatura dell'acqua di mandata. I fumi vengono fatti passare in uno speciale scambiatore - condensatore che permette di sottrarre, tramite condensazione, il calore latente del vapore acqueo. In questo modo la temperatura dei fumi in uscita si mantiene allo stesso valore della temperatura di mandata, circa 40 °C ben inferiore ai 140/160 °C dei generatori tradizionali ad alto rendimento.

Inoltre l'acqua fredda di ritorno dall'impianto termico viene spinta all'interno dello

scambiatore di calore nel punto più "freddo" e distante dalla fonte di calore, al fine di sottrarre calore dai fumi e farli condensare in acqua.

I fumi di una caldaia a condensazione hanno quindi bassa temperatura, scarsa presenza di vapore (in buona parte condensato lungo il percorso d'uscita) e temperatura prossima al punto di rugiada (quindi con possibile presenza di condensato anche nel sistema d'evacuazione dei fumi). Tali condizioni portano ad avere un fumo pesante e di non facile smaltimento

all'atmosfera; basti pensare che il fumo di una caldaia tradizionale ad una temperatura intorno a 150°C ha una densità di 0,7÷0,8 kg/m3, mentre quello di una caldaia a condensazione ha una densità di 1,0÷1,15 kg/m3. Per tale motivo le caldaie a condensazione devono avere lo smaltimento con ventilatore (cioè forzato), come prescrive la Norma Uni En 677:2000.

1.2 Collettori solari

I collettori solari conosciuti più comunemente col nome di pannelli solari non sono altro che dei sistemi in grado di trasformare l' energia del sole in energia termica per il riscaldamento dell' acqua calda sanitaria.

1.2.1 Struttura dei collettori solari

L' impianto solare termico è costituito dai collettori solari e da un serbatoio per l' accumulo. Il collettore è costituito da pannelli di rame che sono preposti all' assorbimento del calore del sole. Tali lamiere sono ricoperte da uno strato di colore nero che permette di assorbire meglio il calore.

Possono esistere due generi di collettori solari. Quello a circolazione naturale e quello a circolazione forzata. Nell' impianto solare a circolazione naturale la circolazione del fluido avviene grazie alla differenza di densità tra il termovettore (fluido) caldo ed il serbatoio freddo. Nell' impianto a circolazione forzata il fluido viene spinto da una pompa di circolazione.

Principalmente troviamo i collettori piani e collettori a tubo sottovuoto. Il nucleo del collettore piano è il cosiddetto assorbitore. L' assorbitore è costituito da lamiere e tubi in metallo. L' assorbitore è sovrastato da un pannello vetrato che serve anche da protezione.

L' altro tipo di collettore è quello sottovuoto. In questo tipo di pannelli le lamiere per assorbire il calore vengono inserite all' interno di tubi dove viene creato il sotto vuoto. In questo modo le perdite di calore e di energia sono minori.

Oltre a questo genere di collettori troviamo quelli "scoperti". Costituiti da tubi neri in plastica. Questi vengono utilizzati per lo più per il riscaldamento dell' acqua nelle piscine.

1.2.2 La giusta esposizione per installarli

Il tetto che presenta le migliori caratteristiche per l' installazione dei pannelli solari è quello che ha un' esposizione verso sud/est, sud/ovest e con una inclinazione variabile dai 15° ai 60°. Anche con altre esposizioni più svantaggiose (est o ovest) si riesce ugualmente ad avere buoni risultati ampliando però la superficie del pannello solare.

Il momento migliore per l' installazione di un impianto solare a pannelli è sempre al momento della costruzione del fabbricato in quanto i costi per la sua realizzazione sono minori di quelli effettuati dopo l' ultimazione del fabbricato.

Il funzionamento e quindi il massimo utilizzo e sfruttamento di un impianto solare

logicamente si ha nei periodi più soleggiati. Le regioni più avvantaggiate dunque sono quelle centrali e meridionali che possono sfruttare molti mesi d' insolazione.

Anche le regioni del nord comunque possono sfruttare molto bene il sole soprattutto nel periodo Aprile-Settembre che risulta quello più soleggiato. In inverno invece l' impianto solare potrebbe servire per riscaldare una minima parte dell' acqua. Il resto potrà essere fatto dalle attuali fonti energetiche (gasolio, gas).

Un impianto solare può essere utilizzato anche per il riscaldamento della casa. In questo caso però il fabbricato dovrà essere realizzato con un sistema di coibentazione molto alto in modo da impedire tutte le fughe di calore. In questo caso la superficie dei pannelli solari dovrà essere raddoppiata se non triplicata rispetto a quella per uso sanitario.

1.2.3 Vantaggi ed incentivi

Un impianto solare è sicuramente molto vantaggioso sotto diversi punti di vista, anche economici. Molti vantaggi sono sicuramente per l' ambiente in quanto l' energia solare è un' energia pulita che non inquina. Ma esistono anche vantaggi economici quali: minor consumo di energia di origine fossile e quindi risparmio.

Vi sono inoltre incentivi per i pannelli solari, da parte del ministero dell' ambiente, regioni e province. Alcune banche inoltre offrono mutui a tasso agevolato.

Un impianto solare termico si dovrebbe ammortizzare in un range di 5/8 anni. Ci sono molti installatori che offrono l' installazione degli impianti solari tramite finanziamenti particolari, da restituire in qualche anno.

Un altro vantaggio di una casa o comunque di un qualsiasi fabbricato dotato di impianto solare è il suo valore commerciale. Infatti una casa costruita con determinate caratteristiche che mirano al risparmio energetico ha mediamente dei valori commerciali più alti.

1.3 Sistemi refrigeranti

I principali componenti di un impianto di condizionamento sono:

• Generatore di freddo: è il dispositivo che produce il freddo che poi viene distribuito. I principali generatori di freddo sono: le grandi centrali di produzione del freddo, le pompe di calore, gli split, gli assorbitori od adsorbitori e il teleraffrescamento.

• Terminali di impianto: sono i dispositivi che erogano freddo all'ambiente. I principali terminali sono: ventilconvettori, pannelli radianti, assorbitori o adsorbitori e gli stessi split, questi ultimi due, fungono contemporaneamente sia da generatore che da terminale.

• Rete di distribuzione: sono le tubazioni che distribuiscono il freddo nell'abitazione attraverso la circolazione di acqua nell'impianto. Negli split interno, la rete di distribuzione è costituita dal tubo che collega il compressore con il condensatore e l'evaporatore.

• Sistema di regolazione: è il dispositivo che permette di regolare la temperatura che si vuole raggiungere e la potenza che il generatore deve erogare.

1.3.1 Impianti di condizionamento

• Centrali di produzione del freddo

Le grandi utenze come centri commerciali, ospedali, centri direzionali, università, centri di ricerca..., utilizzano grandi apparati di produzione per il freddo, cioè grandi "frigoriferi" che producono grandi quantità di frigorie che vengono poi inviati ai vari ambienti da raffreddare.

• Split

La soluzione degli split può sembrare la soluzione più semplice e veloce da adottare, ma è anche la meno efficiente ed intelligente.

Bisogna tener conto che il costo di un dispositivo è dato dalla somma del costo iniziale più consumi. Quindi uno split che all'acquisto sembra economico, in breve tempo può rivelarsi molto costoso.

Se non ci sono altre possibilità, comunque, è bene scegliere un condizionatore con una efficienza elevata (anche se costano qualche decina di euro in più) e di potenza superiore a quella calcolata, per non farlo mai lavorare alla massima potenza e quindi al massimo consumo.

Un ulteriore accorgimento potrebbe essere, quello di scegliere una macchina provvista di inverter , un dispositivo che modula la potenza (e quindi il consumo) in base alla necessità di raffrescamento.

Esistono due tipologie di condizionatori; quello fisso interno e quello portatile.

1. Split interno con compressore esterno.

Questo tipo di condizionatore è diviso in due unità, una esterna con il compressore e l'altra interna con il condensatore e l'evaporatore. Per grossi ambienti esistono anche più unità interne collegate ad una sola grande unità esterna. Questa tipologia permette quindi di installare l'unità rumorosa all'esterno, posizionando a nostra scelta una o più unità interne.

2. Climatizzatore portatile

Sono costituiti da un solo elemento poggiato su ruote, in cui sono montati direttamente il compressore, il condensatore e l'evaporatore. Normalmente sono rumorosi anche se ci sono in commercio modelli più silenziosi.

Inoltre hanno lo svantaggio di dover tenere aperta la finestra per permettere al tubo di espellere l'aria calda; dalla finestra aperta se ne va anche molta dell'aria raffrescata. Il grosso svantaggio sta comunque nelle prestazioni che sono molto modeste. Uno split portatile è "l'ultima spiaggia" in ambito di raffrescamento.

L'unico vantaggio di tali macchine è quello di essere portatili e quindi possono essere spostate dove se ne ha l'esigenza.

1.4 Sistemi a pompa di calore

Finora abbiamo trattato tipologie di impianti che asservivano ad un unico scopo,che poteva essere solo quello del riscaldamento,del condizionamento o della produzione della acqua calda sanitaria. Nel presente paragrafo parleremo di una macchina termica in grado di soddisfare tutte le esigenze termiche di una qualsiasi abitazione. Si tratta della Pompa di calore che si basa sul principio di Carnot enunciato da Lord Kelvin in una sua relazione alla Philosofical Society di Glasgow nel 1852, nella quale si prevedeva di utilizzare una macchina per raffreddare e riscaldare un ambiente.

La pompa di calore potrebbe essere applicata su vastissima scala sia per la produzione di acqua calda sia, e soprattutto, per la climatizzazione degli ambienti, come del resto accade diffusamente in Giappone, negli Stati Uniti e nei Paesi del Nord Europa, utilizzando fonti di energia largamente disponibili in natura quali aria esterna, acqua di falda, fiumi, calore diffuso nel terreno, ovvero energia solare oppure sfridi di calore da processi produttivi industriali.

Un processo di recupero energetico di tal genere è altamente remunerativo poiché la quantità di energia che si riesce a recuperare dai fluidi gratuiti (aria, acqua, terra...) è assai superiore (circa 3 - 3,5 volte) al lavoro meccanico svolto dal compressore, ovvero all'energia elettrica spesa per farlo funzionare.

1.4.1 Principio di funzionamento

Una pompa di calore si compone essenzialmente di un circuito sigillato nel quale un gas, normalmente Freon R22, compie un intero ciclo termodinamico (Fig.2).

Di seguito evidenziamo quali sono le fasi più importanti del ciclo:

• nella fase di compressione il freon (stato gassoso) assorbe ulteriore calore per conversione di lavoro meccanico-termico;

• nella fase di condensazione il freon cede il calore assorbito nelle due fasi precedenti, all'acqua o all'aria esterne;

• nella fase di espansione il freon riduce la propria pressione e temperatura (stato liquido);

Il rapporto tra la quantità di calore ceduto nel condensatore e quantità di calore spesa in lavoro meccanico, ovvero quantità di energia elettrica consumata per il funzionamento del

compressore viene chiamato COP (Coefficient of Performance) e dipende dalle temperature di evaporazione e di condensazione e dalla qualità intrinseca della macchina. Valori normali sono compresi fra 2,5 - 3,5.

Utilizzando una pompa di calore per il riscaldamento degli ambienti si può contestualmente avere il condizionamento e la deumidificazione sempre con la stessa macchina,come mostrato in fig. 3 e con un trascurabile aumento di prezzo dovendo equipaggiare la medesima

solamente con una valvola di inversione del ciclo di Carnot.

Altra applicazione della pompa di calore è il riscaldamento dell'acqua calda sanitaria; si trovano in commercio pompe di calore con boiler incorporato nel quale è immerso il condensatore della macchina che si presenta come un normale serpentino di rame.

Di solito questo tipo di boiler a pompa di calore viene installato in un vano caldaia, in un box auto o in ambienti di servizio che si possono lievemente refrigerare utilizzando l'energia contenuta nell'aria per riscaldare l'acqua sanitaria contenuta nel boiler.

Ulteriore applicazione è il recupero di calore da processi produttivi industriali, calore che verrebbe comunque disperso e che si potrebbe utilizzare riducendo la potenza installata e i relativi costi di gestione; pertanto il maggior costo iniziale dell'impianto a pompa di calore potrebbe essere ammortizzato in un periodo di 4 - 5 anni nei casi meno vantaggiosi

(climatizzazioni degli ambienti) e di 2 anni nei casi migliori.

Và tenuto presente inoltre che le prestazioni di una pompa di calore variano sensibilmente in funzione delle temperature di sorgente fredda e pozzo caldo. In particolare, più queste temperature sono vicine migliori sono le prestazioni, sia in termini di potenza fornita che in termini di COP, o rapporto tra energia termica fornita ed energia elettrica assorbita (fig. 3 ). Per questo motivo è consigliabile adottare sistemi di distribuzione del calore funzionanti a temperatura più bassa possibile.

1.4.2 Funzionamento ad aria

Per quanto riguarda le differenti sorgenti fredde l'aria ha il vantaggio di essere disponibile ovunque e di non necessitare di autorizzazioni per il prelievo, contrariamente all'esecuzione di uno scambiatore nel terreno, di un pozzo di presa d'acqua di falda o di una presa d'acqua di lago.

L'aria presenta variazioni di temperatura notevoli durante l'inverno, per cui è proprio quando la temperatura esterna è più rigida che la pompa di calore rende di meno. Sovente, dato il basso numero di giorni durante i quali si verificano temperature molto fredde, si preferisce aggiungere una sorgente d'appoggio, tipicamente una resistenza elettrica di bassa potenza, che aiuta la pompa di calore unicamente durante i giorni più freddi. La pompa di calore

conseguentemente non è da dimensionare per la massima richiesta di potenza termica, ma per una potenza leggermente inferiore, ciò che rende l'installazione anche più interessante dal profilo economico.

Impianti interessanti sono pure ottenuti utilizzando l'aria "viziata" estratta dai locali, che può cedere importanti quantità di calore, permettendo alla pompa di calore di lavorare con ottime prestazioni durante tutto l'anno. In queste unità sono integrabili scambiatori di recupero diretto del calore, sistemi per la regolazione del ricambio automatico dell'aria in caso di afflusso di persone, dispositivi di trattamento dell'umidità, eccetera. Questi sistemi sono generalmente installati in ristoranti, sale conferenze, cinema, alberghi, palestre, eccetera.

1.4.3 Funzionamento ad acqua di falda

L'acqua di falda sotterranea o di lago costituisce pure un'interessante sorgente termica. Il suo uso, tuttavia è limitato alle zone in cui è possibile estrarre l'acqua ad un costo interessante (vicino alla riva o in presenza di falde a bassa profondità). Detti sistemi sono definiti a loop aperto.

Le esperienze passate inoltre consigliano di essere molto attenti con l'uso dell'acqua in

circuito aperto a causa dei rischi legati alla corrosione, allo sporcamento e ai depositi calcarei, che possono danneggiare ed ostruire i sistemi. Anche in questo caso le temperature risultano relativamente costanti.

L'uso dell’acqua di falda necessita di autorizzazione da parte dell'Autorità, che viene di norma concessa, a meno di conflitto con zone di protezione delle acque, di riserve o di captazioni idriche.