Impianti di climatizzazione a tutt aria: generalità e dimensionamento

Impianti tecnologici

Impianti di climatizzazione a tutt’aria:

generalità e dimensionamento

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In questa lezione, sarà illustrato il dimensionamento di Impianti di climatizzazione a tutt’aria, sia per il regime estivo che per quello invernale.

Nella prossima, ci si occuperà degli impianti misti.

Nelle lezioni precedenti, sono state mostrate le generalità sui vari tipi di impianti di climatizzazione. Qui si riassumono i parametri microclimatici controllati dai vari tipi di impianto:

1. Solo velocità e qualità dell’aria, quali gli impianti di ventilazione/estrazione forzata.

2. Solo temperatura dell’aria nella stagione invernale, quali i tipici impianti di riscaldamento ad acqua calda.

3. Solo temperatura e talvolta velocità dell’aria, quali gli impianti ad espansione diretta e gli impianti a fan-coil.

4. Temperatura, umidità relativa e velocità dell’aria (solo in inverno)e qualità dell'aria, quali gli impianti a radiatori ed aria primaria o a pannelli radianti ed aria primaria.

5. Temperatura, umidità relativa e velocità dell’aria, qualità dell'aria, sia in inverno che in

estate, quali gli impianti misti a fan-coil ed aria primaria, gli impianti ad aria per

singola zona ed a portata costante e gli impianti ad aria a servizio di più zone

(IMPIANTI DI CLIMATIZZAZIONE propriamente detti).

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Impianti ad Aria – Schema

• AE – Aria esterna

• AM – Aria di mandata (agli ambienti)

• AR – Aria di ripresa (dagli ambienti)

• AS – Aria espulsa

• BF – Batteria fredda

• Bpost – Batteria di post- riscaldamento

• Bpre – Batteria di pre- riscaldamento

• F – Filtri

• S – Serranda

• Um – Umidificatore

• Vm - Ventilatore di mandata

• Vr – Ventilatore di ripresa

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Schema di impianto di climatizzazione ad aria (escluse le centrali)

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Dimensionamento di impianti ad aria

La trattazione presenterà l’analisi termodinamica per la progettazione degli impianti ad aria, adottando alcune semplificazioni. In particolare si ipotizzeranno IDEALI i trattamenti dell’aria umida:

• aria satura dopo la deumidificazione estiva (U.R. 100%)

• aria satura dopo l’umidificazione invernale se ad acqua liquida (U.R. 100%)

• si trascurano le variazioni di temperatura dovute al passaggio dell’aria attraverso i ventilatori ed i canali

SARANNO CONSIDERATI, per semplicità,

IMPIANTI PER SINGOLA ZONA

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DIAGRAMMA PSICROMETRICO. Lo stato termodinamico dell’aria umida è noto se si conoscono tre proprietà intensive indipendenti; se una proprietà è la p

, le altre due sono comprese nel seguente insieme: {T

, T

, T*, Φ, ω, h, v}.

Il diagramma psicrometrico è un diagramma di stato lega tra loro le suddette proprietà.

Tale diagramma, molto utile nella CLIMATIZZAZIONE, fornisce veloce visualizzazione delle trasformazioni

dell’aria e del suo

stato termodinamico.

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Il nostro obiettivo è trovare lo stato di immissione e la portata d’aria da immettere. Il trattamento dell’aria umida sarà:

Raffreddamento + Deumidificazione, Post-riscaldamento.

L’equazione di bilancio dell’energia in regime stazionario, considerando un volume di controllo che comprende l’aria all’interno del locale climatizzato, si scrive:

CLIMATIZZATO LOCALE CLIMATIZZATO

LOCALE

U.T.A.

r m

Aria di ripresa aria di

ricircolo

sezione di miscela

i r Aria di immissione r e

esterna

TERMICA CENTRALE Aria

espulsa Aria

Volume di controllo

r

Q_T

r a

T i

a

h Q m h

m   +  =  

IMPIANTI AD ARIA IN REGIME ESTIVO

T

a

h h

m Q

=  −



da cui:

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T [°C]ba

RST

24 r

[g / kg]



0.5

1.0 0.8 0.9 0.6

0.7 0.4

i

0.7

e

T i

RST

Lo stato d’immissione "i" sul diagramma psicrometrico deve trovarsi su una retta passante per il punto "r" ed avente la pendenza definita da h/.

Tale retta è detta “retta ambiente”. La pendenza della retta ambiente può anche essere individuata mediante il fattore di carico RST (Rapporto Sensibile su Totale) - definito come:

T

S Q

Q

RST =  

La retta ambiente (la cui

pendenza è definita dal rapporto

tra carico termico sensibile e

carico termico totale) è il luogo di

tutti i possibili punti – al variare

della portata – che rappresentano

le condizioni psicrometriche che

deve avere l’aria da immettere nel

locale da climatizzare, per

garantire le condizioni volute.

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Approfondimento

Come visto, il carico termico che insiste su un ambiente è del tipo “sensibile”

(associato a differenze di temperature) e “latente” (associato a differenze di pressioni del vapore).

E’ definito FATTORE DI CARICO (o rapporto RST) il rapporto tra carico sensibile e carico totale (somma del carico sensibile e del carico latente).

Conoscendo tale rapporto, che descrive il tipo di carico termico che interessa l’ambiente, è possibile individuare i possibili stati termodinamici di immissione dell’aria, per quanto riguarda temperatura ed umidità assoluta, atti a bilanciare lo specifico carico termico, in funzione della portata immessa.

1. RST = 1 indica un locale in cui vi è solo solo carico sensibile;

2. RST pari a 0.8 indica che il calore sensibile è pari all’80% del totale.

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Approfondimento

Noto il rapporto RST, si può tracciare sul diagramma psicrometrico la retta ambiente corrispondente.

In definitiva, la retta ambiente è la retta passante per il punto desiderato in ambiente (ad esempio: 26°C; 50%) ed avente la pendenza data dal valore di RST (per la pendenza si usa il diagramma semicircolare che si trova in alto a sinistra sul diagramma psicrometrico).

T [°C]ba

RST

24 r

[g / kg]



0.5

1.0 0.8 0.9 0.6

0.7 0.4

i

0.7

e

T i

RST

Tipica pendenza di retta ambiente nel funzionamento estivo

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) (

h m

Q  _L   _a   _vs   _r −  _i

) T T

( c

m

Q 

 





−

p i

r

S

a ( T T ) c

m Q



 − 



Conoscendo la pendenza della retta ambiente e lo stato di progetto “r”, è possibile determinare semplicemente lo stato “i”, fissando un’ipotetica T

(nell’intervallo usuale 13  16 °C).

A questo punto è semplice determinare la portata massica e verificare che sia maggiore o uguale a quella richiesta per garantire in ambiente la necessaria qualità dell’aria.

Qualora così non fosse, dovremmo imporre una T

più vicina ad T

e ripetere il calcolo.

Il calcolo della portata d’aria TOTALE da immettere si può anche effettuare considerando solo il carico sensibile o quello latente, secondo le seguenti relazioni:

p i

r

S

a

( T T ) c

m Q



 − 



vs i

r

L

a

( ) h

m Q







−

  



Nota: Δh

è l’entalpia di vaporizzazione dell’acqua a °C, e vale 2500.5 kJ/kg.

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La verifica che la portata massica totale (m

) sia maggiore della portata massica d'aria esterna (m

) è molto importante. Se così non fosse, dobbiamo rifare i calcoli imponendo una T

più vicina a T

e ripetere la procedura. La differenza tra m

ed m

è proprio la portata massica di ricircolo (m

).

Dopo aver calcolato m

, m

e m

, si trova il punto m sul diagramma psicrometrico.

In particolare, il punto "m" (di mescolamento) si troverà sulla congiungente tra "e"

ed "r".

Serve un'altra proprietà, ad esempio l'entalpia specifica di "m", da calcolare mediante un bilancio energetico in camera di miscela.

e r m

h + h h

ae ric a

m  m  = m 

e r

h + h

ae ric

m

a

m m

h m

 

=

h_e

r

m

h_r e

h_m

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T [°C]ba 0.7

RST

T

Q

Q BF

BC Q

A

i Q rinn

_B

[g / kg]



retta ambiente r

m e

0.9 1.0 0.8

RST

0.5

0.7 0.6 0.4

A questo punto, si tracciano sul diagramma psicrometrico le trasformazioni che l’aria umida dovrà subire all’interno dell’unità di trattamento (raffreddamento + deumidificazione, post riscaldamento) e si operano:

• BILANCI DI ENERGIA su batteria fredda e calda;

• BILANCI DI MASSA sulla

batteria fredda per valutare la

portata d’acqua di condensa

(deumidificazione).

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Q_T

QBF Q^T

V.C.3 Q

BILANCI DI ENERGIA BILANCI DI MASSA

BILANCIO GLOBALE DI ENERGIA

Q BC

QBF mco

r Volume di controllo V.C. 3 r

_ + m e

QT r

LOCALE CONDIZIONATO r i

Il bilancio globale è molto importante per

verificare la correttezza dei

calcoli.

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IMPIANTI AD ARIA IN REGIME INVERNALE

• Il carico termico sensibile complessivo dell’ambiente può assumere sia il segno negativo, come generalmente accade, che quello positivo;

• Il carico termico latente dell’ambiente è sempre positivo;

• Il carico totale può essere positivo o negativo.

CLIMATIZZATO LOCALE CLIMATIZZATO

LOCALE

U.T.A.

r m

Aria di ripresa aria di

ricircolo

sezione di miscela

i r

Aria di immissione

r e

esterna

TERMICA CENTRALE Aria

espulsa Aria

Volume di controllo

r

Q_T

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Analogamente al caso estivo, noti il CARICO SENSIBILE e LATENTE, tracciamo la RETTA AMBIENTE sul diagramma psicrometrico. Il nostro obiettivo è trovare lo stato di immissione e la portata d’aria da immettere.

ba[°C]

T

RST

e

m

ambiente retta i

[g / kg]



RST

B

A r

Il trattamento dell’aria umida sarà:

• Riscaldamento

• Umidificazione con acqua liquida

• Post-riscaldamento

Tipica pendenza di retta ambiente nel funzionamento invernale

E' da ricordarsi che spesso, precauzionalmente, il carico latente si

trascura, cosicché RST = 1 (cioè, retta ambiente orizzontale).

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Per trovare il punto di immissione sul diagramma psicrometrico, si valuta il rapporto RST e si fissa T

. L’aria immessa avrà una temperatura maggiore rispetto a quella che si vuole mantenere nel locale. Un intervallo tipico è Ti

= 28°C  32°C. Successivamente, dall’equazione di bilancio dell’energia, si determina la portata di immissione m

(se conosco, perché la impongo, T

, so anche che "i" si trova sulla retta ambiente, e quindi trovo il punto e leggo h

).

r i

T

a h h

m Q

=  −



) T (T

c m

Q  _S   _a  _p  _i − _r

) (

h m

Q 

 

 

 

− 

vs i

r

L

a ( ) h

m Q







−

  



T

S Q

Q

RST =  

p r

i

S

a

(T T ) c

m Q



 − 



Oppure, in alternativa:

Nota: Δh

è l’entalpia di vaporizzazione

dell’acqua a °C, e vale 2500.5 kJ/kg.

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ATTENZIONE, la portata di aria immessa in ambiente (m

) deve essere la stessa calcolata per la stagione estiva.

Pertanto, se nella progettazione dell'impianto si è partiti dalla stagione estiva, nel dimensionamento invernale, invece di imporre la T

, si impone proprio m

. Di conseguenza, si trova, da calcolo, T

(che questa volta è l'incognita), e si vede se questa è in un range usuale (28 – 32 °C).

r i

T

a h h

m Q

=  −

 Q  _S   m _a  c _p  (T _i − T _r )

) T c (T

m Q

r i

p a

S

 −







i r

p a

S

T T

c m

Q + 







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Trattandosi delle stesse portate massiche m

e m

calcolate in estate, anche la portata massica di ricircolo (m

) è uguale, e quindi pari alla differenza tra m

ed m

.

Dopo aver calcolato m

, m

e m

, si trova il punto "m" sul diagramma psicrometrico. In particolare, il punto "m" (di mescolamento) si troverà sulla congiungente tra "e" ed "r".

Serve un'altra proprietà, ad esempio l'entalpia specifica di "m", da calcolare mediante un bilancio energetico in camera di miscela.

e r m

h + h h

ae ric a

m  m  = m 

e r

h + h

ae ric

m

a

m m

h m

 

=

h_e r

m e

h_m h_r

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Analogamente alla stagione estiva, si operano poi:

• BILANCI DI ENERGIA su batteria calda di pre-riscaldamento, e batteria calda di post-riscaldamento;

• BILANCI DI MASSA sull’umidificatore.

Q

PR E

PO ST

e

RST

rinn Q

Q

m

B r

QT

A i

RST [g / kg]



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V.C. 4

Q T

POST

Q_rinn Q

Q

QPOST

QPRE

Q Q_T

rinn PRE

V.C. 4

m

PRE l

Q

CLIMATIZZATO LOCALE

Q T Volume di controllo V.C. 4

m e r

+

QPOST

+

r i

r

r

BILANCIO GLOBALE DI ENERGIA

Anche in questo caso, il bilancio

globale è molto importante per

verificare la correttezza dei

calcoli.

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Qualora avessimo optato per un trattamento diverso, mediante

RISCALDAMENTO ed UMIDIFICAZIONE A VAPORE, non ci sarebbe stato bisogno del POST-RISCALDAMENTO.

Non si ripetono le equazioni di bilancio, ma si ritiene opportuno sottolineare che:

• l’umidificazione a vapore non agisce sulla T

;

• il salto di umidità specifica deve essere globalmente lo stesso.

Q rinn Q T

h v mv

Q BC

V.C. 4

Q T

Q rinn

V.C. 4

Q BC

h v m v

BILANCIO GLOBALE DI ENERGIA

Q T Q BC

V.C. 4

Q T

V.C. 4

Q BC Q rinn

Q T

h v m v

Q BC

V.C. 4

Q T Q rinn

V.C. 4

Q BC h v m v

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+ m

m v Q BC

LOCALE

Q T r

i

CLIMATIZZATO r

r Volume di controllo V.C. 4

r e

T

ba

A r

T [°C]

i

RST [g / kg]



rinn Q

Q v mvh

QBC

e m

RST

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Si tratta di tipologie impiantistiche piuttosto moderne, adottate prevalentemente per la climatizzazione di edifici “monozona”.

All’interno di un unico macro-componente, si provvede sia al trattamento dell’aria che alla produzione dei fluidi termo-vettori.

In sostanza, un unico dispositivo assolve sia il ruolo della centrale termo-frigorifera che quello dell’unità di trattamento dell’aria.

Rooftop a R410A.

Fonte wwwaermec.it

Lo scambio avviene direttamente tra fluido refrigerante - in un ciclo frigorifero a compressione di vapore con alimentazione elettrica - ed aria da trattare.

In definitiva, non vi è lo scambio termico attraverso l’acqua usata come fluido termo- vettore intermedio, ma direttamente tra refrigerante ed aria.

Tali sistemi, pertanto, analogamente agli Split System e ai VRF (evoluzione dei multi-split), sono definiti “ad espansione diretta” oppure DX (Direct Expansion).

La convenienza è nel minore ingombro complessivo e nell’elevata efficienza.

Sistemi ROOFTOP

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Sistemi ROOFTOP

Analogamente alle Unità di Trattamento dell’Aria di un impianto a tutt’aria, una Rooftop può consentire:

a) Il controllo della umidità in estate (deumidificazione) oltre che della temperatura dell’aria, se provvista:

• di batteria fredda, alimentata direttamente dal refrigerante, opportunamente dimensionata per far fronte al carico latente.

• di idonea batteria di post-riscaldamento (elettrica, ad acqua calda, oppure con recupero di calore dal condensatore).

b) Il controllo della umidità invernale (umidificazione), oltre che della temperatura dell’aria, se provvista:

• di umidificatore, ad acqua liquida o vapore;

• di idonea batteria di post-riscaldamento (elettrica, ad acqua calda, oppure

con recupero di calore dal condensatore), se l’umidificazione è avvenuta con

processo isoentalpico.

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Il recupero di energia dall’aria di espulsione è, in taluni casi, molto conveniente oltre che prescritto per legge (D.P.R.

412/93).

Il principio base consiste nello scambio termico tra due correnti contrapposte che attraversano i due lati dello scambiatore.

I recuperatori di calore sono convenienti se si verificano una o più delle seguenti condizioni:

• quando le portate d’aria esterna di ventilazione e di espulsione sono di molto elevate.

• quando il numero di ore di funzionamento dell’impianto di ventilazione e di espulsione è elevato.

• quando la stagione invernale è molto fredda (elevato numero di gradi-giorno) e la stagione estiva da un elevato numero di ore in cui le temperatura di bulbo asciutto e bulbo umido raggiungono valori alti.

Recupero di Calore. Cenni

I recuperatori di calore si collocano

nelle Unità di Trattamento dell’Aria o anche

nelle Rooftop

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Inseriti nelle UTA o nelle Rooftop, tali sistemi sono costituiti essenzialmente da una ruota o tamburo rotante di materiale permeabile all’aria, caratterizzata da una grande superficie di contatto con l’aria stessa.

Durante la rotazione, il tamburo assorbe energia termica dalla corrente d’aria più calda, riscaldandosi, e lo cede successivamente alla corrente d’aria più fredda, raffreddandosi – scambio di calore sensibile.

Nel caso in cui si richieda anche lo scambio di calore latente, il tamburo viene opportunamente trattato con un materiale (quale il cloruro di litio) che lo rende igroscopico, permettendo l’assorbimento del vapor d’acqua dalla corrente d’aria più umida e la sua cessione alla corrente d’aria più secca.

Recuperatori di Calore, sensibili e/o entalpici, di tipo rotativo

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Recuperatori di calore a piastre e a flussi incrociati.

Il recupero avviene senza nessun contatto, diretto o indiretto, tra le portate massiche di aria, bensì per conduzione. Non vi è quindi il rischio di contaminazioni.

Sono scambiatori di tipo statico costituti da un involucro di forma rettangolare aperto alle due estremità, la cui sezione trasversale è suddivisa in molteplici passaggi da una configurazione cellulare.

I canali risultanti si alternano in canali per il passaggio dell’aria espulsa e in canali per l’aria di rinnovo; i flussi d’aria possono essere a correnti incrociate o in controcorrente.

Oltre al tradizionale recuperatore a piastre esiste anche il tipo a piastre con alettatura,

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fine Impianti di climatizzazione a tutt’aria:

generalità e dimensionamento