7. Ventilazione meccanica controllata e pompa di calore ad aria

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7. VENTILAZIONE MECCANICA CONTROLLATA E

POMPA DI CALORE AD ARIA

7.1. Il terreno come sorgente termica

7.1.1. L'energia geotermica: origine e caratteristiche

La terra contiene una notevole quantità di calore. Secondo le conoscenze attuali, circa il 99% della sua massa si trova a temperature che superano i 1.000°C, con valori compresi tra i 6.000 i 6.500°C nel nucleo centrale. Questo calore ha due origini: una esterna e l'altra interna.

L’origine esterna è dovuta soprattutto al sole e alla pioggia: in pratica le uniche fonti di calore significative fino a 15 metri di profondità.

L’origine interna è invece dovuta al calore prodotto dal decadimento degli isotopi radioattivi presenti nella crosta terrestre (soprattutto Uranio 238 e 235, Torio 232 e potassio 40) e genera un flusso termico dal sottosuolo verso la superficie. La trasmissione avviene per moti di diversa origine: magmatici, idrotermali e meteorici e quindi è soggetta a conformazioni superficiali locali che fanno sì che il terreno sia più o meno riscaldato dal mantello terrestre a seconda delle conformazioni della crosta e quindi a seconda della zona in cui ci si trova.

Figura 7.1 - Rappresentazione di uno spaccato della crosta terrestre (a sinistra) con le sezioni e alcuni esempi di manifestazioni superficiali al livello della crosta nella zona continentale; a destra uno spaccato degli ultimi 20 m di

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L’interesse attuale nei confronti di questo calore è dovuto al fatto che può essere un’importante fonte di energia alternativa, utilizzabile ad esempio per produrre energia elettrica, per realizzare processi tecnologici, per riscaldare ambienti e ottenere acqua calda sanitaria (ACS). È comunque una forma di energia che, per poter essere utilizzata, deve essere portata in superficie.

La geotermia è quindi quella scienza che si propone di sfruttare il calore terrestre per fini di produzione di energia elettrica o termica, anche se in questo settore più che di calore è più appropriato esprimersi in termini di temperatura ed entalpia.

In conseguenza del livello di temperatura che si trova sotto la superficie terrestre l’energia geotermica può trovare varie applicazioni. Vediamo la classificazione delle risorse geotermiche nel seguente riassunto.

Tabella 7.1 - Classificazione delle risorse geotermiche secondo la temperatura media del sottosuolo indisturbato (ossia a profondità tali per cui il gradiente termico è costante con la profondità, generalmente quindi 20m) proporzionale al

contenuto entalpico. (fonte www.energyhunters.it)1

Le risorse geotermiche a bassa entalpia consentono l’uso di fluidi a temperature inferiori a 30°C. Le loro principali applicazioni riguardano:

1. Il riscaldamento degli edifici e la produzione di ACS: in questo caso, l’energia termica a temperatura molto bassa è derivata dal terreno con appositi scambiatori di calore. È

1

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poi ceduta a macchine (le pompe di calore) in grado di innalzarne la temperatura fino a valori che rendono possibile sia riscaldare gli edifici sia produrre ACS.

2. Il raffrescamento degli edifici: in questo caso, l’energia termica a temperatura molto bassa derivata dal terreno può servire sia ad alimentare PDC che lavorano in fase di raffrescamento sia a servire direttamente gli impianti di climatizzazione (funzionamento quest’ultimo in grado di limitare notevolmente i costi di esercizio).

Le caratteristiche principali che influenzano la capacità di un terreno di scambiare più o meno efficacemente calore con la macchina a ciclo inverso sono principalmente tre:

1. la tipologia di terreno;

2. la profondità di prelievo della sorgente di calore e quindi la distribuzione della temperatura con la profondità;

3. la tipologia di impianto geotermico utilizzato.

7.1.2. Il terreno come scambiatore di calore

Il terreno si presta particolarmente bene a costituire la sorgente termica dalla quale sottrarre o alla quale cedere il calore necessario per far funzionare una macchina a ciclo inverso operante rispettivamente come pompa di calore o come refrigeratore. Tale azione può essere realizzata sia estraendo l’acqua di falda, tecnica ben nota e oggi meno diffusa a causa della ridotta disponibilità di acqua, sia asportando o cedendo calore direttamente alla massa stessa del terreno.

Lo scambio termico aria-suolo è influenzato dalla conducibilità o conduttività termica, in minima parte del materiale di cui è costituita la condotta dell'impianto, e in massima parte del terreno che si trova a diretto contatto con le tubazioni.

Il funzionamento dell'impianto è però garantito dal fatto che il primo strato di terreno superficiale, separa quello sottostante dalle variazioni di temperatura che avvengono in ambiente aperto. Questo requisito è garantito dall'elevata inerzia termica del suolo, che risulta tanto maggiore quanto minore è la conducibilità e maggiore la capacità termica e la densità di massa del terreno.

Il terreno soprastante le condotte accumula il calore ed attenua le fluttuazioni di temperatura esterna man mano che si scende in profondità. Al crescere della profondità la temperatura del

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terreno tende a ridurre l'ampiezza della sua oscillazione annuale: già nei primi metri di profondità la temperatura si avvicina ad un valore prossimo alla media annuale della temperatura dell'aria, mentre approssimandosi ad una profondità di circa 15-20 metri, tende ad eguagliare la temperatura media annuale della località considerata.

Per profondità maggiori tende a farsi sentire il calore endogeno del globo terrestre, ed in genere si riscontra un aumento da 1,5 a 5 °C per ogni 100 m di profondità, secondo le caratteristiche del terreno e la località.

Per valutare la capacità del terreno di scambiare calore e quindi di essere efficace dal punto di vista termodinamico, si definiscono tutta una serie di grandezze che lo possono descrivere da un punto di vista fisico.

Coefficiente di scambio termico o conducibilità termica λ [W/(m·K)]:

Nel caso di impianti geotermici lo scambio avviene fra il terreno e uno scambiatore sotterraneo.

Maggiore è il valore di questo coefficiente, minore la resistenza che la superficie di separazione oppone al passaggio di calore. A livello intuitivo basta pensare che, se una piccola differenza di temperatura (al denominatore) provoca un grande flusso di calore (al numeratore), la conducibilità sarà alta; contrariamente se a una grande differenza di temperatura corrisponde poco calore scambiato saremo in presenza di ambienti praticamente isolati e quindi di un materiale termicamente isolante.

A livello analitico e per uno scambiatore cilindrico di lunghezza d e sezione S, la conducibilità è esprimibile come segue:

λ = = (1) dove

Qscambiato : quantità di calore scambiato tra i due sistemi attraverso la superficie S [W]

S : superficie di scambio termico [m2]

d : lunghezza dello scambiatore (supposto lineare e omogeneo) [m] T1 e T2 : temperature assolute dei due sistemi [K]

Limitatamente a questo parametro possiamo dire che:

 maggiore è il coefficiente di scambio termico λ (la conducibilità termica del terreno) migliore sarà il rendimento del ciclo inverso poiché più facilmente si scambierà calore

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con il terreno e quindi meno lavoro dovrà fare la macchina per scambiare calore. Questo coefficiente è caratteristico di ogni terreno e va quindi misurato;

 il coefficiente di scambio termico λ aumenta, generalmente, all’aumentare della densità del suolo e all’aumentare del grado di umidità dello stesso; l’acqua e la compattezza del terreno, infatti, aumentano il coefficiente di scambio termico rendendo più efficiente il passaggio del calore.

La capacità termica C [J/K]:

Questa grandezza misura la quantità di calore che un corpo (in questo caso il terreno) è in grado di trattenere ed è quindi proporzionale all’inerzia termica. La sua definizione è la seguente:

C = Cp * ρ (2) dove

Cp : calore specifico del terreno, valore che oscilla generalmente tra gli 800 e i 1800 J/Kg*K ρ : densità del terreno, il cui valore di riferimento medio è 2400 Kg/m3

e il sui valore oscilla tra i 1000 e 2800 Kg/m3

La diffusività termica α [m2/s]:

Questo è forse il parametro più importante nelle applicazioni di geotermia a bassa entalpia. La diffusività termica può essere vista come il rapporto tra la capacità che ha un materiale di condurre energia termica, e la sua capacità di accumulare energia. Un alto valore di diffusività termica indica una veloce propagazione dell’energia termica, mentre un valore basso indica che, nel materiale (il terreno), è preponderante l’accumulo. La diffusività termica è definita come:

α = = (3)

dove i suoi termini sono una combinazione di quelli già precedentemente definiti.

Caratterizzare univocamente i terreni è praticamente impossibile data l’evidente eterogeneità delle tipologie di sottosuoli esistenti e questo è il motivo principale per cui si devono effettuare campagne ispettive di misura della qualità del sottosuolo prima di intraprendere un progetto di geotermia a bassa entalpia. In linea del tutto generale le caratteristiche dei vari tipi di terreno sono stati riassunti nella seguente tabella:

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Tabella 7.2 - Conducibilità termica, peso specifico, calore specifico e diffusività delle più comuni composizioni di terreno presenti sulla crosta terrestre, valori medi indicativi. (fonte www.energyhunters.it) 2

La conduttività termica del suolo non dipende solo dal tipo e dalla composizione del terreno, ma anche dalla disposizione e dalla forma delle sue particelle costitutive, nonché dal contenuto d'acqua presente nel terreno.

2

M. Talleri: “Applicazioni geotermiche negli impianti di attivazione termica della massa”, Seminari Velta 2001, 2001/2.

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Un terreno condurrà molto più calore quanto più sarà umido, quindi la conduttività termica può variare nel tempo in base al cambiamento della concentrazione di umidità, delle variazioni climatiche e delle stagioni.

I terreni prevalentemente sabbiosi e umidi hanno una maggiore conduttività termica rispetto agli altri, risultano quindi più efficienti per quanto riguarda lo scambio termico tra il fluido che scorre nelle tubature di un pozzo canadese o di una sonda geotermica e il suolo. Tuttavia sarà minore l'inerzia termica del suolo e quindi maggiore l'influenza termica del clima di superficie, creando così un aumento delle escursioni termiche.

All'Università degli studi di Siena (Centro di GeoTecnologie) si sono realizzati modelli basati sulla formula empirica di Kersten ed è stata calcolata la conducibilità termica in funzione del contenuto di umidità per litologie sabbiose e argillose.

Figura 7.2 - Conducibilità e resistenza termica di terreni argillosi e sabbiosi in funzione del contenuto di umidità (Fonte: Università degli studi di Siena - Centro di GeoTecnologie)

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Si definisce “punto critico” il limite di contenuto idrico tale da compromettere il trasferimento di calore. Una volta superata tale soglia, un suolo considerato “buono scambiatore di calore”, rischia di trasformarsi in un pessimo conduttore. In questo caso la sonda geotermica è isolata termicamente e riduce significativamente la propria efficienza.

Riportiamo infine, nella tabella seguente, i valori di conducibilità e diffusività termica per terreni sabbiosi e argillosi, in funzione dell'umidità e della densità a secco.

Tabella 7.3 - Conducibilità e diffusività termica per alcuni tipi di sottosuolo in funzione dell’umidità e della densità a secco3

Il principale vantaggio dei cicli inversi associati a sorgenti di calore geotermiche sta nel fatto che il terreno, a differenza dell’aria, è uno scambiatore di calore la cui inerzia termica è enorme. Questo significa che non varia, se non limitatamente, la sua temperatura al variare della temperatura ambiente. Questo si traduce in un grande vantaggio per le pompe di calore che possono sfruttare una sorgente termica a una temperatura praticamente costante tutto l’anno assicurando COP (Coefficient Of Performance) eccellenti in regime continuativo. Centrale diventa quindi capire quale è la temperatura del sottosuolo al variare della distanza dalla superficie in modo da capire dove si può trovare la temperatura ottimale per il ciclo di riscaldamento/raffreddamento che si deve realizzare. Prenderemo in esame solo la litosfera e in particolare la crosta terrestre ossia lo strato esterno del nostro pianeta che ha uno spessore dai 5 ai 35 Km. Nelle applicazioni civili per condizionamento/riscaldamento si tenga presente che raramente si scambia calore a profondità superiori ai 35 - 150 m.

3

S. P. Kavanaugh, K. Rafferty: “Ground source heat pumps - Design of geothermal systems for commercial and institutional buildings”, A.S.H.R.A.E. Applications Handbook 1997.

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Per queste profondità si può affermare che:

 Il gradiente termico medio sulla crosta terrestre del nostro pianeta si aggira fra gli 1,5 e i 5 °C almeno nei primi 1000 m di crosta.

 Il gradiente termico dipende estremamente dalla conformazione del terreno e dalla sua struttura.

 Le variazioni di temperatura esterna giornaliere si riducono mediamente di circa 10 volte ad una profondità dal suolo di 20 cm.

 Le variazioni di temperatura stagionali si riducono mediamente di circa 10 volte ad una profondità dal suolo di 2m.

 Nel terreno indisturbato (profondità comprese fra i 20 e i 50m a seconda del terreno) la temperatura oscilla rispetto ad un valore medio che è praticamente pari alla temperatura media della località in esame.

Per valutare quantitativamente il comportamento del terreno rispetto alla variazione della temperatura esterna si può fare riferimento ad uno strato di materiale, considerato per semplicità omogeneo, limitato da una superficie piana di coordinata x = 0 ed infinitamente esteso nel verso delle x positive (profondità).

Per conoscere l’andamento della temperatura al suo interno, noto quello sulla superficie, si deve risolvere l’equazione di Fourier:

= α dove

T : temperatura in kelvin [K] t : tempo [s]

α : diffusività termica del terreno [m2 /s].

Se si approssima l’andamento reale della temperatura durante il periodo considerato con una funzione di tipo sinusoidale, si può esprimere la temperatura superficiale Ts nel seguente modo:

Ts = T0 + A senωt per x = 0 dove

A : è l’ampiezza della variazione della temperatura superficiale nel periodo considerato T0 : è il valore medio della variazione di temperatura avente ampiezza A [°C]

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Trascurando il periodo di transitorio, si può esprimere la temperatura T ad una certa profondità x all’istante t nel seguente modo:

T = T0 + A e-γχ sen(ωt - γx) dove

γ = = è la costante di smorzamento con: τ0 : periodo dell'oscillazione [s]

ω = 2π/t0 : pulsazione dell'oscillazione [rad/s] a = λ/(ρc) : diffusività termica del terreno [m2

/s] ρ : densità [Kg/m3

]

c : calore specifico [KJ/(Kg*K)]

e-γχ è il fattore di smorzamento, secondo il quale di riduce l'ampiezza della sinusoide (Fig. 6.3).

Figura 7.3 - Caratteristiche dell’oscillazione di temperatura all’interno di un corpo seminfinito 4

La soluzione dell'equazione di Fourier ci fornisce numerose indicazioni:

1. La variazione della temperatura annuale nel sottosuolo, se si suppone che la temperatura annuale esterna vari secondo un andamento sinusoidale, come è lecito con buona approssimazione, è ancora di tipo sinusoidale.

2. L’ampiezza della sinusoide nel sottosuolo è però di ampiezza ridotta dal termine e-γχ detto “fattore di smorzamento”, il quale evidenzia che questo smorzamento in

4 _{S. P. Kavanaugh, K. Rafferty: “Ground source heat pumps - Design of geothermal systems for commercial and}

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ampiezza aumenta all’aumentare della profondità del suolo e diminuisce, invece, all’aumentare della conducibilità e quindi della sua diffusività termica.

Questo sostanzialmente vuol dire che, per avere una piccola variazione di temperatura nel sottosuolo, si hanno due alternative: o si scambia calore in profondità oppure si ha a disposizione un terreno poco diffusivo ossia con elevati valori di calore specifico e di densità.

Se però il terreno ha una diffusività bassa a causa del basso valore di conducibilità termica (al numeratore della relazione 3), allora il guadagno è vanificato poiché pur avendo bassa diffusività verrà scambiato con fatica calore con il terreno.

3. L’andamento della temperatura nel sottosuolo accusa un ritardo di fase di γx radianti corrispondenti a γχ/ω unità di tempo. Questo vuol dire che il terreno non solo attutisce le variazioni esterne ma la sua inerzia termica fa sì che queste variazioni avvengano dopo che le variazioni di temperatura esterna che le hanno generate sono avvenute. Questo ritardo è tanto maggiore quanto minore è la diffusività termica che, come già detto, misura l’inerzia termica ed è inoltre tanto maggiore quanto più si va a scambiare calore in profondità (x aumenta).

4. La riduzione di ampiezza e lo sfasamento, a parità di diffusività termica, sono quindi tanto maggiori quanto maggiore è la profondità x e quanto maggiore è la frequenza dell’oscillazione.

Per evidenziare questi concetti appena espressi si prenda a riferimento la figura sottostante (parte sinistra) dove la temperatura media annuale di Roma sulla superficie (in azzurro) è confrontata con la temperatura nel corso dell’anno, per due diversi tipi di terreno a due diverse profondità (4 m nei colori rossi e 16 m nei colori blu/viola). Inoltre sono rappresentati due diversi tipi di terreno caratterizzati da due diverse diffusività termiche:

 un valore alto pari a α1 = 1,898·10-5 [m2/s] tipico delle rocce arenarie capaci di cedere e acquistare calore velocemente e quindi aventi bassa inerzia termica;

 un valore basso pari a α2 = 1·10-6 [m2/s] tipico delle argille riluttanti a cedere e ad acquistare calore e quindi più insofferenti alle variazioni esterne.

La parte destra della figura rappresenta invece l’andamento globale della temperatura all’esterno (lungo l’ascissa) e nel sottosuolo (scendendo l’ordinata) per un terreno con caratteristiche medie e per 4 differenti mesi dell’anno.

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Figura 7.4 - A sinistra andamento della temperatura esterna (in azzurro) a Roma secondo le medie climatiche 1971 - 2000 e raffronto con andamento delle temperature nel sottosuolo a 4 e 16 metri per due diverse ipotesi di composizione del terreno 5; a destra rappresentazione della temperatura media esterna e del suolo al variare della

profondità durante i 4 mesi di cambio stagione dell’anno

Questi grafici sono molto significativi ed evidenziano essenzialmente che:

1. Con piccole diffusività del terreno non importa andare a scambiare calore molto in profondità per trovare una temperatura di scambio termico costanti.

2. Le caratteristiche del terreno sono fondamentali e vanno studiate per poter procedere a progettare e dimensionare al meglio l’impianto.

3. Il terreno offre condizioni di temperatura ottimali in profondità capaci di mantenere temperature molto equilibrate lungo l’arco dell’anno, mediamente pari a circa 13° - 15° C, e che quindi si presta ottimamente come scambiatore di calore per i cicli inversi.

4. Le variazioni stagionali, dove si ricerchi stabilità termica, scompaiono praticamente con ogni tipo di terreno sotto i 15 metri, dove si trovano temperature medie, per terreni comuni, di 12 - 15 °C ideali per il condizionamento degli ambienti.

La costanza della temperatura del suolo comporta un duplice effetto benefico:

 durante l'inverno il terreno si trova a temperature relativamente più calde rispetto all'aria esterna;

 durante l'estate la temperatura è più bassa di quella dell'aria.

Risulta quindi fondamentale verificare questi aspetti mettendo a confronto litologie differenti.

5

Nozioni tratte indirettamente anche da: Maurizio Tanzini - “Manuale del geotecnico” - http://www.darioflaccovio.it/pdfdescr/672-DF0050.pdf

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Nel caso di un terreno prevalentemente argilloso infatti, come si può leggere dal grafico precedente, ad una profondità di 16 m, la variazione annuale di temperatura del sottosuolo è veramente minima e si può considerare costantemente a 15°C (linea viola); mentre ad una profondità di 4 m, più consona a un sistema di accoppiamento con il terreno, come nel caso di un pozzo canadese per la ventilazione meccanica controllata, ha delle oscillazioni annuali maggiori ma comunque limitate tra i 13° e i 18°C (linea rossa).

Invece, per un terreno prevalentemente sabbioso, essendo la sabbia un miglior conduttore termico, a 4 m di profondità la variazione annuale è maggiore e diventa compresa tra gli 8° e i 22°C (linea marrone); mentre a 16 m di profondità comunque sia la variazione si stabilizza attorno ad un valore di 12°C (linea blu).

Quanto detto fino ad ora non tiene però conto delle possibili radiazioni solari incidenti sul terreno, tali da far risultare i valori ottenuti ben diversi da quelli riscontrabili in un contesto reale.

Nel caso di terreno esposto al sole, le capacità di raffrescamento dell'aria delle tubazioni per scambio sono notevolmente ridotte (la radiazione in estate ha un'elevata influenza), mentre minore è l'effetto sulle possibilità di riscaldamento invernale, data la scarsa influenza della radiazione solare in inverno.

7.2. Impianto di Ventilazione Meccanica Controllata

Il concetto di edificio passivo è incentrato principalmente sullo sfruttamento degli apporti termici passivi, dovuti non solo al guadagno solare attraverso finestre e pareti vetrate, ma anche al guadagno interno derivante dal calore prodotto dagli occupanti e dalle apparecchiature presenti in ogni ambiente.

Il buon isolamento termico ed acustico e la compattezza delle moderne case a basso consumo energetico portano certamente a una riduzione delle dispersioni di calore, ma anche a una ventilazione insufficiente: persone ed edifici, infatti, non possono più “ respirare” abbastanza. Senza un opportuno rinnovo dell’aria, gli ambienti confinati risulterebbero invivibili per la mancanza dei requisiti relativi alla qualità dell’aria indoor.

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Noi tutti trascorriamo una notevole quantità di tempo in ambienti chiusi e la qualità dell’ambiente interno influenza significativamente la nostra salute e il nostro benessere. Cattiva qualità dell’aria, rumore, eccesso di umidità spesso con formazione di muffe, mancanza di comfort termico, presenza di sostanze come formaldeide e altri gas nocivi, radon, e mancanza d’igiene sono alcune delle possibili cause di rischio per la salute nelle abitazioni.

Studi dell'Aldes Italia dimostrano che la qualità dell'aria in edifici chiusi e poco traspiranti arriva ad essere peggiore di quella di ambienti esterni inquinati; infatti benché i dati sulla qualità dell'aria esterna risultino talvolta allarmanti, è bene considerare che la densità degli inquinanti all'interno di un'abitazione chiusa è comunque sempre di gran lunga maggiore rispetto all'aria presente nell'ambiente esterno.

Una semplice soluzione potrebbe essere quella di "aprire le finestre" per ottenere elevate portate di ventilazione, ma ciò è in contrasto con l'obiettivo di contenere i consumi energetici. La tipologia costruttiva che caratterizzava gli edifici realizzati fino a 10 anni fa circa, cioè poco isolati termicamente rispetto agli standard attuali, evidenziava consumi di energia primaria dovuti in modo rilevante al riscaldamento per sopperire alle dispersioni termiche, mentre la ventilazione incideva marginalmente. Oggi invece le dispersioni per trasmissione vengono abbassate sempre più e la ventilazione comincia ad assumere un peso rilevante se confrontata con le altre fonti di consumo.

L'istogramma seguente riassume le considerazioni di carattere energetico sopra espresse. I dati sono relativi ad un alloggio standard di circa 60 m2, dotato di riscaldamento a gas autonomo e sito nella zona climatica di Milano. Si noti che l’impiego di dispositivi meccanici (evidenziato dal colore blu) incide in termini di maggior controllo delle portate e quindi di contenimento dei consumi energetici per la ventilazione ed il riscaldamento dell’aria.

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Figura 7.5 - Consumi energetici riferiti all’alloggio tipo espressi in kWh di EP annua in relazione all'uso di diverse strategie di ventilazione. (Fonte: ricerche Aldes France)

Da questa analisi si può dedurre che attraverso l'areazione per apertura delle finestre o per ventilazione naturale, si ottengono comunque consumi energetici molto maggiori rispetto all'utilizzo di un sistema VMC, soprattutto e a doppio flusso con recupero di calore.

Il consumo di Energia Primaria per il riscaldamento, la ventilazione e altre funzioni impiantistiche è un indicatore che consente di valutare l’efficienza energetica dei sistemi di approvvigionamento di calore, tanto che il consumo di EP per riscaldare l’aria entrante in un edificio dall’apertura delle finestre corrisponde a 58 kWh/m² stagionale. Un dato decisamente elevato visto che si può notare una differenza sostanziale con l’utilizzo della Ventilazione Meccanica Controllata.

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Figura 7.6 - Consumi di Energia Primaria in KWh/m2 stagionale per la sola ventilazione. (Fonte: ricerche Aldes)

Come si può vedere nell’immagine sopra, il consumo di Energia Primaria stagionale dimezza usando semplicemente una Ventilazione Meccanica Controllata a portata fissa (EP 30 kWh/m²) e diminuisce ancora di più con recupero di calore al 50% (EP 25 KWh/m²) o con recupero di calore al 90% (EP 10 KWh/m²). Con questi dati si può constatare come l’utilizzo di sistemi meccanici per il ricambio dell’aria contribuisce notevolmente al contenimento delle dispersioni termiche dovute ai processi di ventilazione, grazie anche all’impiego di ventilatori a basso consumo energetico.

La via maestra per una buona qualità dell’aria è quindi la ventilazione meccanica: infatti a mano a mano che migliora l’isolamento termico degli edifici, il carico termico di ventilazione diventa più importante, soprattutto se il ricambio vuole rispettare le norme più recenti, e solo la ventilazione controllata permette anche un considerevole recupero energetico.

La ventilazione meccanica controllata quindi aiuta a risparmiare e ci fa vivere in un ambiente più confortevole: ricambia l’aria in funzione dell'utenza di ogni ambiente, diluisce gli inquinanti che produciamo in casa come odori, umidità eccessiva, evita sbalzi termici fastidiosi e dannosi causati dall’apertura delle finestre ed evita rumori molesti in casa dovuti sempre all’apertura delle finestre.

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Riassumendo, l'importanza della ventilazione meccanica controllata è dovuta principalmente a due fattori:

 il primo è dovuto alle nuove esigenze abitative: i nuovi edifici raggiungono prestazioni elevate di isolamento termico, riduzione di ponti termici ed infissi ad alte prestazioni con totale eliminazione delle fessure; la chiusura ermetica degli edifici comporta la realizzazione di edifici a bassissime dispersioni, ma una riduzione del naturale ricambio d'aria necessario per ottenere sia una buona qualità dell'aria interna che comfort termico.

In questo modo l'umidità prodotta dagli utenti dell'edificio e dagli apparecchi presenti determinano la formazione di umidità con il rischio di fenomeni di condensazione superficiale nelle pareti e rischio di proliferazione di virus, batteri, muffe e funghi. Inoltre si deve controllare che la concentrazione di anidride carbonica (CO2) non superi livelli che, in mancanza di sufficiente ricambio d'aria, provochino disturbi fisici.  il secondo fattore è legato all'inquinamento atmosferico determinato da materiali usati durante la realizzazione dell'edificio come colle, vernici, solventi, etc.; sostanze prodotte dai sistemi di riscaldamento come il monossido di carbonio o dovute a perdite di impianti come metano, gpl; sostanze nocive o tossiche derivanti dagli ambienti esterni come lo smog in zone di traffico urbano o gas radon provenienti dal sottosuolo.

In particolare per contenere gli ambienti a livelli accettabili di vapore e anidride carbonica (CO2), è opportuno provvedere ad un ricambio d’aria il cui valore ottimale è stato stimato a 0,5 volte il volume della stanza per ogni ora (valore minimo imposto dalla legge, ora ridotto a 0,3 vol/h in quanto si ritiene sufficiente per le case a basso consumo). Ma tale valore è solo convenzionale ai fini dell’individuazione di un fabbisogno energetico.

Anziché fare riferimento al volume, per tutti gli altri edifici, ad ogni persona deve essere garantito, in funzione della destinazione d'uso dell'edificio, dei locali interni e del livello di affollamento degli stessi, un ricambio d’aria valutato secondo la norma UNI 10339/1995. È noto che il ricambio d’aria comporta un’inevitabile dispersione termica e quando avviene in modo incontrollato attraverso l’apertura delle finestre, può incidere notevolmente sulla dispersione globale dell’involucro e quindi può compromettere l’obbiettivo di raggiungere elevate classi energetiche (passiva, A, B).

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Il metodo di calcolo della dispersione per ventilazione è descritto nella UNI EN ISO 13790/2008 e ripreso dalla recente UNI/TS 11300-1.

In particolare la formula per il calcolo della dispersione per ventilazione è la seguente: Qv = Σ Hvk (Ti – Ts) t

dove:

Hvk = coefficiente di dispersione termica per ventilazione [W/K] e dipende dal calore e peso specifico dell’aria e dalla portata d’aria di rinnovo in m3/h

Ti = temperatura di progetto dell’ambiente riscaldato [°C]

Ts = temperatura di immissione del flusso d’aria entrante nell’edificio per ventilazione o per infiltrazione[°C]

t = durata del periodo (mese) considerato

Per limitare le dispersioni non bisogna ridurre i ricambi d’aria perché comprometterebbe la salute di chi ci abita, ma gestire le portate d’aria in modo intelligente.

7.2.2. Tipi di impianto VMC

La ventilazione meccanica controllata è una scelta impiantistica che ha senso soltanto se applicata a edifici ben coibentati e a basso consumo energetico.

I sistemi di VMC sono tecnologie che permettono la ventilazione continuativa delle residenze “controllando” le portate d’aria di rinnovo secondo le esigenze determinate in fase di progetto. Essi si basano sostanzialmente sul concetto di ridurre quanto più possibile lo sviluppo delle reti aerauliche o di realizzarle con sistemi di economica installazione, quali i canali rigidi o flessibili di piccolo diametro.

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Figura 7.7 - Esempio di un sistema di ventilazione meccanica controllata con scambiatore di calore

Seppure le si possa attribuire anche qualche svantaggio, la ventilazione controllata ha notevoli vantaggi:

 Soddisfano le seguenti esigenze:

 garantiscono portate d' aria di immissione/estrazione, in quantità prestabilite;  garantiscono possibilità di variare tali portate dell’aria in funzione delle

condizioni ambiente (aumento o diminuzione dell’umidità ambiente, presenza o meno delle persone, ecc.);

 garantiscono possibilità di filtrazione dell’aria (nei sistemi a doppio flusso);  garantiscono possibilità di recupero del calore sull’aria espulsa (nei sistemi a

doppio flusso).

 Risparmio energetico: è valutato fino al 70% del fabbisogno complessivo per il riscaldamento grazie allo scambio termico tra l’aria calda aspirata all’interno dei locali e quella immessa proveniente dall’esterno, che può essere preventivamente riscaldata a circa 15° con un sistema geotermico a sonda oppure orizzontale costituito da apposite tubazioni interrate ad una profondità di almeno mt. 1,50; una pompa di calore o una resistenza può ulteriormente riscaldare l’aria consentendo, in alcuni casi, di provvedere al riscaldamento senza costruire un impianto dedicato.

252

 Comfort igienico: Il ricambio d’aria ottimale, con particolare riferimento alle residenze, è pari a 0,5 volumi ora; ciò vuol dire che ogni due ore si dovrebbero aprire le finestre per circa 10-15 minuti cosa che generalmente nessuno fa per assenza durante gli orari lavorativi o di notte col conseguente “appesantimento” dell’aria. Con la ventilazione controllata l’aria all’interno dei locali viene costantemente rinnovata con aria fresca filtrata con la possibilità di usare anche filtri antipolline; il regolare ricambio dell’aria evita il formarsi di muffe e di aria esausta all’interno degli ambienti, mantenendo livelli ottimali di concentrazione della CO2 prodotta dal metabolismo umano e dalla sudorazione.

 Comfort acustico: Con l’impianto di ventilazione funzionante non è necessario aprire le finestre, cosa particolarmente importante in zone rumorose per contenere il disagio provocato dai rumori provenienti dall’esterno.

 Comfort estivo per il raffrescamento dell'aria: Il surriscaldamento estivo andrebbe limitato con metodi passivi prevedendo masse di accumulo (pareti, solai) con elevata inerzia termica ed ombreggiamenti con sistemi specifici o con aggetti opportunamente collocati e dimensionati.

Lo svantaggio della ventilazione controllata è costituito dai costi iniziali per la costruzione dell’impianto e da quelli di gestione costituiti dal consumo di energia elettrica per il funzionamento dei ventilatori, dalla manutenzione con la pulizia e sostituzione periodica dei filtri e con la pulizia dello scambiatore geotermico.

Le due principali tipologie di impianti di ventilazione meccanica controllata sono:

 gli impianti a un flusso, sia nella versione autoregolabile sia in quella igroregolabile, sono pensati per svolgere unicamente il lavoro di ricambio aria, ma non hanno alcuna funzione di risparmio energetico;

 gli impianti a doppio flusso, caratterizzati da una maggiore complessità tecnica, oltre che al semplice ricircolo e trattamento dell'aria, contribuiscono anche al risparmio energetico grazie alla possibilità di recuperare il calore dall'aria in uscita.

7.2.2.1. Impianto di ventilazione meccanica a flusso semplice

Tra tutti i sistemi di ventilazione meccanica, quelli a un flusso o a flusso semplice rappresentano la tipologia impiantistica più economica e di facile realizzazione. Il principio di

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funzionamento consiste nell'immissione di aria "nuova" prelevata dall'esterno e nella contemporanea estrazione dell'aria esausta, che viene espulsa all'esterno dell'edificio.

L'obiettivo è quello di assicurare un ricambio d'aria ottimale all'interno degli edifici, limitando al contempo le perdite di calore e la formazione di correnti d'aria.

Questi sistemi possono essere del tipo a portata fissa oppure a portata variabile del tipo “igroregolabile”. In questo secondo caso, appositi sensori di UR interna inseriti nei dispositivi di immissione e di estrazione fanno sì che il sistema si autoregoli variando la portata di ventilazione in base al tasso di UR interna.

VMC a flusso semplice autoregolabile per estrazione a portata fissa

Nei sistemi a semplice flusso l’immissione dell’aria nuova avviene tramite dispositivi chiamati “ingressi aria” installati ad infisso o a cassonetto, mentre l’evacuazione avviene da apposite bocchette collegate alla rete aeraulica di estrazione per effetto della depressione creata dal ventilatore.

L’afflusso di aria esterna avviene attraverso bocchette, disposte sulle pareti esterne o sui serramenti dei locali principali degli edifici e sono dotati di membrane deformabili che mantengono constante la portata dell'aria (membrane in PVC deformabili che modificano per depressione la sezione di passaggio). Per questa ragione si parla di ventilazione autoregolabile.

L'aria in ingresso transita all'interno dell'edificio e, per differenza di pressione, si dirige verso le bocchette di aspirazione poste di norma ad altezza soffitto, in locali che si trovano all'estremità opposta rispetto agli ingressi aria. È prassi comune installare le bocchette di estrazione nei locali di servizio (come bagni e cucine), che sono le stanze in cui vengono prodotti e ristagnano la maggior parte dell'umidità e dei cattivi odori.

Il sistema è costituito da un piccolo elettroventilatore di estrazione dell’aria collegato mediante

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Figura 7.8 - Schema di un impianto a semplice flusso autoregolabile per estrazione

È indispensabile prevedere nelle porte e/o nelle pareti interne delle griglie che assicurino in ogni caso una buona circolazione del flusso d'aria.

Le griglie devono essere dimensionate affinché l'aria in transito non superi la velocità di 1 m/s per non ridurre il comfort ambientale.

All'interno del canale di estrazione dell'aria si trova un ventilatore elettrico che, aspirando aria, crea una depressione all'interno della stanza assicurando un funzionamento costante del meccanismo di ventilazione. I consumi elettrici dei ventilatori utilizzati in edifici monofamiliari sono estremamente bassi (le potenze vanno normalmente dai 25 W ai 40 W), paragonabili a quelli di una lampadina a risparmio energetico. È da considerare inoltre che, secondo alcune stime, il costo di un impianto di ventilazione meccanica a un flusso varia tra lo 0,25% e l'1,2% del costo complessivo di un edificio.

VMC a flusso semplice igroregolabile per estrazione a portata variabile

Il principio di funzionamento è praticamente identico a quello precedentemente descritto. Cambia solo la tipologia delle bocchette che sono munite di dispositivo sensibile all’umidità

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relativa dell’ambiente: se l’umidità tende a scendere il dispositivo limita la portata d’aria, mantenendone comunque un valore minimo.

Ricordiamo che l'umidità relativa (UR) si misura in percentuale ed è il rapporto tra la quantità di vapore acqueo contenuto in una massa d'aria e la quantità massima di vapore acqueo che la stessa massa d'aria riesce a contenere nelle stesse condizioni di temperatura e pressione (saturazione).

Con questo sistema si economizza la spesa energetica per la ventilazione pur salvaguardando la qualità dell’aria, poiché l’umidità relativa ambientale può essere considerata come un indicatore indiretto della presenza delle persone: l’ingresso delle persone negli ambienti comporta in maniera sufficientemente rapida il ripristino della portata “nominale” della bocchetta. L’estrazione dell’aria avviene anch’essa attraverso bocchette igroregolabili.

Figura 7.9 - Schema di un impianto a semplice flusso igroregolabile per estrazione

Tale soluzione rappresenta l’evoluzione dei sistemi a semplice flusso in termini di qualità dell’aria, di risparmio energetico, di benessere. L’aria prelevata all’esterno è preventivamente filtrata prima di essere immessa in ambiente, ed il recuperatore di calore a flusso incrociato di tipo statico assicura il preriscaldamento dell’aria di rinnovo in regime invernale.

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7.2.2.2. Impianto di ventilazione meccanica a doppio flusso

Un impianto a doppio flusso provvede meccanicamente sia alla mandata che alla ripresa dell’aria in ambiente e prevede un doppio impianto di ventilazione formato da canali di distribuzione separati. Un condotto controlla e regola l'immissione dell'aria, mentre l'altro è dedicato all'aria in estrazione.

L’aria di rinnovo viene spinta da un ventilatore lungo la canalizzazione e viene distribuita in ambiente da diffusori. I flussi d’aria immessa ed estratta sono coordinati da un sistema di regolazione.

Gli impianti a doppio flusso presentano diversi vantaggi rispetto agli impianti di ventilazione a un flusso. Infatti hanno non soltanto la funzione di garantire il ricambio d'aria, ma possono trattare l'aria esterna - filtrandola, riscaldandola o raffreddandola - a seconda delle necessità. Con sistemi a doppio flusso infine è possibile anche il recupero energetico dall’aria di espulsione attraverso i recuperatori di calore.

La soluzione a doppio flusso consente anche il controllo delle portate d’aria per singole zone, installando bocchette di estrazione del tipo autoregolante. In questo caso l’afflusso d’aria avviene tramite un ventilatore e una limitata rete di canali di piccolo diametro con relative bocchette di immissione; l’estrazione dell’aria avviene come nei casi precedenti.

VMC a doppio flusso con recupero di calore

Gli impianti a doppio flusso vengono scelti soprattutto per la loro capacità di recuperare il calore dall'aria esausta.

Pensiamo ad un edificio ben riscaldato e coibentato in modo efficiente: la continua estrazione di aria calda dall'ambiente interno potrebbe causare un aumento dei consumi per il riscaldamento. Il recupero del calore viene effettuato proprio per poter usufruire di tutti i vantaggi della ventilazione (ricambio d'aria, salubrità degli ambienti, ecc.), mantenendo elevate le prestazioni energetiche dell'edificio.

I due diversi canali dell'aria, in entrata e in uscita, vengono fatti confluire in uno scambiatore di calore aria-aria (conosciuto anche come "recuperatore di calore") , dove l'aria esausta (più calda) trasferisce parte del proprio calore all'aria in ingresso, riscaldandola.

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Figura 7.10 - Schema di un impianto di ventilazione meccanica a doppio flusso con recuperatore di calore

Affinché il sistema sia sostenibile, il rendimento dello scambiatore di calore deve essere del 60-75%, in questo modo il recupero di calore limita al minimo le dispersioni termiche causate dalla ventilazione.

Un semplice esempio: ipotizziamo che nello scambiatore di calore si incrocino l'aria esausta, a una temperatura di 20 °C, e l'aria prelevata dall'esterno, a una temperatura di 0 °C. Uno scambiatore di calore con efficienza del 75% trasferirà ben 15 °C all'aria in ingresso, mentre quella espulsa avrà una temperatura di 5 °C.

L'efficienza di uno scambiatore di calore è definita, in linea generale, come il rapporto tra il flusso termico scambiato tra le due correnti fluide ed il massimo flusso termico scambiabile tra le medesime (in uno scambiatore avente superficie infinita) a parità di temperature di ingresso dei due fluidi.

La sua espressione, secondo la norma ASHRAE Standard '84, è:

η = [Wi (Xiu - Xii)] / [Wmin (Xei - Xii)] = / [We (Xei - Xeu)] / [Wmin (Xei - Xii)] dove:

η = efficienza sensibile, latente o totale di riscaldamento Xii = temperatura o umidità o entalpia di ingresso immissione Xiu = temperatura o umidità o entalpia di uscita immissione

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Xei = temperatura o umidità o entalpia di ingresso espulsione Xeu = temperatura o umidità o entalpia di uscita espulsione Wi = portata di immissione in peso

We = portata di espulsione in peso Wmin = la minore tra Wi e We

(In caso di efficienza di temperatura le portate andranno moltiplicate per il calore specifico)

L'efficienza di un recuperatore di calore dipende quindi dal rapporto delle portate d'aria dei due flussi. Nella pratica corrente è usuale avere una portata d'aria immessa Wi leggermente superiore a quella estratta We, che diventa pertanto Wmin, e il rapporto delle portate dell'equazione sopra scritta risulta superiore a 1.

La macchina è costituita principalmente dai seguenti componenti:

 Involucro: oltre ad avere la funzione di alloggiare i vari componenti della macchina provvede ad isolare acusticamente la stessa: può essere realizzato in lamiera zincata, lamiera plastofilmata, in semplice o doppia pannellatura o materiali plastici. All’interno può essere applicato un isolante acustico al fine di diminuire la rumorosità irraggiata.

 Ventilatori: impongono il movimento all’aria: sono presenti un ventilatore di immissione (flusso dall’esterno del locale verso l’interno) ed un ventilatore di espulsione (flusso dall’interno del locale verso l’esterno).

 Scambiatore di calore: è il cuore del recuperatore, dove avviene lo scambio termico tra i flussi di immissione e di espulsione. Esistono varie tipologie di pacco di scambio.

 Filtri: all’interno della macchina sono solitamente inseriti dei filtri che hanno lo scopo di proteggere i motori dei ventilatori da eventuale pulviscolo, ma soprattutto di filtrare l’aria sia immessa che espulsa.

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Normalmente il movimento dell'aria avviene a flusso incrociato ed il rendimento ha valori compresi tra il 40 ed il 70%. Sono disponibili anche modelli a flusso controcorrente con rendimenti che vanno oltre l'80% a fronte di un relativo maggior costo dell’unità.

Figura 7.11 - Tipologie di scambiatori di calore a piastra. A flussi incrociati (a sinistra) e controcorrente (a destra)

L'installazione dello scambiatore deve avvenire all'interno dell'edificio, in un locale coibentato e non sottoposto a eccessivi sbalzi termici.

Sono reperibili sul mercato alcune tipologie molto particolari di recuperatori di calore. Si tratta di apparecchi monoblocco della dimensione di un frigorifero, che gestiscono il recupero di calore, la ventilazione e anche la produzione di acqua calda, grazie alla presenza di uno scambiatore aria-acqua.

Un sistema molto simile prevede l'utilizzo di una pompa di calore, che recupera il calore dell'aria in transito e può anch'esso riscaldare l'acqua calda sanitaria. In entrambi i casi, i sistemi risultano facilmente integrabili con pannelli solari termici.

Un ulteriore miglioramento delle prestazioni si può ottenere associando, al sistema di ventilazione, uno scambiatore di calore interrato (da non confondere con lo scambiatore aria-aria sopra descritto).

7.2.3. Principio di funzionamento di uno scambiatore di calore geotermico aria-suolo Lo scambiatore interrato non è nient'altro che un insieme di tubi posati ad una profondità di almeno 100-200 cm, tale da assicurare una temperatura del terreno relativamente stabile nel corso dell'anno.

Questo sistema serve soprattutto come climatizzatore naturale e utilizza l'inerzia termica del suolo per pretrattare l'aria che ventila i fabbricati. L'aria così ottenuta è "migliore": più calda

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in inverno e più fresca in estate; infatti la temperatura del suolo a 2 m di profondità è di circa 15°C d'estate e 10°C d'inverno.

L'aria prelevata dall'esterno, ancora prima di arrivare allo scambiatore di calore aria-aria e al sistema di ventilazione interno all'edificio, scorre attraverso i tubi con il risultato di riscaldarsi in inverno (ad esempio da 0 °C a 6 °C) e raffreddarsi in estate (ad esempio da 30 °C a 25 °C). In altre parole, lo scambiatore interrato durante la stagione fredda contribuisce a preriscaldare l'aria in ingresso, diminuendo le perdite di calore causate dall'impianto di ventilazione. Analogamente, in estate raffredda l'aria calda prelevata dall'esterno, contribuendo così al comfort termico.

Il pozzo canadese è un complemento perfetto per la VMC a doppio flusso termodinamico, soprattutto nelle aree che presentano forti escursioni termiche (zone di montagna molte fredde, o zone molto calde). Quest’ultimo ha la capacità di "smussare" i picchi di temperatura a seconda della stagione.

In altre parole, in inverno l'aria fredda, con temperature prossime o inferiori agli 0°C, viene immessa nel sistema geotermico attraverso la torre di captazione e, assorbendo calore dal terreno, viene pre-riscaldata prima dell'ingresso nel sistema di ventilazione dell'edificio. In questo modo, attraverso il naturale scambio termico con il terreno, si ha un vantaggioso recupero energetico limitando da una parte il rischio di congelamento dello scambiatore associato al gruppo di ventilazione e dall'altra, soprattutto in presenza di climi molto rigidi, un pre-riscaldamento dell'aria in ingresso.

In pratica lo scambiatore non dovrà mettere in funzione i cicli di de-frost (ossia il ventilatore dell'aria in uscita non dovrà rallentare la sua velocità per permettere all'aria calda proveniente dall'interno dell'edificio di cedere una quota del suo calore per riscaldare lo scambiatore stesso) e la sua efficienza rimarrà massima.

Inoltre si avrà un risparmio in termini di consumi energetici e di emissioni di gas serra da parte dell'impianto di riscaldamento, che dovrà compensare una differenza di temperatura inferiore per raggiungere la temperatura di "set point" dell'impianto, rappresentante le ottimali condizioni ambientali interne fissate da progetto.

Per ottenere il massimo risparmio energetico, risulta fondamentale abbinare il pozzo canadese ad un sistema di ventilazione meccanica controllata a doppio flusso con recuperatore di calore; in modo che, l'aria proveniente dalle condotte passanti nel sottosuolo, può essere ulteriormente riscaldata nel passaggio dallo scambiatore termico aria/aria ad alta efficienza

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(75-90 %) del sistema VMC, dove si recupera calore dal flusso di aria calda di estrazione dall'edificio.

Il recupero geotermico si traduce quindi non solo in un guadagno energetico con il pre-riscaldamento dell'aria di immissione ma anche in migliori prestazioni dello scambiatore che si trova ad avere temperature superiori dell'aria in ingresso.

Il riscaldamento geotermico è tanto più efficiente quanto minore è la temperatura esterna.

In estate invece la temperatura dell'aria in ingresso è di circa 30°C e si possono arrivare a valori di uscita dal sistema di captazione geotermico addirittura prossimi ai 20°C.

L'aria estiva, calda e con un tasso di umidità relativa elevato, nell'attraversare il sistema geotermico, venendo a contatto con le pareti interne delle condotte, è possibile che raggiunga temperature al di sotto della proprio temperatura di rugiada, condizione per cui la miscela aria vapore diventa satura e condensa, producendo goccioline d'acqua che saranno poi evacuate dalla condotta attraverso un sistema di smaltimento appositamente progettato. In questo modo, oltre che trattare l'aria da un punto di vista termico, si riesce ad ottenere anche una parziale deumidificazione.

Nel caso estivo il pozzo canadese richiede che lo scambiatore di calore, usato dal sistema di ventilazione a doppio flusso, consenta di essere by-passato in modo che il flusso di ingresso non sia riscaldato da quello in uscita dagli ambienti, contrariamente a quanto avviene nel caso invernale.

In condizioni climatiche estive non troppo avverse (temperatura e umidità elevate), e in edifici passivi dotati di un elevato isolamento a elevata inerzia termica dell'involucro, questo sistema può riuscire ad ottenere delle condizioni ottimali di comfort interno senza l'impiego di alcun impianto di condizionamento; inoltre non diminuisce eccessivamente l'umidità relativa media dell'aria, evitando i classici problemi derivanti dalla presenza di aria eccessivamente secca (irritazione delle membrane mucose, secchezza della pelle, mal di testa, naso chiuso).

Questa tecnologia consuma dieci volte meno rispetto a un impianto ad aria condizionata, non utilizza refrigeranti o compressori, ha costi di manutenzione molto inferiori e una durata nel tempo elevata.

Durante le stagioni intermedie tra estate e inverno, o comunque in tutti i casi in cui le condizioni climatiche esterne sono prossime alle condizioni identificate come di comfort per gli ambienti interni (in genere per intervalli di temperatura compresi tra i 18° e i 24°C), un

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sensore di temperatura posto all'esterno dell'edificio attiva un by-pass che permette di eliminare il passaggio attraverso il pozzo canadese, andando a prelevare l'aria di rinnovo direttamente dall'esterno.

In questo modo si evita che il passaggio attraverso l'impianto geotermico possa portare a temperature dell'aria non ottimali (in genere troppo fredde), andando eventualmente a miscelare nel tempo l'aria prelevata dai due possibili sistemi di captazione.

Il controllo del sistema può funzionare sia a termostato automatico che in modalità automatica.

7.2.4. Dimensionamento di uno scambiatore aria-suolo

Il dimensionamento tecnico parte dall'analisi dell'andamento della temperatura nel sottosuolo. L'andamento della temperatura del terreno TG in funzione del tempo t e della profondità x può essere descritto, come abbiamo già visto nel paragrafo 5.1.2, mediante la seguente relazione:

TG = T0 + A e-γχ sen(ωt - γx)

dove

A : è l’ampiezza della variazione della temperatura superficiale nel periodo considerato T0 : è il valore medio della variazione di temperatura avente ampiezza A [°C]

ω = 2π/t0 : è la pulsazione della variazione descritta di periodo t0 [rad/s]. γ = = è la costante di smorzamento con:

τ0 : periodo dell'oscillazione [s]

ω = 2π/t0 : pulsazione dell'oscillazione [rad/s] a = λ/(ρc) : diffusività termica del terreno [m2

/s] ρ : densità [Kg/m3

]

c : calore specifico [KJ/(Kg*K)] e-γχ è il fattore di smorzamento.

263

In definitiva l'andamento della temperatura del sottosuolo avrà un grafico del tipo:

Figura 7.12 - DIN 1946 - andamento della temperatura a varie profondità del sottosuolo nei 12 mesi

Il grafico sopra riportato è contemplato anche nella norma europea UNI EN 15241/2008, che tratta del condizionamento tramite uso di pompe di calore che sfruttano l'energia geotermica.

Nella stessa normativa, in appendice A, si trova la formula che ci permette di calcolare la temperatura di uscita dell'aria di un condotto interrato. Di norma sarà:

Tout = TG - (TG - Tin) *

dove

Tout : temperatura di uscita dal condotto [°C] TG : temperatura del terreno [°C]

Tin : temperatura di ingresso nel condotto [°C] As : superficie di scambio termico del condotto [m2] m : portata di massa dell'aria [kg/s]

cp : calore specifico a pressione costante dell'aria [kJ/(kg∙K)] Ud : conduttanza del condotto esplicabile come Ud =

[W/(m2 ∙°C)]

con

kd :conduttività del terreno [W/(m∙K)]

hi : coefficiente di convezione tra aria e condotto [W/(m2∙K)] re, ri : raggio esterno e raggio interno del condotto [m]

264

Invece il flusso di calore dalla terra all'aria è:

Q = As ∙ Ud ∙ [TG - (TG + Tout)/2]

e il coefficiente di convezione interno (supporto uniforme) viene ricavato dalla normativa secondo la seguente formula:

hi = [4,13 + 0,23 ∙ (Tm /100) - 0,0077 ∙ (Tm /100)2] (Tm /100) (v0 0,75/di 0,25) dove:

Tm : valore medio della temperatura in ingresso ed in uscita [°C] v0 : velocità dell'aria [m/s]

di : diametro interno del condotto [m]

Per evitare iterazioni si può sostituire a Tm il valore Tin nel calcolo di hi, senza compromettere la validità della formula per il calcolo di Tout.

La temperatura del terreno TG, funzione della profondità x, si può calcolare con la formula: TG = gm ∙ {TAM - H ∙ ΔTa ∙ sen[(2π/8760) ∙ (J - S + 25∙25)]}

dove

J : tempo trascorso, in ore, dall'inizio dell'anno all'istante attuale in cui si desidera calcolare la temperatura [ore]

TAM : temperatura media annuale [°C] ΔTa : semiescursione termica annuale [°C]

Nell'equazione si tiene conto della composizione del terreno attraverso il fattore gm (ground

material factor); la temperatura TG viene fatta derivare dalla sinusoide rappresentante l'andamento annuale della temperatura ambientale esterna, corretta da un fattore che ne riduce l'ampiezza:

H = 0,000335 ∙ x3 + 0,01381 ∙ x2 - 0,1993 ∙ z +1 (dove x è la profondità di posa delle tubazioni)

e viene corretta anche da un fattore che causa lo scorrimento della sinusoide stessa, che tiene conto dell'inerzia termica del terreno:

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Nella tabella seguente sono riportati i valori di gm suggeriti dalla norma UNI EN 15241/2008: Tipo di suolo Conduttività

termica [W/(m·K)]: Densità [kg/m3] Calore specifico [J/(kg∙K)] Fattore gm Terreno umido 1,50 1400 1400 1,00 Sabbia asciutta 0,70 1500 920 0,90 Sabbia umida 1,88 1500 1200 0,98 Argilla umida 1,45 1800 1340 1,04

Tabella 7.4 - Valori di conduttività termica, densità di massa, calore specifico e fattore gm in funzione del tipo di

terreno (UNI EN 15241/2008)

7.2.5. Applicazioni di impianti VMC e pozzo canadese in edifici scolastici

7.2.5.1. Scuola materna Santa Cecilia a Colfosco, Treviso (fonte Aldes Italia)

L’asilo è stato inaugurato nel 1952 a Colfosco, in provincia di Treviso, e in occasione del 50° anniversario è partito un progetto di ampliamento e ristrutturazione dell’edificio, al fine di aprire una nuova sezione ed adeguare la struttura alle normative vigenti.

Nelle opere di adeguamento è stato installato un sistema di ventilazione meccanica controllata a doppio flusso con recupero di calore, al fine di garantire una migliore qualità dell’aria e della vita delle persone e conforme ai requisiti della UNI EN 15251/2008, che stabilisce “i

criteri per la progettazione dell’ambiente interno e per la valutazione della prestazione energetica degli edifici, in relazione alla qualità dell’aria interna, all’ambiente termico, all’illuminazione ed all’acustica.”

Questa tecnologia, realizzata dalla ditta Aldes, elimina gli agenti inquinanti nell’ambiente, consente di preservare la Scuola per l’infanzia Santa Cecilia dal degrado dovuto all’umidità, favorisce un elevato risparmio energetico, evitando la dispersione del calore e pericolosi sbalzi termici, causati dall’apertura delle finestre.

Il sistema a doppio flusso permette, infatti, il recupero di circa il 70% del calore dell'aria estratta, che viene poi impiegato per riscaldare l'aria immessa, consentendo un risparmio sui costi di riscaldamento.

Si ottiene inoltre un ricambio d'aria continuo e costante, aumentando i volumi dell'aria di rinnovo immessa nelle aule e l'estrazione di aria inquinata da mense, bagno e spogliatoi, con un sistema autoregolabile.

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Figura 7.13 - Condotti della ventilazione meccanica controllata all'interno della scuola

L’entrata in funzione della rete di condotti dell’aria, che prevede la purificazione dell’aria tramite appositi filtri, ha reso l’ambiente scolastico più confortevole ed igienico. Infatti, nel corso dell’anno scolastico 2008/2009 sono drasticamente diminuite, rispetto alla media del Nord-est del 27,29%, le assenze per influenza e contagi da malattie esantematiche, con riflessi più che positivi, in merito alla diminuzione di richieste di permessi lavorativi per la cura dei figli.

Il sistema scelto è risultato anche particolarmente idoneo ad assicurare il rispetto delle linee guida sulle certificazioni energetiche degli edifici (DL 311/06).

Nel dettaglio, l’impianto con due flussi prevede il recupero dell’energia contenuta nell’aria espulsa, nella misura del 70%, che viene utilizzata per riscaldare l’aria che sarà immessa nell’ambiente, assicurando una sensibile riduzione dei costi di riscaldamento. Inoltre, la soluzione permette un’aerazione uniforme e costante dei locali, aumentando i volumi dell’aria di rinnovo in aule e sale comuni e l’estrazione dell’aria inquinata da bagni, spogliatoi e mense, con un sistema autoregolabile.

Questo progetto rientra perfettamente nella filosofia perseguita dalla Direzione Scolastica dell’Istituto, da sempre orientata ad assicurare ai bambini un ambiente accogliente e stimolante, dotato di stanze ampie e decorate, ben illuminate ed in grado di offrire il massimo comfort.

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In un articolo reperito sul web, la Direttrice della Scuola materna osserva: “Da quando è stato installato questo nuovo sistema di ventilazione, ci siamo accorti subito di respirare un’aria più fresca e pulita. Inoltre, l’impianto è molto flessibile perché ci consente di metterlo in funzione e spegnerlo, a seconda delle nostre esigenze, in modo davvero semplice.”6

7.3. Soluzione impiantistica VMC adottata per la scuola d'infanzia in

progetto

La scuola d'infanzia in progetto sarà dotata di un sistema di ventilazione meccanica controllata del tipo a doppio flusso con recuperatore di calore aria-aria.

Al fine di garantire all'edificio la massima sostenibilità ambientale in termini di consumi energetici, l'impianto sarà inoltre dotato di un sistema di accoppiamento con il terreno, in modo da sfruttare tutti i benefici visti per lo scambio geotermico aria-suolo.

Il sistema VMC sarà la principale strategia di ricambio dell'aria per la scuola; tuttavia valgono le considerazioni fatte al paragrafo 3.7.4 relative all'esigenza e al vantaggio di poter adottare, in alternativa alla ventilazione meccanica e grazie ad una adeguata conformazione architettonica dell'edificio, un sistema di raffrescamento tramite ventilazione naturale.

7.3.1. Ventilazione Meccanica Controllata

La distribuzione dell'aria all'interno dei locali avverrà attraverso un sistema di condotte terminanti con un sistema di fan coil da incasso a pavimento e organizzate secondo due circuiti, uno di estrazione e uno di immissione, interagenti mediante il recuperatore aria-aria (operante secondo i principi di funzionamento illustrati al paragrafo 6.2.2.2.).

Le bocchette di estrazione saranno predisposte negli ambienti in cui l'aria è più viziata, come la zona cucina e i servizi igienici, distribuiti all'interno di ciascuna sezione e nelle altre zone dell'edificio, oltre che nel corridoio.

Quelle di immissione invece forniranno aria nuova agli ambienti più importanti ed affollati. In questo modo si vengono a formare zone e volumi interni in sovrappressione (dove si ha immissione) ed altri in depressione (dove si ha estrazione), in modo da richiamare ed attivare flussi d'aria tra gli ambienti diversi con un miglior ricircolo e movimento dell'aria.

6

268

Il richiamo dell'aria tra ambienti diversi è facilitato dalla presenza di apposite griglie di ventilazione poste nelle porte stesse o nei muri di separazione interni all'edificio, al fine di ottenere un flusso costante dell'aria senza pregiudicare il comfort ambientale.

L'unità di trattamento aria prevista è una macchina ad altissima efficienza energetica, in grado di modulare la portata d'aria necessaria in funzione dell'affollamento, assicurando una riduzione dei consumi energetici e dei costi di gestione.

7.3.2. Scambiatore geotermico aria-suolo

L'impianto di captazione dell'aria di rinnovo dall'esterno, connesso al sistema di ventilazione meccanica, prevede una griglia di condotte interrate che adottano il sistema AWADUKT Thermo prodotto da Rehau.

Figura 7.14 - Schema delle condotte interrate di captazione dell'aria per la ventilazione meccanica controllata dell'edificio scolastico

269

Le condotte sono predisposte secondo uno schema tipo Tichelmann7 posto al di sotto dell'edificio al fine di sfruttare parzialmente lo scavo di fondazione, abbattendo così i costi di realizzazione dell'impianto.

La disposizione delle condotte sotto la struttura dell'edificio è resa possibile dall'elevata resistenza allo schiacciamento delle condotte (aventi classe di rigidezza circonferenziale SN10, ossia 10kN/m2) e per il basso carico dovuto alla struttura sovrastante, dato che la scuola costruita prevede un solo piano.

I tubi sono posti a una profondità di 1,50 m dal piano di campagna, con un totale di 9 condotte circolari in propilene DN250 (diametro 250 mm) di lunghezza pari a 42 m, poste a distanza di 1,00 m l'una dall'altra e raccordate da due condotte di distribuzione DN500 di lunghezza pari a 9 e 17 m, rispettivamente per la condotta di immissione nell'impianto VMC e per quella collegata alla torre di captazione dell'aria.

Per garantire inoltre che il sistema duri nel tempo e che la qualità dell'aria non venga meno con l'invecchiamento della condotta, è necessario garantire che il tubo e le sue giunzioni siano perfettamente a tenuta stagna e adeguatamente resistenti a sopportare i carichi causati dal loro interramento.

Inoltre le pareti interne delle condotte prevedono un trattamento antistatico per facilitare il flusso della condensa e un trattamento antibatterico per limitare la possibilità di proliferazione e crescita di batteri.

Il locale tecnico che ospiterà il sistema di ventilazione meccanica, a cui si allaccia il sistema geotermico, è ricavato in uno spazio al lato del corridoio ed è accessibile dall'esterno.

La torre o camino di aspirazione dell'aria esterna costituisce la presa d'aria del sistema geotermico superficiale.

La maggior parte delle bocchette di aspirazione hanno l'estremità di testata costituita da una serie di alette orientabili e un cappuccio protettivo, per impedire che la pioggia verticale o laterale, condotta dal vento, possa entrare nel collettore. Inoltre è presente una griglia a maglia stretta per impedire a roditori, rettili, insetti ed altri animali di entrare nel collettore e prevede infine una pre-filtrazione, con lo scopo di filtrare l'aria da polline, pulviscolo ed altre sostanze inquinanti.

7

Il sistema Tichelmann è una forma speciale del tubo di installazione nella progettazione di riscaldamento: un impianto a due tubi in cui ogni radiatore sullo stesso piano ha la stessa lunghezza totale della tubazione (mandata + ritorno – misurata dalla pompa attraverso il radiatore e ritorno alla pompa) viene chiamato sistema Tichelmann. Viene comunemente chiamato anche impianto a ritorno inverso.

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Il collettore di aspirazione dovrà avere un'altezza superiore a 1,10 m per ridurre la possibilità di aspirare polveri di qualsiasi natura, che generalmente si concentrano in maniera maggiore fino a 30 cm di altezza, e un diametro compatibile con le portate richieste.

Deve essere inoltre collocato all'aperto nello spazio privato di pertinenza dell'edificio e preferibilmente distaccato da esso; bisogna individuare un luogo lontano da fonti di inquinamento, odori o polveri e possibilmente di difficile accesso a persone o animali.

L'ingresso delle condotte nel locale tecnico avviene attraverso dei fori nei pannelli X-lam. La tenuta delle tubazioni sui pannelli in legno viene garantita dagli o-ring inseriti sul tubo corrugato e quindi innestati nei pannelli stessi attraverso pezzi speciali di attraversamento. Per evitare infiltrazioni è consigliabile sigillare ulteriormente le tubazioni con apposite guaine bituminose o sostanze siliconiche sulla parte esterna della parete.

Il collegamento tra pozzo canadese e sistema VMC avviene all'interno dell'edificio.

Nel sistema di ventilazione meccanica controllata a doppio flusso si hanno due ventilatori, uno per l'estrazione dell'aria esausta e l'altro per l'immissione d'aria nuova, indispensabile per forzare la circolazione dell'aria, che sarà pre-riscaldata in inverno e pre-raffreddata in estate attraverso il pozzo canadese.

I ventilatori sono in genere incassati in un unico cassone avente flange di raccordo alle canalizzazioni e in cui sono contenuti anche i filtri e lo scambiatore di calore a flussi incrociati eventualmente by-passabile.

Attraverso il software di calcolo AWADUKT Thermo Versione 2.0 fornito dalla Rehau si è potuto procedere al dimensionamento di massima dello scambiatore aria-suolo.

I dati di input richiesti dal programma sono:

1. Definizione della zona metereologica relativa all'intervento.

I dati caricati dal programma saranno quelli di riferimento della norma UNI10349/1994, indicanti i valori medi mensili della temperatura media giornaliera dell'aria esterna, secondo il prospetto IV della norma UNI.