Gli impianti HVAC nelle scuole: vantaggi, criticità e possibili soluzioni tecnologiche

Oggi le scuole rappresentano quegli edifici all’interno dei quali avviene la crescita e la formazione degli individui che andranno a formare la società moderna. È importante, quindi che il processo educativo avvenga in modo rigoroso e adeguato all’epoca che stiamo vivendo, e per farlo abbiamo bisogno delle strutture necessarie a garantire gli standard di comfort, luminosità ed efficienza energetica e funzionale. Lo stato degli edifici scolastici, dislocati sul territorio italiano, al momento appare piuttosto lontano dal soddisfare questi standard: le nostre scuole sono ubicate all’interno di edifici obsoleti, costruiti in varie epoche, alcuni dei quali inizialmente nati con altre finalità e poi adattati alle attività scolastiche, il più delle volte, con scarsi risultati.

Ambienti troppo caldi o troppo freddi non aiutano gli studenti durante l’apprendimento, diventa importante quindi, rendere le scuole più efficienti al fine di garantire condizioni microclimatiche uniformi e salubri durante l’intero anno scolastico.

I grandi edifici come le strutture pubbliche che ospitano le scuole infatti, sono caratterizzati da una grande varietà di spazi interni differenti che hanno bisogno quindi, di un articolato sistema impiantistico per il riscaldamento, la ventilazione e il condizionamento dell’aria (sistemi HVAC). Tali impianti sono fondamentali per il controllo della temperatura, dell’umidità e della qualità dell’aria e per garantire un ambiente confortevole e produttivo; allo stesso tempo devono essere progettati in modo tale da non compromettere il comfort acustico e garantire idonea sicurezza antincendio.

LO STATO DI FATTO DELLE SCUOLE ITALIANE 

Secondo l’art. 11 della Legge 11 gennaio 1996, n.23 dal titolo “Norme per l'edilizia scolastica", le strutture edilizie sono un elemento fondamentale ed integrante del sistema scolastico e a queste va assicurato uno sviluppo qualitativo e una collocazione sul territorio adeguati alla costante evoluzione delle dinamiche formative, culturali, economiche e sociali.

Dai dati reperiti dall’Anagrafe dell’edilizia scolastica e dai recenti studi pubblicati da Fondazione Agnelli, ad oggi risultano circa 40.000 edifici scolastici attivi sul territorio nazionale, con un’età media che si aggira intorno ai 52 anni e in due casi su tre tali edifici sono stati costruiti più di 40 anni fa.

Grafico con numero di edifici attivi per periodo di costruzione (Fonte: Anagrafica Edilizia Scolastica)

Molte scuole sono poco sicure (in circa 3000 edifici si riscontrano problemi strutturali), edificate senza alcuna attenzione ai criteri antisismici e utilizzano impianti energivori insufficienti per la climatizzazione adeguata degli spazi interessati. Sempre secondo Fondazione Agnelli, a monte di un investimento cospicuo (circa 200 miliardi di euro per il rinnovo di 40.000 edifici) bastano tre interventi di efficientamento, tra i quali viene citato anche la sostituzione del generatore di calore a combustione, per ottenere dei risparmi economici superiori al 30%. 

La situazione si complica se si volessero implementare tecnologie che oltre al riscaldamento degli ambienti interni riescano a garantire il raffrescamento nei periodi estivi e idonea ventilazione meccanica controllata.

Ed è proprio quest’ultimo caso uno dei tasti dolenti del periodo che stiamo attraversando a causa della pandemia Covid-19. Dai recenti studi pubblicati da Enti e Associazioni del settore sembrerebbe infatti che un’adeguata “diluizione” dell’aria all’interno degli ambienti confinati riesca a limitare le probabilità di un possibile contagio.

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Nelle nostre scuole, molto spesso, tale requisito non viene soddisfatto nonostante i bambini siano considerati dall’OMS soggetti maggiormente a rischio per lo sviluppo di eventuali patologie respiratorie dovute a sostanze inquinanti presenti nell’aria.  

Provando ad uscire dallo schema caldaia – radiatori, è possibile proporre nuovi e più performanti sistemi di climatizzazione in grado di assicurare oltre alle condizioni di temperatura e umidità desiderate anche il controllo della qualità dell’aria negli ambienti interni. A maggior ragione, tutto ciò diventa possibile in occasione di radicali ristrutturazioni o di nuove costruzioni, durante le quali risulta fondamentale saper valutare il sistema impiantistico più idoneo al soddisfacimento di una molteplicità di fattori interdipendenti quali comfort, prestazioni termiche e acustiche, ventilazione e risparmio energetico.

PRINCIPALI CARATTERISTICHE DI UN IMPIANTO HVAC

Un impianto HVAC (Heating, Ventilating and Air Conditioning) è un sistema impiantistico utilizzato sia per il condizionamento (in termini di raffrescamento) degli ambienti, che per il riscaldamento, con particolare attenzione al trattamento dell’aria attraverso il controllo delle sue caratteristiche come ad esempio l’umidità.

Tali sistemi sono formati da un insieme di apparecchiature dedicate in generale al condizionamento dell’aria e assumono un ruolo particolarmente importante dal punto di vista del consumo energetico nel caso di edifici di una certa dimensione. Il riscaldamento, la ventilazione e il condizionamento dell’aria sono ormai diventati servizi primari per la società moderna, che puntano al raggiungimento del comfort termico e di una qualità dell’aria accettabile, garantendo allo stesso tempo che i costi di installazione, operazione e manutenzione siano contenuti

La scelta della tipologia di un impianto HVAC può ricadere tra differenti sistemi: impianti a tutt’aria e impianti misti aria-acqua. Gli impianti a tutt’aria utilizzano solamente l’aria per il controllo degli scambi energetici; gli impianti misti aria-acqua utilizzano come fluidi termovettori sia l’aria che l’acqua per garantire contemporaneamente la ventilazione e il controllo del carico latente e del carico sensibile.

In particolare, gli impianti misti aria-acqua risultano particolarmente idonei nel caso di ristrutturazioni di vecchi edifici perché consentono di ridurre in modo sostanziale l’ingombro dei canali tasto dolente che caratterizza gli impianti a tutt’aria. 

I componenti di un impianto HVAC

I componenti di un impianto HVAC sono

• L’Unità di Trattamento Aria (UTA) è costituita da due ventilatori (mandata e ritorno), batterie per il raffreddamento e il riscaldamento, filtri e limitatori di rumore. Il sistema è collegato ai condotti per la distribuzione dell’aria. Ai fini del riscaldamento o raffrescamento degli ambienti le unità contengono al loro interno delle batterie riscaldate o raffreddate tramite acqua calda o refrigerata fornita da un generatore di calore o da un gruppo frigo. In alternativa possono essere utilizzate anche delle resistenze elettriche. Inoltre, le UTA permettono il controllo delle portate d’aria di rinnovo e di estrazione all’interno dell’edificio. 
• I Ventilatori vengono utilizzati per il trasferire all’aria l’energia necessaria per percorrere un determinato circuito, compensando quindi tutte le perdite di carico incontrate lungo il percorso fino al terminale più sfavorito (terminale più distante). Sono comandati da inverter la cui regolazione viene effettuata da sonde di pressione poste nei canali e possono dunque avere più velocità di funzionamento. Le tre categorie principali di ventilatori sono: - assiali (in cui il flusso d’aria è parallelo all’asse di rotazione); - centrifughi (in cui il percorso dell’aria segue una direzione assiale in entrata e parallela a un piano radiale in uscita); - tangenziali (in cui il percorso dell’aria nella girante è normale rispetto all’asse sia in entrata che in uscita).
• I Condotti vengono utilizzati per la veicolazione dell’aria trattata dall’unità centrale verso le zone climatizzate e viceversa; permette il collegamento con l’esterno per il prelievo dell’aria di rinnovo e l’espulsione dell’aria esausta. All’interno del condotto di mandata deve essere mantenuto un livello minimo di pressione statica per far sì che l’aria possa accedere alle varie zone servite attraverso i terminali di emissione.
• Le Serrande sono dei regolatori con il compito di mantenere il valore assegnato di portata d’aria nei canali. Possono essere a portata costante o variabile. Nel secondo caso la portata d’aria è determinata da una grandezza misurata da un regolatore che generalmente è la temperatura. Le serrande possono essere a sezione rettangolare o circolare. Queste ultime sono le più comuni e sono corredate da una farfalla di chiusura all’interno.
• Gli Umidificatori hanno lo scopo di innalzare l’umidità assoluta dell’aria in ingresso. Per raggiungere tale obiettivo si utilizza un sistema di ugelli che spruzzano acqua nebulizzata umidificando la corrente d’aria. 
• Il Recuperatore è un elemento atto a migliorare le condizioni dell’aria in ingresso dell’unità di trattamento d’aria. Questo effetto viene ottenuto sfruttando l’interazione tra aria di mandata e aria di ritorno. Esistono due tipologie di recuperatori: - Sensibili: i flussi d’aria non vengono mai direttamente a contatto. Questo permette solamente una variazione della temperatura dei flussi d’aria. - Entalpici: si ha parziale miscela tra i due flussi così che lo scambio sia di tipo sensibile e latente.
• I Sistemi di generazione del calore per la produzione di acqua calda o refrigerata comprendono ad esempio: 
  • Gruppi frigoriferi, utilizzati per raffrescare e deumidificare l’aria durante il periodo estivo. Solitamente il salto termico tra fluido uscente ed entrante è di 7-12 °C;
  • Pompe di calore in grado di trasferire energia termica da una sorgente a temperatura più bassa ad una sorgente a temperatura più alta, utilizzando differenti forme di energia, generalmente elettrica;
  • Caldaia a condensazione che genera calore mediante un processo di combustione. Il combustibile solitamente utilizzato è il gas naturale.
• I Sistemi di pompaggio costituiti da una serie di pompe per la distribuzione del fluido termovettore da un punto ad un altro del sistema impiantistico o per mantenere in movimento il fluido all’interno di un circuito.

E ancora: torri evaporative, scambiatori di calore, tubazioni, terminali di emissione (ad esempio ventilconvettori e pannelli radianti), ecc.

Un sistema HVAC quindi è un impianto complesso che permette di avere condizioni di comfort in ambito residenziale e non (ambiente domestico, alberghi, uffici, centri commerciali, edifici pubblici ecc.) o standard di produzione elevati in realtà industriali (fabbricati produttivi, processi chimici, ecc.). È ovvio che un sistema di tale portata è un impianto che rischia di essere molto energivoro, per tale motivo deve essere correttamente dimensionato, realizzato, tarato, ma soprattutto manutenuto.

I vantaggi di utilizzare impianti HVAC

Come già noto, negli ambienti a elevato affollamento, o in generale nei locali dove è alta l’emissione di contaminanti e ovunque la ventilazione naturale non sia in grado di assicurare condizioni interne adeguate in termini di qualità dell’aria, si devono necessariamente adottare impianti di ventilazione in grado di assicurare:

• un afflusso d’aria nuova costante e indipendente dalla ventilazione esterna;
• il controllo dell’intensità e della direzione dell’aria immessa;
• la quantità di portata d’aria necessaria nei vari casi specifici;
• l’interruzione o la modulazione della ventilazione negli orari di chiusura;
• il preriscaldamento dell’aria, evitando agli utenti correnti sgradite;
• la possibilità di eseguire trattamenti aggiuntivi, come filtrazione, umidificazione invernale, raffreddamento e deumidificazione.

I vantaggi sono molteplici ed oltre a garantire condizioni elevate di comfort indoor, una ventilazione controllata aiuta a contrastare la formazione di muffe superficiali grazie al mantenimento dei valori di umidità idonei all’ambiente interessato.

Per risparmiare tra il 15% e il 30% sui costi per l'energia consumata dai sistemi HVAC è possibile utilizzare vari metodi:

• programmare l'impostazione della temperatura in base agli occupanti;
• adattare la potenza di produzione del riscaldamento o del raffreddamento in base alle reali esigenze dell'edificio;
• aumentare la temperatura a un livello confortevole solo quando viene rilevata la presenza di occupanti all’interno degli ambienti;
• adattare il flusso della ventilazione in funzione del livello di inquinamento dell'aria interna;
• recuperare l'energia di riscaldamento o raffreddamento dall'aria estratta.

Tutto ciò concorre inoltre, ad incrementare le prestazioni in termini di efficienza energetica del sistema impiantistico e a limitare le emissioni di CO₂ in atmosfera.

Gli aspetti critici

Gli elementi costruttivi di un sistema HVAC sono soggetti a vari tipi di problematiche:

• Le batterie dell’UTA possono essere soggette ad incrostazioni e corrosioni;
• Nel periodo invernale il settore umidificazione comporta la proliferazione di microrganismi nell’acqua e ad incrostazione degli ugelli;
• Nel periodo estivo la vasca di raccolta dell’acqua di condensa e le batterie stesse possono raccogliere flore microbiche e spore trasportate dall’aria e formare contaminanti batterici;
• Il ventilatore di mandata/ripresa è un ricettacolo di scorie minerali ed organiche;
• L’aria convogliata dai sistemi di ventilazione nelle condotte centralizzate porta con sé detriti, polveri, elementi e prodotti chimici di natura organica ed inorganica;
• i filtri normalmente usati in ambienti confinati di tipo moderato impediscono il passaggio di una grande quantità di elementi “estranei”, ma quelli di dimensione più piccole riescono comunque a passare e vanno a depositarsi all’interno del sistema aeraulico;
• la pericolosità del particolato aero disperso aumenta quando questo entra in contatto con l’acqua sospesa nell’aria (umidità) e possono così proliferare colonie batteriche;
• condotti degradati e serrande non funzionanti correttamente, anziché promuovere il ricambio dell’aria, riciclano aria viziata con conseguente perdita di IAQ.

Tutti questi fattori, se non opportunamente risolti, possono contribuire in parte ad un peggioramento della qualità dell’aria interna ed essere addirittura causa di trasmissione per alcune patologie infettive come il Covid-19. Per ovviare a tale rischio bisogna prestare la dovuta attenzione agli aspetti connessi ad una adeguata e continua manutenzione di tutte le componenti facenti parte del sistema impiantistico.

GLI IMPIANTI HVAC E IL PROBLEMA “COVID-19”

Da recenti pubblicazioni in materia sussiste una connessione tra gli impianti HVAC e la possibile diffusione del virus Covid-19. Sembrerebbe infatti che contaminanti infettivi, immessi in ambiente, possano rimanere sospesi in aria anche per lunghi periodi e che gli impianti HVAC non siano in grado di controllare opportunamente i flussi d’aria per impedire la diffusione di tali microorganismi; al contrario potrebbero addirittura favorire la trasmissione dello specifico agente patogeno. Per limitare tali problematiche sono state pubblicate varie indicazioni e consigli pratici, da parte di Enti e Associazioni di settore (ISS, AICARR, ASHRAE, ecc..), per la riduzione del rischio da contagio negli edifici dotati di impianti HVAC, come possono essere le scuole, quali ad esempio:

1. Favorire il più possibile la ventilazione naturale degli ambienti;
2. Per gli impianti di ventilazione, mantenere attivi l’ingresso e l’estrazione dell’aria h24, 7 giorni su 7 e aumentare la portata di aria esterna;
3. Eliminare totalmente la funzione di ricircolo dell’aria per evitare l’eventuale trasporto di agenti patogeni; 
4. Mantenere il set point dell’umidità relativa al di sopra del 40% al fine di evitare secchezza nelle mucose, naturale barriera ai virus;
5. Per gli impianti di riscaldamento/raffrescamento (es. pompe di calore, fancoil, o termoconvettori), pulire settimanalmente in base alle indicazioni fornite dal produttore, ad impianto fermo, i filtri dell’aria di ricircolo;
6. Pulire le prese e le griglie di ventilazione con panni puliti in microfibra inumiditi con acqua e sapone, oppure con alcool etilico al 75% asciugando successivamente;
7. Garantire un buon ricambio dell’aria anche negli ambienti/spazi dove sono presenti i distributori automatici di bevande calde, acqua e alimenti; 
8. Nel caso di locali senza finestre (es. archivi, spogliatoi, bagni, ecc.), ma dotati di ventilatori/estrattori questi devono essere mantenuti sempre in funzione per ridurre le concentrazioni di patogeni nell’aria.

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