Impianti di climatizzazione: il controllo e la regolazione dei sistemi di diffusione

Scopo degli impianti di climatizzazione è il mantenimento delle condizioni di comfort ideali per gli individui che occupano un determinato ambiente. Comfort che richiede il raggiungimento di determinati valori di temperatura e umidità relativa all’interno dell’ambiente confinato, oltre che il rispetto di un’elevata qualità dell’aria interna (Indoor Air Quality – IAQ). In particolare, il controllo della IAQ è affidato alla ventilazione, la quale, soprattutto in alcune condizioni, non può essere solo di tipo naturale/manuale (si pensi ad esempio ad ambienti produttivi, o particolarmente affollati come cinema, teatri, ospedali). Ecco, quindi, che entrano in gioco i sistemi di ventilazione meccanica, che possono essere integrati con sistemi di climatizzazione. In questo caso, oltre al raggiungimento delle caratteristiche fisiche sopra elencate, le quali, sebbene fondamentali, non sono sufficienti per garantire il comfort ambientale, ci si deve anche occupare della corretta scelta/progettazione del sistema di emissione/diffusione dell’aria, valutando attentamente molti fattori:

• le fonti di calore, di eventuali sorgenti inquinanti, le persone e gli arredi presenti all’interno del locale e la loro posizione, le quali influenzano la scelta e il posizionamento delle bocchette di diffusione;

• le portate d’aria da distribuire;

• la velocità dell’aria;

• la differenza tra la temperatura dell’aria di mandata e la temperatura media ambiente;

• la tipologia e la dimensione dei terminali di emissione/diffusione;

• l’efficienza dei sistemi di filtrazione dell’aria;

• il livello di rumorosità dell’impianto.

Si capisce quindi come sia impossibile fornire criteri di scelta con valenza generale, ma va approfondito il singolo caso in esame. 

Impianti a diffusione: tipologie e caratteristiche

La distribuzione dell’aria in ambiente tramite gli impianti a diffusione può avvenire secondo due principali modalità: per miscelazione e per dislocamento, i quali devono entrambi garantire la perfetta distribuzione dell’aria all’interno dell’ambiente, ed evitare che si creino situazioni di discomfort, dovute ad esempio a:

• eccessiva velocità dell’aria;

• formazione di zone stagnanti e di stratificazioni (per questi primi due punti è bene che la velocità residua dell’aria immessa non sia compresa tra 0,12 e 0,2 m/s);

• formazione di correnti localizzate e flussi di aria fredda (causate in genere da una distribuzione dell’aria non uniforme);

• eccessiva variazione del gradiente di temperatura ambiente sul piano verticale e/o orizzontale;

• pulviscolo in sospensione nel locale non adeguatamente convogliato verso gli elementi di ripresa;

• cortocircuiti dell’aria di mandata verso la ripresa.

I sistemi a miscelazione

I sistemi a miscelazione rappresentano la prima tipologia di impianto ad aria, e sono tuttora quelli più diffusi. Essi si basano sulla miscelazione tra l’aria primaria, emessa dal diffusore, e l’aria secondaria già presente in ambiente.

La circolazione dell’aria dipende in particolare dalle caratteristiche del diffusore e dalla velocità di efflusso.

È necessario che i diffusori vengano scelti in modo da distribuire l’aria in maniera uniforme, evitando di produrre cadute dirette di aria fredda all’interno dello spazio occupato dalle persone. I diffusori più comunemente usati sono i diffusori (lineari o no) a soffitto e le boccette a parete. Il loro dimensionamento deve essere effettuato considerando la massima velocità dell’aria tale per cui non si ecceda il livello sonoro richiesto dall’ambiente.

Occhio al rapporto di induzione del diffusore: meglio se alto

Oltre alla miscelazione dell’aria, uno dei fenomeni più importanti che consegue la diffusione è l’induzione, ovvero il principio per il quale una certa portata di aria primaria è in grado di “trascinare” una certa quantità di aria ambientale con la quale si miscela, e le temperature dei due flussi si equalizzano. Il rapporto tra le due portate si definisce “rapporto di induzione” ed è una caratteristica del diffusore: maggiore è il rapporto di induzione, maggiore sarà la velocità di miscelazione tra le due portate e la conseguente equalizzazione della temperatura.

I diffusori caratterizzati da elevati valori di questo rapporto si definiscono “ad alta induzione”, e sono particolarmente indicati in ambienti in cui è necessario un numero elevato di ricambi d’aria. I diffusori ad alta induzione consentono infatti di ottenere una diffusione di buon livello, evitando cadute d’aria fredda: sono infatti in grado di lavorare con differenze di temperatura tra i due fluidi elevate (fino 14 °C), consentendo di ridurre le portate d’aria richieste rispetto ai diffusori più tradizionali.

Il sistema a dislocamento: l'aria non si miscela

Il sistema a dislocamento, di più recente introduzione, si basa invece sull’emissione dal basso di un flusso d’aria fresca di rinnovo (aventi determinate caratteristiche termoigrometriche, tra le quali temperatura molto prossima a quella di comfort), il quale, invece di miscelarsi con l’aria ambiente inquinata, la “spinge” (disloca) verso l’alto (per effetto del surriscaldarsi dell’aria immessa), da cui essa viene estratta ed espulsa, totalmente o parzialmente.

Nell’ambiente si produce quindi uno “strato limite” di separazione tra aria pulita e a temperatura controllata (al di sotto) e aria inquinata e surriscaldata da espellere (al di sopra). L’altezza dello strato limite dipende dalla tipologia di attività svolta all’interno dell’ambiente: per attività in piedi si assume che lo strato limite sia a circa 1,8 m dal pavimento, mentre per attività sedute a circa 1,5 m dal pavimento. È facile intuire come i sistemi a dislocazione siano particolarmente efficaci per ambienti dai soffitti alti, in cui si limita il volume d’aria da mantenere “pulita” al solo volume al di sotto dello strato limite.

ATTENZIONE. I sistemi a dislocamento non possono però essere utilizzati come impianti di climatizzazione invernale, ma deve essere abbinato ad altri sistemi (pavimento radiante, radiatori, ecc): infatti, se il diffusore venisse alimentato con aria calda si otterrebbe la normale miscelazione, perdendo l’effetto del dislocamento causato dal surriscaldarsi dell’aria immessa.

Impianti aeraulici a portata costante e a portata variabile

Gli impianti aeraulici possono inoltre essere a portata costante (Constant Air Volume - CAV) o a portata variabile (Variable Air Volume - VAV).

Gli impianti a portata costante sfruttano una portata fissa per il controllo del carico ambiente (solitamente pari a 6 vol/h, con temperature comprese tra i 28 °C invernali e i 18 °C estivi). La temperatura di immissione è variabile in funzione del segnale proveniente da termostati ambientali posti in ogni zona in cui l’ambiente è suddiviso. Queste tipologie di impianto consentono un accurato controllo della temperatura, ma presentano alcune criticità legate al differente fabbisogno delle diverse zone e all’utilizzo di una portata d’aria fissa uguale per ogni zona. La variazione di temperatura di immissione dell’aria tra una zona e l’altra (aventi carichi diversi) è infatti gestita tramite l’installazione di batterie di post riscaldo all’interno delle canalizzazioni, o utilizzando canali a doppio condotto caldo/freddo abbinato a cassette di miscelazione dei due flussi.

Quando preferire gli impianti CAV
Risulta evidente quindi che gli impianti CAV sono ideali per ambienti openspace o per edifici di piccole dimensioni: il controllo di zona richiede infatti notevoli costi e ingombri per la canalizzazione dell’aria. Risulta inoltre poco efficiente durante le stagioni in cui possono esserci contemporaneamente richieste di riscaldamento che di raffrescamento.

Gli impianti a portata variabile gestiscono invece i fabbisogni delle diverse zone immettendo aria a temperatura costante, variandone la portata tramite cassette terminali di zona. Le cassette sono installate sui canali sia di mandata che di ripresa, e regolano la portata sulla base dei segnali provenienti da sonde e termostati ambientali. La temperatura di immissione dell’aria è pari a circa 18-20 °C in inverno e 16 °C durante il periodo estivo. Le portate d’aria coinvolte sono inferiori rispetto quelle che si otterrebbero in impianti CAV, in quanto vengono definite in funzione del massimo carico contemporaneo (occupazione effettiva): si riduce di conseguenza la dimensione dei canali e delle UTA, oltre che i consumi energetici necessari per la circolazione. La variazione di portata deve in ogni caso rispettare i valori minimi per garantire la IAQ, per tale motivo è molto importante controllare in maniera accurata la portata d’aria tramite appositi dispositivi di misura (tarati in fabbrica), indipendentemente dalle variazioni di pressione che possono avvenire all’interno dell’impianto. Viste le basse portate d’aria è inoltre essenziale utilizzare diffusori ad elevata induzione.

Quando preferire gli impianti VAV

Gli impianti VAV sono quindi particolarmente adatti in ambienti caratterizzati da grande variabilità di fabbisogno di raffrescamento delle zone interne (grandi openspace del settore terziario). Per le zone in cui si ha sia necessità di raffrescamento che di riscaldamento si può ricorrere all’uso di cassette miscelatrici VAV, che consentono di lavorare a portata variabile durante il periodo di raffreddamento e a portata costante con postriscaldamento quando è richiesto riscaldamento (batterie di postriscaldo installate all’interno delle cassette VAV).

Gli elementi atti al controllo e alla regolazione delle portate nei sistemi a diffusione hanno quindi un ruolo fondamentale per il corretto funzionamento dell’impianto stesso: vediamo insieme quali sono.

La regolazione dei sistemi di diffusione

Il mantenimento delle caratteristiche di progetto del fluido termovettore è affidato a sistemi di bilanciamento e regolazione dell’impianto, sia nel caso di sistemi CAV che VAV:

• serrande;

• misuratori di portata;

• regolatori di portata;

• variatori di portata.

Questi dispositivi possono avere geometrie diverse (circolari o rettangolari) a seconda della forma delle canalizzazioni d’aria. Vediamoli nel dettaglio.

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