ELEMENTI COSTITUTIVI DEGLI IMPIANTI DI CLIMATIZZAZIONE Francesco Mancini Università La Sapienza di Roma francesco.mancini@uniroma1.it www.ingenergia.it

Generatori di calore 2 Generatore di calore: dispositivo all’interno del quale avviene il trasferimento di calore, sviluppato dal combustibile bruciato all’interno della camera di combustione, ad un fluido termovettore (di solito acqua) Costituito da due parti fondamentali il bruciatore nel quale avviene la miscelazione tra combustibile e comburente regolandone il quantitativo corretto da inviare alla caldaia; la caldaia, in cui il calore contenuto nella fiamma e nei fumi viene ceduto al fluido termovettore attraverso una superficie di scambio che li divide fisicamente; i fumi, dopo aver ceduto il calore, vengono convogliati al camino e da qui espulsi in atmosfera. Classificazione dei bruciatori operata in base al tipo di combustibile che sono in grado di bruciare Classificazione delle caldaie in funzione della tipologia costruttiva (tubi di fumo o tubi d’acqua), in funzione del materiale con cui sono costruite (ghisa o acciaio), oppure in funzione del livello di pressione della camera di combustione (in depressione o pressurizzate).  

Caldaie Tipologia costruttiva: Materiale di costruzione: 3 Tipologia costruttiva: caldaie a tubi di fumo: l’acqua bagna la parte esterna di tubi in cui circolano i fumi caldi diretti al camino; le caldaie civili sono quasi sempre a tubi di fumo; caldaie a tubi d’acqua, in cui è l’acqua che scorre all’interno di tubi lambiti esternamente dalla fiamma e dai prodotti della combustione.   Materiale di costruzione: caldaie in ghisa di tipo componibile, costituite da elementi trasversali cavi in ghisa che individuano il percorso dei fumi e dell’acqua; caratterizzate da elevata resistenza alla corrosione e dalla possibilità di essere montate sul posto; sono pesanti e fragili e temono repentine variazioni di temperatura (shock termici); fino a circa 600-700 kW; caldaie in acciaio; costruite interamente in officina; temono la corrosione ed in particolare quella causata dalla condensazione acida dei fumi; più leggere e compatte di quelle in ghisa, sopportano meglio gli shock termici; fino a circa 3.000 kW. Livello di pressione in camera di combustione: caldaie con focolaio in depressione, in cui il tiraggio naturale del camino mantiene nella camera di combustione una pressione minore di quella atmosferica presente nel locale centrale termica; caldaie pressurizzate: la camera di combustione e il percorso dei fumi vengono pressurizzati grazie all’insufflaggio di aria comburente effettuato per mezzo di un bruciatore, dotato di ventilatore; rendimento più alto  

Rendimento di un generatore di calore 4 perdite al camino (QC) per calore sensibile nei fumi che rappresentano la quota più grande delle perdite; i prodotti della combustione sono rilasciati a temperatura più alta di quella iniziale del combustibile; perdite dal mantello (QM) della caldaia per scambio termico convettivo e per irraggiamento attraverso l’involucro esterno del generatore e l’ambiente; perdite per incombusti (QI), associate ad una combustione incompleta calore latente (QL) nei fumi dovuto alla presenza di vapore acqueo

Rendimento di un generatore di calore 5 Per ragioni storiche, viene ritenuto disponibile non il potere calorifico superiore ma quello inferiore e quindi il rendimento di un generatore di calore è:

Rendimento di un generatore di calore a condensazione 6 Rendimento di un generatore di calore a condensazione Possibile utilizzo del calore di condensazione del vapor d’acqua presente nei fumi La condensazione del vapore presente nei fumi e quindi il recupero del calore di condensazione è possibile se la temperatura dei fumi è abbassata fino al punto di rugiada. Le caldaie a condensazione hanno un rendimento più alto delle caldaie tradizionali, dal momento che recuperano una quota del calore latente dei fumi, evacuano fumi a temperature più basse e, operando a temperature più basse, hanno minori perdite dal mantello. Mantenendo la definizione (convenzionale) del rendimento per la differenza tra PCI e PCS, può accadere che il rendimento di una caldaia a condensazione sia anche superiore ad uno.

Rendimento di un generatore di calore 7 Rendimento di un generatore di calore Confronto tra caldaie di diversa tecnologia Confronto tra caldaie a condensazione per diverse temperature

8 Caldaie

Gruppi frigoriferi e pompe di calore 9 Le macchine frigorifere permettono un effetto termico non conseguibile spontaneamente ovvero permettono di sottrarre calore da una sorgente a temperatura inferiore e di cederlo ad una sorgente a temperatura superiore refrigeratori o gruppi frigoriferi se lo scopo è sottrarre calore alla sorgente a temperatura inferiore pompe di calore se lo scopo è cedere calore alla sorgente a temperatura superiore macchine frigorifere a recupero di calore (parziale o totale) o gruppi polivalenti con i due scopi congiunti macchine a compressione di vapore, in cui il fluido di lavoro cambia fase (liquida e vapore), con introduzione di energia meccanica (elettrica); macchine ad assorbimento, che sfruttano la solubilità e l’elevata affinità di due sostanze, per realizzare un ciclo in cui l’introduzione di energia avviene sotto forma di calore.

Gruppi frigoriferi e pompe di calore 10 nell’evaporatore il fluido frigorigeno evapora (da liquido a vapore); nel passaggio di stato sottrae il calore Q2 alla sorgente a temperatura inferiore; nel compressore si ha un incremento della pressione e della temperatura; la compressione richiede un lavoro meccanico e quindi energia elettrica (E); nel condensatore il fluido frigorigeno condensa (da vapore a liquido); nel passaggio di stato cede il calore Q1 alla sorgente a temperatura superiore; nella valvola di laminazione il fluido frigorigeno allo stato liquido espandendosi (diminuisce la pressione) e si raffredda (diminuisce la temperatura).

Gruppi frigoriferi e pompe di calore 11 Gruppo frigorifero, il rendimento è detto EER (Energy Efficiency Ratio, indice di efficienza energetica) Pompa di calore, il rendimento è detto COP (Coefficient Of Performance, coefficiente di prestazione) Gruppo polivalente

Gruppi frigoriferi e pompe di calore 12

Unità di trattamento aria 13 L’unità di trattamento aria, detta anche UTA, è una macchina a sezioni componibili, ognuna delle quali destinata ad una diversa funzione. Nella configurazione classica prevede tre batterie di scambio termico (preriscaldamento, raffreddamento e postriscaldamento), una sezione di umidificazione, serrande di regolazione della portata d’aria, filtri di diversi tipi ed efficienza, ventilatori di ripresa e di mandata dell’aria; può ospitare anche recuperatori di calore, camere di miscela, silenziatori.

Unità di trattamento aria 14

Recuperatori di calore 15 Per controllare la qualità dell’aria senza alterare troppo il bilancio termico dell’ambiente, possono essere impiegati dei recuperatori di calore. Un recuperatore di calore è costituito da due sezioni ventilanti di mandata e di ripresa e da una sezione di recupero termico, che, a seconda delle tipologie, potrà essere di tipo sensibile o di tipo entalpico. Il recuperatore di calore può contenere anche una batteria di scambio termico (di riscaldamento e di raffreddamento) e una sezione di umidificazione. Talvolta e impropriamente, sono definiti unità di trattamento aria.

Recuperatori di calore 16

Accumulo dell’energia termica e frigorifera 17 per far fronte a picchi di richiesta nel corso della giornata; oppure per far fronte a vuoti di produzione; per ragioni economiche (quando il costo dell’energia è più basso); per ragioni connesse al rendimento di produzione delle macchine (ad es. i gruppi frigoriferi di notte hanno un rendimento maggiore, in virtù di temperature di condensazione più basse) per moderare l’aleatorietà di produzione delle fonti rinnovabili; per incrementare l’inerzia termica di un piccolo impianto.

Accumulo dell’energia termica e frigorifera 18 Energia termica o frigorifera ottenuta con: resistenza elettrica per generare; scambiatore di calore a serpentino, percorso da acqua calda o fredda; condensatore o l’evaporatore di una pompa di calore per produrre energia termica o frigorifera. L’energia termica o frigorifera può essere accumulata in forma sensibile o latente. M è la massa dell’accumulo cp è il calore specifico a pressione costante T è la differenza tra la temperatura dell’accumulo e dell’utilizzo r è il calore latente (solidificazione, liquefazione, evaporazione, condensazione) Maggiore è la potenza (P), minore sarà il tempo per caricare l’accumulo.

Fluidi impiegati negli di impianti di climatizzazione 19 Fluidi impiegati negli di impianti di climatizzazione Un fluido termovettore può scambiare con un generico sistema calore sensibile o calore latente Calore sensibile: variazione della temperatura del fluido Calore latente: si avrà un passaggio di stato Il sistema può essere un ambiente, un terminale di impianto o altro Il fluido può essere aria, acqua, un fluido frigorigeno Temperature di utilizzo m è la portata in massa del fluido cp è il calore specifico a pressione costante del fluido T è la differenza tra la temperatura del fluido in ingresso ed in uscita dal sistema a cui si vuole cedere il calore trasportato r è il calore latente di evaporazione/condensazione per trasportare 10 kW di energia termica Aria : T=10°C, m=0,99 kg/s, portata in volume G=0,83 m3/s Acqua : T=10°C, m=0,24 kg/s, portata in volume G=0,00024 m3/s Fluido frigorigeno: r=200 kJ/kg e massa volumica 5 kg/m3, m= 0,05 kg/s; portata in volume G=0,01 m3/s

Tubazioni per la distribuzione dell’acqua 20 Tubazioni per la distribuzione dell’acqua Realizzate in materiale metallico o in materiale plastico (polietilene reticolato PEX, polipropilene PP, polietilene ad alta densità PEAD, PVC), essendo le prime (acciaio o rame) quelle più utilizzate per la distribuzione a media e alta temperatura Il rame ha un costo maggiore dell’acciaio, ma consente una maggiore facilità di installazione e di posa in opera Si utilizzano tubazioni in acciaio non legato (senza saldatura) per le distribuzioni primarie (per esempio, in centrale termica o frigorifera, per le colonne montanti, ecc.) e le tubazioni in rame per i circuiti secondari (per esempio, per il collegamento dei corpi scaldanti con il collettore di distribuzione) Tabelle con standard per ogni materiale e per ogni uso

Canalizzazioni per la distribuzione dell’aria 21 Canalizzazioni per la distribuzione dell’aria Materiali metallici, quali acciaio zincato, acciaio inossidabile, acciaio verniciato o preverniciato, zinco-alluminio, alluminio Materiali plastici quali il PVC Più diffuse le canalizzazioni metalliche Canalizzazioni tessili in PVC: impiego dove è richiesta rapidità di installazione e costi ridotti e laddove la leggerezza sia un requisito molto importante; è anche apprezzata la possibilità di un facile smontaggio per operazioni di pulizia o lavaggio Le canalizzazioni dell’aria possono essere di tipo flessibile per facilitare il raccordo tra elementi diversi della canalizzazione o per facilitare il collegamento di un terminale

Isolamento termico di tubazioni e canalizzazioni 22 Isolamento termico di tubazioni e canalizzazioni Per evitare perdite indesiderate di energia lungo il percorso, le tubazioni e le canalizzazioni degli impianti termotecnici devono essere coibentate con materiale isolante Lo spessore minimo dell’isolamento è stabilito per legge (D.P.R. 412/93) in funzione del diametro della tubazione e della conduttività termica del materiale isolante I materiali isolanti a base di gomma sintetica, di schiume poliuretaniche o possono essere di tipo fibroso, come la lana di vetro o di roccia Per evitarne il danneggiamento, la posa deve essere effettuata con cura e, inoltre, si rende necessaria una protezione con fogli di carta bitumata, in PVC o con lamierino metallico (alluminio o acciaio)

23 Pompe di circolazione Le pompe sono macchine che, ricevendo energia meccanica da un qualsiasi motore, la trasmettono al liquido che le attraversa. Solitamente di tipo centrifugo; una parte rotante detta girante e una parte fissa (corpo pompa) entro cui si muove l’acqua convogliata dalla forza centrifuga. L’acqua entra nel corpo di pompa attraverso un tubo di aspirazione e viene inviata, attraverso il movimento della girante, nel tubo di mandata. Il tubo di aspirazione è assiale rispetto alla girante, il tubo di mandata è radiale. A seconda della disposizione dell’albero di trasmissione, si distinguono in orizzontali e verticali. =0,70,8 La potenza elettrica (P) assorbita dalla pompa è espressa in [W], la portata in volume (G) in [m3/s], la prevalenza (p) in [Pa].

24 Pompe di circolazione

25 Ventilatori Un ventilatore è una macchina operatrice rotante che trasmette al fluido che la attraversa una determinata energia sotto forma di aumento di pressione I ventilatori possono essere classificati in assiali o centrifughi. I ventilatori assiali (o elicoidali) sono quelli in cui l’aria viene spinta da un’elica ed il flusso mantiene la stessa direzione all’entrata e all’uscita del ventilatore, mantenendosi parallela all’asse della girante. Possono essere installati a muro o a parete, per l’immissione o per l’estrazione di aria. I ventilatori assiali, di solito, si installano in quelle applicazioni in cui la perdita di carico da superare è modesta. I ventilatori centrifughi sono quelli in cui l’aria è spinta da una girante a pale ed è indirizzata verso una voluta, con aspirazione lungo la direzione dell’asse della girante e mandata in direzione radiale (cioè in direzione perpendicolare all’asse della girante). =0,60,75

26 Ventilatori

Valvole e serrande di bilanciamento e taratura 27 Valvole e serrande di bilanciamento e taratura Permettono di regolare con precisione la portata: di un liquido in una tubazione (valvole); azione di regolazione effettuata agendo su una manopola che comanda il movimento di un otturatore di un gas in una canalizzazione (serrande); azione di regolazione effettuata variando la sezione di passaggio, grazie al movimento di apposite alette Il corretto bilanciamento dei circuiti è indispensabile per garantire il funzionamento dell’impianto alle condizioni di progetto

Sottosistema di regolazione 28 Sottosistema di regolazione L’obiettivo di un sistema impiantistico è rappresentato da valori ben precisi delle grandezze controllate, a fronte di grandezze perturbatrici variabili nel tempo I carichi termici, la produzione di vapore o di contaminanti non sono costanti Necessità di regolare il sistema, con aggiustamenti continui al funzionamento, in maniera tale da mantenere un controllo preciso Per regolare un sistema occorre: fissare il valore della variabile da controllare; misurare la variabile, confrontando il valore con quello di riferimento; stabilire gli aggiustamenti da effettuare per riportare la variabile al valore fissato. Circuito di regolazione o catena di regolazione: elemento di misura (sonda o sensore o trasmettitore) elemento regolatore, confronta il valore misurato con il valore di riferimento e invia un comando all’organo di regolazione un attuatore, ovvero un organo finale di regolazione, che consente l’azione di aggiustaggio

29 Radiatori Utilizzati per il riscaldamento di un ambiente, ossia per compensare il carico termico invernale. Composti da elementi in serie affiancati per arrivare alla superficie radiante desiderata, realizzati in forme diverse, a colonne, a forma piana con o senza canali e nervature Il trasferimento di calore all’ambiente avviene più per convezione che per irraggiamento In lamiera d’acciaio, in ghisa o in alluminio. I radiatori in ghisa sono i più usati, avendo una buona inerzia termica e un’ottima resistenza alla corrosione. I radiatori in lamiera d’acciaio sono più economici, hanno dimensioni e peso ridotti a parità di resa, ma sono più facilmente corrodibili. I radiatori in alluminio sono facilmente corrodibili se il pH dell’acqua contenuta è diverso da valori compresi nell’intervallo 4-5 Il radiatore è collegato ad una rete di acqua calda dalla quale preleva la potenza termica che sarà poi ceduta all’ambiente.

30 Radiatori T è la differenza tra la temperatura media del radiatore e la temperatura dell’aria (in condizioni nominali è supposta pari a 50°C, essendo pari a 70°C la temperatura media del radiatore e a 20° la temperatura dell’aria) In ambienti grandi, suddividere la potenza termica su più radiatori, in ragione di uno ogni 30-40 m2.

31 Radiatori

32 Ventilconvettori Utilizzati per riscaldare o raffrescare un ambiente, ossia per compensare il carico termico invernale ed il carico termico estivo. costituiti da un carter metallico o di materiale plastico contenente una o due batterie di scambio termico aria/acqua, uno o più ventilatori con motore elettrico, un filtro dell’aria, dispositivi per la raccolta della condensa scambiano calore con l’ambiente per convenzione forzata a 2 tubi o a 4 tubi I ventilconvettori a 2 tubi sono dotati di una sola batteria di scambio termico, alimentata con cambio stagionale da acqua calda o refrigerata I ventilconvettori a 4 tubi sono dotati di due batterie di scambio termico e possono funzionare contemporaneamente sia con acqua calda che refrigerata Presenti sul mercato in diverse forme costruttive, per diversi modalità di installazione: di tipo verticale o di tipo orizzontale a mobiletto, a cassetta, a parete, ecc. con o senza carter di copertura per ogni modello, esistono diverse grandezze, in grado di erogare potenze termiche diverse

Ventilconvettori 33 Generalmente, i ventilconvettori funzionano con temperature dell’acqua di 45-40°C nella stagione invernale e di 7-12°C nella stagione estiva La potenza resa all’ambiente dipende dalle temperature di alimentazione e dalla portata d’aria che attraversa il ventilconvettore stesso  Per evitare discomfort locale, la temperatura dell’aria in uscita dal ventilconvettore deve essere compresa tra 35 e 50 °C Nella stagione estiva, limitare la condensazione del vapore acqueo dell’aria sulla batteria fredda, mantenendo la temperatura della batteria superiore alla temperatura di rugiada dell’aria ambiente (temperature dell’acqua 10-15°C o anche più alte) In ogni caso, collegamento ad una rete di scarico della condensa

Ventilconvettori 34 Ambienti grandi: suddividere la potenza su più ventilconvettori (uno ogni 30-40 m2)

Ventilconvettori 35

Split 36 Gli impianti ad espansione diretta sono anche detti impianti split (Split System) ad unità funzionali separate e sono utilizzati per raffrescare e riscaldare l’aria degli ambienti. Composti da due elementi staccati tra loro, l’unità interna scambia calore con l’ambiente interno, l’unità esterna scambia calore con l’esterno Multi-split se costituiti da più unità interne abbinate ad una sola unità esterna Possono essere realizzati in configurazione monoblocco, accorpando le due unità in un’unica unità interna (soluzione apprezzata in edifici di pregio): ciò comporta un maggior rumore dell’unità interna Costruttivamente, le unità interne sono molto simili ai ventilconvettori: sono costituite da un carter metallico o di materiale plastico contenente una batteria di scambio termico, uno o più ventilatori con motore elettrico, un filtro dell’aria, dispositivi per la raccolta della condensa La differenza tra split e ventilconvettori principalmente nella batteria di scambio termico: nel caso dei ventilconvettori, è percorsa internamente da acqua nel caso delle unità split è percorsa internamente da un fluido frigorigeno.

Split 37 Possono funzionare in solo raffrescamento o in pompa di calore se dotate di dispositivi per l’inversione del ciclo. efficienza energetica superiore dei sistemi idronici, con uno spazio occupato minore vantaggio importante in occasione di ristrutturazioni di edifici esistenti o di edifici storici difficile sezionamento dell’impianto e necessità di manutentori qualificati.

Split 38

Pannelli radianti 39 Impiegati sia per il riscaldamento che per il raffrescamento Possono essere a pavimento, a parete o a soffitto Il riscaldamento degli ambienti avviene in maniera diversa rispetto agli impianti tradizionali; questi riscaldano l’aria ambiente mentre quelli a radiazione modificano il bilancio termico degli occupanti, diventando prevalente lo scambio termico per radiazione. La temperatura operativa assume un ruolo molto importante, con un miglioramento del benessere degli occupanti.

Pannelli radianti Vantaggi: 40 Vantaggi: recupero di spazi interni, non esistendo corpi scaldanti riduzione della temperatura interna e quindi risparmio energetico, in quanto, a parità di temperatura operativa, aumenta la temperatura radiante ridotto gradiente di temperatura verticale con maggior comfort ambientale possibilità di impiego di calore a bassa temperatura (da recuperi termici, da cogenerazione, da pompe di calore o da caldaie a condensazione) nessun rumore e assenza di correnti d’aria Svantaggi : inerzia termica e quindi strategie mirate di conduzione e regolazione, con tempi di messa a regime lunghi e difficoltà nel seguire rapidamente il carico termico possibile perdita di liquido per rottura all’interno delle strutture limite superiore alla resa rappresentato dalla temperatura superficiale del pannello che non può superare determinati valori in raffrescamento è fondamentale il controllo della temperatura superficiale del pannello stesso, per evitare condensazione del vapore acqueo presente nell’aria (temperatura del pannello superiore alla temperatura di rugiada) Quindi limite alla resa del pannello, e necessità di controllo dell’umidità più o meno complessi (umidostati, sistemi di controllo delle aperture, deumidificatori)

41 Pannelli radianti In mancanza di superfici disponibili, per ambienti con carichi elevati, integrazione con altri terminali.

42 Pannelli radianti

Terminali di immissione dell’aria 43 Terminali di immissione dell’aria Dove si voglia controllare l’umidità relativa e la qualità dell’aria, ci sarà sempre un impianto di immissione dell’aria: con la sua rete di distribuzione e i suoi terminali tale impianto, in molti casi, sarà affiancato da un impianto di estrazione dell’aria, con la sua rete di distribuzione e i suoi terminali. L’aria ha scarse capacità di trasportare calore: in certi impianti e per motivazioni diverse, è affidato all’aria anche il compito di controllare la temperatura. Esistono sul mercato numerose tipologie di terminali per la diffusione dell’aria in ambiente: i dispositivi per la distribuzione dell’aria in ambiente sono detti bocchette, se montati a parete, mentre sono detti diffusori, se montati a soffitto le bocchette sono dette di mandata se immettono l’aria in ambiente, di ripresa se da questo la sottraggono le griglie di transito sono bocchette che hanno il compito di mettere in comunicazioni ambienti diversi e, solitamente, sono montate sulla parte inferiore delle porte

Terminali di immissione dell’aria 44 Terminali di immissione dell’aria Diffusore ad alta induzione Esempio di montaggio bocchetta di ripresa Griglia di transito su porta Valvola di ventilazione

Terminali di immissione dell’aria 45 Terminali di immissione dell’aria

46 Locali tecnologici Il locale tecnico che richiede maggiore cura progettuale è la centrale termica. Prescrizioni riguardanti: la produzione del calore, la sicurezza, la protezione ed il controllo degli impianti la corretta evacuazione dei prodotti della combustione, da realizzare con condotti di sezione adeguata, in funzione dell’altezza e della potenza L’altezza della canna fumaria deve risultare superiore di almeno un metro rispetto al colmo dei tetti, ai parapetti e a qualunque altro ostacolo nel raggio di 10 metri Le bocche dei camini devono inoltre essere a quota più alta rispetto ad aperture di locali abitati collocate nel raggio di 50 metri

47 Locali tecnologici Per una centrale frigorifera, occorre ricordare la necessità da parte dei gruppi frigoriferi di una sorgente esterna per smaltire il calore di condensazione: i gruppi frigoriferi con condensazione ad aria dovranno essere collocati all’esterno per i gruppi frigoriferi condensati ad acqua, si dovrà prevedere la collocazione di torri evaporative all’esterno soluzioni diverse che utilizzano sorgenti diverse (acqua di falda, terreno) devono essere valutate caso per caso   Le centrali di trattamento aria necessitano di una presa d’aria esterna pulita, lontana da sorgenti inquinanti e almeno 4 metri sopra il piano stradale. Energia elettrica fornita in Bassa Tensione fino a 100 kW. Oltre tale soglia la fornitura è Media Tensione e pertanto è necessaria una cabina di trasformazione Spazi di manutenzione adeguati per operazioni di manutenzione agevoli e in totale sicurezza. Nella collocazione delle apparecchiature più pesanti necessità di una verifica strutturale

48 Locali tecnologici

Centrale termica 49

Centrale termica 50

Copertura con impianti vari 51

Cabina di trasformazione 52 Cabina di trasformazione