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RIASSUNTO

Il sempre più ampio consenso incontrato dai sistemi di distribuzione dell’aria inambiente del tipo displacement ventilation (anche denominati “sistemi di ventilazione adislocamento”) ha portato ad una loro diffusa applicazione, soprattutto nei paesi del nordEuropa, nei settori sia industriale che civile (uffici, ristoranti, aule scolastiche, etc.).

Una delle principali motivazioni che rendono questa tecnica apprezzata è lapossibilità di raggiungere contemporaneamente elevati valori di efficacia di ventilazione(ventilation effectiveness), indice legato alla distribuzione di contaminante in ambiente,e di efficacia di temperatura (temperature effectiveness), indice legato alla distribuzionedi temperatura in ambiente.

Per raggiungere tali elevati valori è però indispensabile un attenta progettazione delsistema, operazione non banale se si considera che il moto dell’aria in ambiente ècontrollato dalla convezione naturale e dalle forze di galleggiamento.

Inoltre le distribuzioni di temperatura e di concentrazione di contaminante devonoessere analizzate con cura poiché sono esse a garantire i soddisfacenti livello sia dicomfort termico che di qualità dell’aria.

Questa memoria si propone di descrivere le peculiarità di funzionamento deisistemi di distribuzione dell’aria in ambiente del tipo displacement ventilation e diillustrarne i principi di progettazione con riferimento ai più recenti sviluppi negli studiteorici ed applicativi su questa soluzione impiantistica.

1. INTRODUZIONE

La displacement ventilation (ventilazione a dislocamento) ha raggiunto grandepopolarità nel nord Europa, in particolare nei paesi scandinavi e le sue prospettive didiffusione anche nei paesi mediterranei sono incoraggianti. Già largamente utilizzata inapplicazioni industriali, nell’ultimo ventennio è stata adottata con successo anche incampo civile (uffici, ristoranti, aule scolastiche, etc.), contribuendo al diffondersi di unsempre più ampio consenso nei confronti di questa soluzione impiantistica.

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Displacement Ventilation:funzionamento e progettoMARCO FILIPPI, STEFANO P. CORGNATI

Dipartimento di Energetica - Politecnico di Torino

Displacement Ventilation: funzionamento e progetto138

Una delle principali motivazioni che rendono questa tecnica apprezzata è lapossibilità di conseguire contemporaneamente elevati valori di efficacia di ventilazione(ventilation effectiveness), indice legato alla distribuzione di contaminante in ambiente,e di efficacia di temperatura (temperature effectiveness), indice legato alla distribuzionedi temperatura in ambiente. I pregi della ventilazione a dislocamento sono infatti sia lapossibilità di ottenere un elevato grado di qualità dell’aria sia di adottare una strategia dirimozione dei carichi termici efficiente.

La displacement ventilation sfrutta come principio base di funzionamento ladifferenza di densità dell’aria in ambiente che, riscaldandosi, si muove naturalmenteverso l’alto. L’aria “fresca e pulita” viene immessa nei locali a livello del pavimentoattraverso un diffusore a bassa velocità ad una temperatura leggermente al di sotto diquella dell’aria ambiente, mentre l’aria “calda e contaminata” viene rimossa a livello delsoffitto.

Il movimento dell’aria in ambiente è guidato dalle sorgenti interne di calore.Queste, infatti, creano dei moti convettivi ascensionali che richiamano l’aria circostantee la veicolano verso l’alto. Quando le sorgenti di calore sono anche sorgenti dicontaminante (sorgenti inquinanti calde)1, i moti convettivi da esse generate trasportanocon sé anche i contaminanti. In particolare, nel locale si possono individuare due zoneben definite: una zona superiore con aria calda e contaminata e una zona inferiore, nellaquale stazionano gli occupanti, con aria fresca e pulita. L’altezza che delimita le duezone è detta altezza del piano neutro (neutral height) o altezza della zona a flusso strati-ficato (stratification height), ed è un parametro fondamentale nel progetto dei sistemi adisplacement ventilation. In figura 1 è illustrato qualitativamente il moto dell’aria e ladistribuzione di contaminante e di temperatura in un locale ventilato con sistema adislocamento.

E’ opportuno precisare che,basando la propria azione suglieffetti convettivi delle sorgentitermiche, la displacementventilation può essere usata effica-cemente solo a scopo di raffre-scamento. Il suo utilizzo puòessere eventualmente esteso alcaso del riscaldamentoaccoppiando all’immissione di ariafresca propria di un sistema adisplacement ventilation l’effettoriscaldante di radiatori o di unpavimento radiante caldo (Skistad, 2002).

E’ inoltre importante individuare in quali situazioni la displacement ventilation siada preferire alla mixing ventilation (ventilazione a miscelazione) (Filippi e Bo, 1990). Lamixing ventilation ha come obiettivo l’omogeneizzare la temperatura e la concentrazione

1 Nella presente memoria, i termini “contaminante” e “inquinante” vengono usati come sinonimi.

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di inquinante nel locale: il movimento dell’aria in ambiente è veicolato dalle forzed’inerzia e il desiderato mescolamento dell’aria ambiente è ottenuto grazie all’im-missione di un getto ad elevata velocità al di fuori della zona (Bo e Filippi, 1991). Alcontrario, la displacement ventilation si fonda sulla presenza di gradienti verticali ditemperatura e di contaminante in ambiente: il movimento dell’aria in ambiente èveicolato dalle forze di galleggiamento ed è legato all’azione delle sorgenti termichepresenti in ambiente.

In generale, come mostrato in figura 2, con la displacement ventilation si puòottenere nella zona occupata una qualità dell’aria migliore (coc < cR). Inoltre, a pari

temperatura della zona occupata, la differenza di temperatura dell’aria tra immissione eripresa è maggiore con la ventilazione a dislocamento (Toc < TR): viene così estratta, a

parità di portata e di temperatura dell’aria immessa, una potenza termica maggiore. Tuttavia, come vedremo in seguito, l’impiego di sistemi di ventilazione a

dislocamento impone maggiori limitazioni sui valori di velocità e di temperaturadell’aria immessa, essendo questa direttamente distribuita nella zona occupata, al fine dievitare discomfort sia per correnti d’aria sia per temperature troppo basse a livello delpavimento sia per gradienti verticali di temperatura eccessivamente elevati.

Si può affermare che i sistemi a dislocamento sono da preferire quando ilprincipale problema da risolvere è il mantenimento di una elevato livello di qualitàdell’aria per gli occupanti, mentre i sistemi a miscelazione sono da preferire quando ilprincipale problema da risolvere è la rimozione di elevati carichi termici dall’ambiente.

Inoltre, la displacement ventilation è particolarmente efficace in locali di elevataaltezza, dove la porzione di spazio da climatizzare è piccola rispetto al volume dell’am-biente.

La ventilazione a dislocamento trova ampie possibilità di applicazione in presenzadi sorgenti inquinanti calde, quindi sia in campo industriale (Breume e Skotte, 1992),laddove la contaminazione dell’aria può essere causata da sorgenti inquinanti calde dielevata potenza termica in grado di innescare forti moti convettivi e una stratificazionedell’aria stabile, sia in campo civile, per esempio in uffici, ristoranti, aule scolastiche e,come già accennato, in tutti quei locali ad elevata altezza dove si abbia garanzia di


presenza continuativa di sorgenti termiche interne (persone, luci, apparecchi, etc.) enecessità di un elevato grado di qualità dell’aria.

Affinché i vantaggi propri della ventilazione a dislocamento in termini dirimozione sia dei contaminanti sia dei carichi termici possano essere efficacementeconseguiti, è indispensabile un attento dimensionamento del sistema di ventilazione,operazione non banale essendo la convezione naturale e le forze di galleggiamento acontrollare il moto dell’aria in ambiente.

Questo lavoro si propone non solo di descrivere le peculiarità nel funzionamentodei sistemi a dislocamento ma anche di illustrarne i principi base per il dimensio-namento, introducendo i recenti sviluppi negli studi teorici ed applicativi di questasoluzione impiantistica.

2. IL MOVIMENTO DELL’ARIA IN AMBIENTE

Nella displacement ventilation l’aria fresca a bassa velocità e turbolenza è immessaa livello del pavimento e rimossa a livello del soffitto, dove si trova ad alta temperaturaed elevato grado di contaminazione.

Le forze “motrici” della ventilazione a dislocamento sono “naturali”: il motodell’aria nel locale, guidato dalle differenze di densità dell’aria ambiente, è controllatodalle forze di galleggiamento.

Le sorgenti termiche endogene giocano un ruolo fondamentale per il movimentodell’aria: esse richiamano l’aria fresca dalla parte bassa del locale e la guidano sino allaparte alta (Mundt, 1996). Al fine di alimentare questi moti ascensionali convettivi, laportata d’aria di ventilazione immessa nel locale deve essere sufficiente ad “alimentare”la portata generata dai pennacchi termici.

In base al bilancio tra portata d’aria immessa e flussi convettivi ascensionali ediscendenti, all’interno del locale può essere individuata una altezza caratteristica chesegna la suddivisione dell’ambiente in due zone caratterizzate da un differentemovimento dell’aria al loro interno: una zona superiore “a miscelazione” (mixing zone)con aria contaminata e una zona inferiore “a flusso stratificato” (stratified flow zone) conaria pulita, come rappresentato qualitativamente in figura 3.


Come illustrato in figura 4, l’altezza yst del piano che definisce la separazione tra

le due zone discende dalla relazione (Nielsen ,1994):

(1)

che esprime l’equazione di conservazione della massa (in questo caso scritta in terminidi portata volumica) nel volume di controllo individuato nel locale tra il livello delpavimento e l’altezza del piano neutro yst (neutral height), anche detta altezza della zona

a flusso stratificato (stratification height) (Xing e Awbi, 2000). Nell’equazione 1, il termine V· 1 rappresenta la portata generata dalla sorgente

termica presente nella stanza, il termine V· 2 la portata legata al flusso d’aria discendente

dovuto alle pareti laterali fredde ed il termine V· 0 la portata di ventilazione.

E’ chiara la necessità che l’altezza del piano neutro yst sia maggiore dell’altezza

che delimita la “zona di inalazione” (breathing zone) dell’individuo, ciò per garantireche gli occupanti respirino aria pulita (Brohus, 1997).


La portata V· 1 generata dalla sorgente termica aumenta al crescere della distanza

dalla sorgente stessa, per effetto del richiamo, da parte del pennacchio termico, di ariafresca dall’ambiente circostante; essa è funzione della potenza termica emessa dallasorgente.

Sono stati condotti numerosi studi finalizzati alla valutazione della portata V· 1

generata da sorgenti termiche di diverso tipo (persone, luci, personal computer, etc.): essipropongono di valutare V· 1 sia attraverso equazioni empiriche che attraverso diagrammi

(Kofoed e Nielsen, 1990; Mundt, 1992). A titolo di esempio, in figura 5 sono presentatidue diagrammi che esprimono il flusso d’aria convettivo generato da differenti sorgentitermiche al crescere della distanza da queste (Nielsen 1994).

In generale, comunque, una volta nota la potenza termica della sorgente φhs, essendo

(2)

la portata V· 1 può essere calcolata ponendo il

valore dell’altezza y pari a quello desideratoper l’altezza della zona a flusso stratificatoyst. Per attività sedentarie con lavoratori in

posizione seduta, si raccomanda che yst sia di

almeno 1.1 m.Analogamente, il flusso discendente

d’aria causato dalla presenza delle paretilaterali fredde si quantifica attraverso unaportata V· 2 esprimibile in funzione della

6a


differenza di temperatura tra aria ambiente esuperficie fredda:

(3)

dove d è la distanza tra l’altezza del pianoneutro yst e il lato superiore della superficie

fredda (Nielsen, 1994).Una volta stimati i valori di V· 1 e di V· 2,

può essere calcolata mediante la (1) la portatadi ventilazione V· 0 richiesta per mantenere

l’altezza yst al valore desiderato.

Si può osservare, dai diagrammiqualitativi in figura 3, come al di sotto di yst la

concentrazione di inquinanti si mantengapressoché costante a valori bassi, per poiincrementarsi significativamente al di sopra diyst. Si nota inoltre che yst corrisponde

all’altezza per la quale la temperatura dell’aria ambiente eguaglia la temperatura dellepareti.

Gli studi condotti da Nielsen (1994) hanno inoltre mostrato come la concentrazionedi contaminante nella zona occupata (coc) vari tra il 10% e 30% di quella alla bocchetta di

ripresa: questi valori possono essere presi come riferimento in fase progettuale. In pratica,come illustrato in figura 6a, si risolve l’equazione di bilancio del contaminante nel locale:

(4)

con l’ipotesi che coc sia una opportuna frazione di cR, assunta cautelativamente in fase di

progetto pari al 30% (regola del 30%).In figura 6b, viene presentato l’andamento sperimentale della concentrazione di

contaminante al variare della portata di ventilazione in un locale a displacementventilation con sorgenti inquinanti calde (Nielsen, 1994): si osservi come l’altezza distratificazione possa essere chiaramente individuata.

3. L’EFFICACIA DI VENTILAZIONE

Alla distribuzione di contaminante in ambiente è correlata la definizione di“efficacia di ventilazione” (ventilation effectiveness), indice che definisce quantorapidamente una sostanza inquinante viene rimossa dal locale.

In letteratura si ritrovano differenti definizioni per questo parametro, tra le qualiriprendiamo quella sia utilizzata da Filippi e Bo (1990) sia adottata da Nielsen (1995) eda Brohus (1997). La “efficacia media di ventilazione” ε− (mean ventilation effectiveness)

b


viene definita mediante l’equazione:

(5)

dove cR è la concentrazione di contaminante all’estrazione e c– è la concentrazione media

di inquinante nel locale. Analogamente, la “efficacia di ventilazione” nella zonaoccupata εoc (ventilation effectiveness in the occupied zone) è:

(6)dove coc è la concentrazione media di contaminante nella zona occupata.

Infine, si definisce “indice di ventilazione locale” ερ (local ventilation index) la

grandezza:

(7)

dove cp è la concentrazione di contaminante.

In figura 7 è illustrato il confronto tra i valori assunti dai suddetti indici in localicon displacement ventilation e mixing ventilation.

Accanto a questi indici è stato inoltre introdotto un nuovo indice di ventilazione,detto “indice di esposizione personale” εe (personal exposure index) (Brouhs e Nielsen,

1996) definito come:

(8)

dove ce è la concentrazione di contaminante inalato dalla persona.

L’introduzione di questo nuovo coefficiente si è resa necessaria in riferimento, in


special modo, allo studio dei sistemi a displacement ventilation. Si è infatti notato comeil flusso d’aria ascensionale convettivo prodotto da una persona sia in grado dirichiamare e trasportare l’aria fresca e pulita nella zona di inalazione dell’individuo.

Quindi l’aria inspirata può presentare una concentrazione sensibilmente differenteda quella al di fuori della zona di inalazione, come illustrato qualitativamente in figura8.

Al fine di stimare gli effetti del campo termico generato dal corpo umano sullaconcentrazione di contaminante nella zona di inalazione, è stata definita la “efficacia ditrasporto del corpo umano” ηe (effectiveness of entrainment in the human boundary

layer):

(9)

che esprime la capacità del corpo umano dirichiamare l’aria pulita dal livello delpavimento fino alla zona di inalazione. Infatti,ηe è pari a 1 quando tutta l’aria inspirata

giunge dal pavimento, caratterizzato da unaconcentrazione cf. Viceversa, si ha ηe pari a 0

quando la concentrazione di contaminantenell’aria respirata ce è uguale a cP, quindi

l’effetto del campo termico del corpo umanonon influenza il valore assunto dalla concen-trazione all’altezza di inalazione ye (figura 9).

Dall’analisi dei dati ottenuti da differentistudi sperimentali, si è verificato che ηe può essere espresso con ragionevole accuratezza

come (Brohus e Nielsen, 1996)

(10)

Sostituendo questa espressione nella (9) ed esplicitando la concentrazione ce si

ottiene:

(11)

relazione che consente di valutare, noto il profilo verticale di distribuzione dicontaminante nel locale, la concentrazione nella zona di inalazione posta ad una altezzaye.


E’ comunque opportuno sottolineare che gli effetti prodotti dal campo termico delcorpo umano, tipicamente vantaggiosi per la qualità dell’aria respirata, possano esserenegativi qualora in ambiente siano presenti sorgenti inquinanti fredde, cioè sorgenti diinquinante ma non termiche. In questo caso, infatti, la corrente ascensionale generata dalcorpo umano trasporta con sé verso l’alto il contaminate fino alla zona di inalazione,determinando un peggioramento della qualità dell’aria.

Una dettagliata analisi dell’esposizione degli individui a sorgenti contaminanti inlocali ventilati è stata condotta da Brohus (1997).

4. LA DISTRIBUZIONE DI TEMPERATURA IN AMBIENTE

I sistemi a displacement ventilation utilizzano una efficace strategia di rimozionedei carichi termici, in quanto l’estrazione dell’aria avviene ad altezze elevate,tipicamente a livello del soffitto, dove la temperatura dell’aria può essere anche di diversigradi superiore rispetto a quella nella zona occupata.

Come si è detto, la presenza di un gradiente verticale di temperatura è una dellacaratteristiche peculiari della ventilazione a dislocamento, dove l’aria fresca immessa aquota pavimento si scalda via via fino all’altezza del soffitto.

Studi condotti da Nielsen (1996) hanno mostrato come il profilo del gradienteverticale di temperatura si modifichi al variare della portata d’aria immessa e dellatipologia di sorgente termica nel locale. Comunque, emerge da tali studi come siaragionevole l’ipotesi semplificativa di calcolo basata sull’assunzione che la variazione ditemperatura tra pavimento e soffitto sia di tipo lineare (Nielsen, 1994). In particolare,ponendo la temperatura del soffitto pari a quella dell’aria all’estrazione TR, l’equazioneche descrive la variazione della temperatura con l’altezza y è:

(12)

Per risolvere l’equazione (12) è necessario conoscere la temperatura dell’aria alivello del pavimento Tf. Secondo il modello proposto da Skistad (1994), il valore di

“temperatura a pavimento normalizzata” è pari a 0.5, cioè:

(13)


Ciò vuol dire che la temperatura dell’aria a pavimento assume tipicamente unvalore intermedio tra la temperatura di immissione To e quella di estrazione TR. Questa

regola, detta regola del 50%, viene comunemente applicata per la stima del profiloverticale di temperatura in fase di progetto (figura 10).

Un metodo più preciso per la risoluzione della (12) consiste nella valutazione dellatemperatura a pavimento in funzione sia del tipo di sorgente termica sia della portata,come illustrato in figura 11 (Nielsen, 1996). In tale figura, la temperatura a pavimentonormalizzata è diagrammata in funzione della portata d’aria di ventilazione, espressa inmodo implicito attraverso il numero di Archimede Ar, parametro adimensionalizzatodefinito come:

(14)

dove β, g e ∆To sono rispettivamente il coefficiente di espansione volumica, l’accele-

razione gravitazionale e la differenza di temperatura dell’aria tra mandata e ripresa,mentre H è l’altezza della stanza e la velocità uA è definita come:

(15)

essendo V·

o la portata d’aria immessa e Af l’area del pavimento.

Quindi, note le condizioni di immissione dell’aria, le caratteristiche geometriche


del locale ed il tipo di sorgente termica è possibile ricavare, mediante il diagramma difigura 11, il valore di temperatura del pavimento da utilizzare nell’equazione (12).

Si è detto dell’efficace strategia di rimozione dei carichi termici da parte di unsistema a displacement ventilation. Essa è quantificabile attraverso un indice, detto“efficacia di temperatura” εT (temperature effectiveness), definito come (Nielsen, 1995):

(16)

Si può osservare come nel caso di sistemi a mixing ventilation questa indice valga1, essendo Toc pari a TR, mentre nel caso di displacement ventilation l’efficacia di

temperatura assume valori maggiori di 1, essendo Toc<TR.

5. LA DISTRIBUZIONE DI VELOCITÀ DELL’ARIA NELLA ZONAOCCUPATA

Nella displacement ventilation la portata d’aria di ventilazione è immessadirettamente nella zona occupata. E’ quindi fondamentale assicurarsi che ciò nonprovochi condizioni di discomfort locale per gli occupanti, causate da elevata velocitàe/o bassa temperatura dell’aria introdotta in ambiente.


Per ridurre il manifestarsi di problemi di questo tipo, l’aria viene immessamediante diffusori a bassa velocità (low-velocity diffusers) ed a temperatura relati-vamente elevata. Appena entrata l’aria , più fredda di quella ambiente, tende a cadereverso il basso per effetto della forza gravitazionale e a scorrere lungo il pavimento conflusso stratificato (Skistad, 2002).

E’ quindi necessario individuare l’area di pavimento nella quale la velocità simantiene al di sopra della velocità limite ammissibile, tipicamente assunta pari a 0.2 m/s,in modo da escludere la presenza di persone in questa zona. In particolare, si assumecome parametro caratteristico del diffusore la distanza di draft risk ln , che rappresenta

la distanza, misurata lungo l’asse del diffusore, alla quale la velocità dell’aria immessascende al di sotto di 0.2 m/s (figura 12).

Per ogni tipo di diffusore la distanza ln è funzione sia della portata di ventilazione

sia della differenza tra la temperatura dell’aria immessa e quella media della zonaoccupata, usualmente misurata a 1.1 m di altezza.

Per questo motivo la documentazione allegata al diffusore impiegato dovrebberiportare almeno i parametri sopracitati, specificando il valore di ln per differenti portateV·

o e per almeno due valori di gradiente di temperatura, abitualmente pari a 3°C e 6°C.

La distribuzione di velocità nella zona occupata dipende dalla tipologia di diffusoreche si sceglie di utilizzare. Quelli comunemente adottati possono essere suddivisi in basealla loro collocazione (posizione di montaggio) in tre grandi categorie:� diffusori a parete� diffusori a pavimento� diffusori liberi

Una ulteriore suddivisone può essere operata in base forma del diffusore (rettan-golare, circolare, etc.)


In figura 13, sono presentate alcune tipologie di diffusori adottate nella

ventilazione a dislocamento. I diffusori piani montati a parete sono impiegati in

numerose applicazioni: l’aria fuoriesce a bassa velocità dai fori presenti sulla piastra

forata e si diffonde di fronte al diffusore.

I diffusori circolari a colonna possono essere montati sia a parete sia ad angolo che

libero. In questo caso l’aria di ventilazione si diffonde radialmente tutt’intorno al

diffusore, mentre nel caso di diffusore piano circolare a pavimento (swirl unit) l’aria è

introdotta in ambiente con moto “a mulinello”.

6. IL PROGETTO

L’obiettivo da perseguire nel progetto di un sistema a displacement ventilation è,

come d’altronde quello di un qualsiasi sistema di climatizzazione, quello di garantire

condizioni di benessere per le persone che soggiornano all’interno del locale. E’ quindi

necessario che il sistema sia in grado di rimuove i carichi termici e i contaminati dall’am-

biente, mantenendo condizioni di comfort termoigrometrico e qualità dell’aria

soddisfacenti.


Il progetto di un sistema a displacement ventilation si basa su un approccio

progettuale di tipo prestazionale, piuttosto che prescrizionale. In effetti i parametri di

progetto non sono fissati a priori da imposizioni di carattere normativo ma sono frutto di

un calcolo nel quale la condizione base da verificare è che la concentrazione di

contaminante nella zona occupata resti al di sotto del valore limite consentito.

Nel progetto, la portata d’aria di ventilazione V·

o richiesta è il parametro principale

da valutare. Essa deve assicurare che

� l’altezza del piano neutro yst sia sufficientemente elevata (si tenga come riferimento

la “zona di inalazione” dell’individuo, considerando, eventualmente, anche l’

“efficacia di trasporto del corpo umano”)

� la concentrazione di inquinante nella zona occupata coc sia inferiore al valore

ammissibile

� i minimi valori di portata di rinnovo da immettere in ambiente siano rispettati

� il carico termico ambiente venga rimosso.

Più in generale, nel progetto di un sistema di ventilazione a dislocamento devono

essere definiti, oltre alla portata di ventilazione V·

o, i seguenti parametri:

� l’altezza del piano neutro, yst

� il profilo verticale di concentrazione, c=c(y)

� il profilo verticale di temperatura, T=T(y)

� il distanza di draft risk, ln

In figura 14, è proposto il diagramma di flusso che descrive schematicamente i

passi da seguire nel progetto di un sistema a displacement ventilation.


E’ interessante notare come un incremento della portata d’aria di ventilazionepermetta sia di elevare l’altezza del piano neutro sia di ridurre la concentrazione dicontaminante in ambiente sia di diminuire, a parità di carico termico rimosso, il ∆To

dell’aria tra mandata e ripresa, quindi di ridurre i rischi di discomfort legati al gradiente


verticale di temperatura. Tuttavia, va ricordato che un incremento della portata d’ariaaumenta l’estensione della regione di draft risk.

E’ evidente quindi che il progetto di un sistema a displacement ventilation nasce daun buon compromesso tra il valore della portata di ventilazione V

·o ed il valore del

gradiente di temperatura ∆To, avendo pur sempre come obiettivo primario il

mantenimento dell’altezza del piano neutro a valori sufficientemente elevati.Numerosi studi condotti (Alamdari, 1998; Brohus, 1998; Tan e al., 1998) hanno

mostrato come, al fine di evitare l’insorgere di problemi di discomfort, un sistema adisplacement ventilation può essere adottato per estrarre carichi termici non superiori a50 W/m2, valore che può non essere sufficiente per garantire l’estrazione della totalitàdel carico termico, soprattutto in locali ad uso ufficio dove sono presenti numerosicarichi endogeni (persone, PC, stampanti, luci, etc).

In presenza di carichi termici più elevati, è necessario accoppiare i sistemi a displa-cement ventilation a sistemi integrativi di rimozione dei carichi termici. Una soluzionerecentemente studiata e applicata propone l’installazione in ambiente di controsoffittiradianti freddi che, se da un lato estraggono una adeguata frazione del carico ambiente,dall’altro riducono il gradiente verticale di temperatura (Corgnati, 2001 e 2002).Adottando questa soluzione, il campo di applicazione della displacement ventilation puòestendersi fino a carichi termici dell’ordine di 100 W/m2 (Brohus, 1998).

Tuttavia, poiché il controsoffitto raffredda non solo per convezione l’aria ma ancheper radiazione le pareti laterali, si registra un aumento della portata discendente V

·2, che

produce un abbassamento dell’altezza del piano neutro yst. Quindi, in presenza di elevati

carichi termici, può manifestarsi un significativo ampliamento della zona a miscelazione,cosicché il moto dell’aria nella zona occupata si trasforma da “prevalentemente strati-ficato”, caratteristico della displacement ventilation, a “prevalentemente miscelato”,caratteristico della mixing ventilation (Niu e Kooi, 1994): per questo motivo, studicondotti da Tan e al. (1998) suggeriscono che il controsoffitto non rimuova più del 50%del carico totale.

Alcune applicazioni dei sistemi accoppiati “displacement ventilation + soffittofreddo” si estendono anche a potenze termiche superiori, ma il risultato è un vastoallargamento della zona a miscelazione: in questi casi, quindi, i benefici dellaventilazione a dislocamento si perdono (Brohus, 1998).

7. UN ESEMPIO DI CALCOLO

A titolo di esempio, si propone il calcolo di massima dei parametri progettuali diun sistema a displacement ventilation per la climatizzazione della sala riunioni (LxWxH= 5x4x2.7 m) rappresentata in figura 15, occupata da 4 persone, con 4 lampade ed un PCe caratterizzata da un carico termico esogeno pari a 385 W.

Portata di ventilazioneNel calcolo di progetto, adottando un approccio cautelativo, si può ritenere che

l’equazione (1) si riduca a:


cioè che tutto il flusso convettivo prodotto dalle sorgenti termiche V·

1 debba essere

alimentato dall’aria di ventilazione V·

o.

Si sceglie come altezza del piano neutro yst il valore consigliato per persone sedute,

pari a 1.1 m. La portata V

·1 è, come rappresentato in figura 15, somma dei termini dovuti al

contributo delle 4 persone, ognuna delle quali produce una portata di circa 20 l/s a 1.1 mdi altezza (si veda figura 5), alle 4 lampade e al PC (rispettivamente 3.5 l/s e 18 l/s).

Si ha quindi:

=(20 l/s ⋅ 4) + (3.5 l/s ⋅ 4) + 18 l/s = 112 l/s

Dal calcolo effettuato emergono dueimportanti considerazioni:� la portata prodotta da un individuo a 1.1

m di altezza, pari a circa 20 l/s, èsuperiore alla minima portata di ricambiorichiesta secondo UNI-10339 (11 l/s)

� è possibile, qualora lo si ritenganecessario, adottare un’altezza del pianoneutro yst più bassa (che equivale a

portate inferiori) tenendo contodell’effetto di richiamo di aria fresca delcorpo umano attraverso l’indice ηe.

Concentrazione di contaminanteNel locale in esame si può assumere che la principale fonte di contaminante sia

rappresentata da bioeffluenti umani, per i quali si può adottare come indicatore laconcentrazione di anidride carbonica. Considerando per una persona in attivitàsedentaria una emissione di CO2 pari a 0.006 l/s, applicando l’equazione (4) risulta

La norma ASHRAE Standard 62/99R stabilisce, nell’approccio prestazionale(indoor air quality procedure), un limite massimo di concentrazione di CO2, int nell’am-

biente interno in termini di differenza rispetto alla concentrazione di CO2, est nell’am-

biente esterno:

dove la concentrazione esterna è considerata compresa tra 300 e 500 ppm. Prendendo come CO2,int il valore misurato nella zona occupata, esso è pari a circa


il 30% di cR (regola del 30%). Quindi assumendo una concentrazione media nell’am-

biente esterno di 400 ppm, risulta:

Tale risultato evidenzia che il limite di concentrazione di inquinante è ampiamentesoddisfatto.

Carichi termiciGli apporti termici sono riportati in figura 15. Considerando l’effetto di

attenuazione dovuto all’azione capacitiva degli elementi strutturali (assunto pari al 30%),il carico termico da estrarre è pari a:

da cui

Applicando la regola del 50%, il gradiente verticale di temperatura tra pavimentoe soffitto risulta essere pari a 2.5°C, corrispondente a 0.93°C/m essendo l’altezza dellocale uguale a 2.7 m. Il valore così ottenuto rispetta il limite assunto di 2°C/m.

8. RIFERIMENTI BIBLIOGRAFICI

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Xing, H.J., Awbi, H.B., The Neutral Height in a Room with DisplacementVentilation, Roomvent2000, Vol. 2, Reading (UK), 2000

9. SIMBOLOGIA

Ar Numero di Archimede [ - ]c concentrazione [ppm o kg/kg]H Altezza del locale [m]ln Distanza di draft risk [m]q· c Portata di contaminante [kg/s]T Temperatura [°C]u, v Velocità [m/s]V·

Portata volumica d’aria [m3/s]yst Altezza del piano neutro (o altezza della zona a flusso stratificato) [m]Φ Potenza termica [W]ε, η Efficacia (effectiveness) [ - ]ρ densità [kg/m3]

Pedicie riferito alle condizioni di inalazionef riferito alle condizioni a livello del pavimentoo riferito alle condizioni di immissioneoc riferito alle condizioni nella zona occupataP riferito alle condizioni nel punto PR riferito alle condizioni di estrazione

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Identità principale

Da: Blowtex <[email protected]>A: Blowtex <[email protected]>Data invio: mercoledì 10 gennaio 2001 9.41Oggetto: Tempo Medico - News

STORICI E MATEMATICI CONCORDANO: PRESTO COMPARIRA' LA NUOVA SPAGNOLA

Nell'attesa della prossima pandemiaBox: Cronistoria di un secoloBox: Carta d'identità del virus

Un nuovo farmaco contro l'influenza (in codice GS 4104) è stato annunciato nel corso di una conferenza stampa da alcuni ricercatori di una piccola azienda biotecnologica della California. Sperimentato per ora solo su animali (che sono rapidamente guariti dalla febbre e dagli altri sintomi), il composto agisce bloccando l'enzima neuraminidasi a livello di una regione che è quasi identica per i diversi sottotipi di virus. La scoperta potrebbe rivelarsi molto importante nei prossimi anni, in uno dei quali dovrebbe presentarsi, secondo la previsione di molti epidemiologi, una nuova pandemia influenzale analoga alla Spagnola del 1918, come insegna l'esperienza del dottor Wang.Due estati fa Wang sentì dire che il prezzo delle uova era aumentato, perché in certe zone della Cina molti polli si erano ammalati. Niente di grave; i polli guarirono e i prezzi tornarono rapidamente alla norma. Nessuno si preoccupò molto della vicenda, eccetto il dottor Wang. Il quale comprò alcuni polli malati e li studiò, fino ad accertare la causa della malattia: influenza da virus A, sottotipo H9. L'episodio è un esempio dell'attività svolta da un folto gruppo di osservatori epidemiologici sparsi in tutto il mondo e coordinati dall'Organizzazione mondiale della sanità. Il gruppo è stato costituito per segnalare l'eventuale insorgenza di una nuova pandemia di influenza. Se l'OMS viene messa in allarme con sufficiente anticipo, può far partire la produzione di un vaccino adatto, da impiegare prima che la pandemia si diffonda. Con un po' di fortuna, si potrebbero salvare milioni di vite umane. Un pericolo che per quest'anno è stato scampato, ancora una volta. L'epidemia, infatti, non sembra delle più terribili. Il virus che ne è responsabile appartiene al tipo A/H3N2. E' una vecchia conoscenza, quindi molte persone sono già immunizzate nei suoi confronti. Inoltre, è imparentato con il ceppo scelto per produrre il vaccino antinfluenzale, il che significa che tutti coloro che si sono vaccinati possono stare tranquilli: al massimo, contrarranno solo una forma molto attenuata della malattia. Sul pianeta vivono, oltre agli uomini, molti miliardi di virus A dell'influenza. Di essi si sa abbastanza poco. E' stato ipotizzato che possano far danno all'uomo solo quando fa freddo; nelle altre stagioni se ne starebbero

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tranquilli all'interno di portatori sani assai poco contagiosi. Numerosi dati di fatto, però, contrastano con questa ipotesi, che attualmente è screditata. Probabilmente, i virus vivono in Oriente, dove passano nascosti e silenziosi più di metà di ogni anno. Ospiti dell'organismo, sembra, di varie specie di uccelli acquatici. Questi uccelli trascorrono molti mesi ogni anno su certe isole al largo della Cina, ovvero in zone appartate e paludose della Cina meridionale. Al momento giusto, però, migrano sulle coste della Cina sudorientale, in regioni densamente popolate. Qui giunti, gli uccelli acquatici disperdono con le feci i virus, che contagiano vari altri uccelli colà residenti, inclusi le anatre di allevamento, i polli, e i maiali. Questi ultimi passano l'infezione agli allevatori, e questi ai commercianti, ai turisti e così via. Gli influenzati, contagiosissimi, nel volgere di qualche mese spargono i virus per il mondo. Come tutti i virus, anche quelli dell'influenza sono costituiti da varie componenti, due delle quali sono di somma importanza agli occhi degli uomini, le glicoproteine H e N (emoagglutinina e neuraminidasi). La proteina H forma "punte" che sporgono sulla superficie del virus, le quali hanno affinità per taluni recettori situati sulla membrana che circonda le cellule dell'uomo (e di vari animali). I virus, quindi, una volta entrati nelle vie respiratorie, si fissano mediante le emoagglutinine alle cellule, penetrano in esse, e qui si moltiplicano. Le proteine N collaborano attivamente nel determinare la malattia. Non è eccezionale che durante la replicazione i geni di un virus-padre si trasmettano ai virus-figli con qualche mutamento. Se i cambiamenti sono piccoli, i virus-figli possiedono proteine H (o N) molto simili a quelle del virus-padre. Se i mutamenti sono importanti, anche le proteine sono notevolmente variate. In questo caso gli scienziati dicono che i virus-figli appartengono a un sottotipo diverso. In effetti, gli scienziati hanno riscontrato negli uccelli e in altri animali un discreto numero di sottotipi, che hanno designato con numeri. In tutto, hanno rilevato l'esistenza di virus dell'influenza A con 15 sottotipi di proteine H, ovvero con 9 sottotipi di N. La maggior parte dei sottotipi è stata isolata solo nel corpo di animali diversi dall'uomo: per esempio virus del sottotipo H7 sono stati notati in vari uccelli, nei cavalli e nelle foche. Spesso le proteine H di questi particolari virus si agganciano male alle cellule umane; i relativi virus, quindi, non sono capaci di indurre nell'uomo alcuna malattia. Fino a ora si sono dimostrati capaci di scatenare epidemie di influenza solo virus dei sottotipi H1, H2 e H3, sempre combinate con N1 o N2. Negli ultimi anni, in particolare, tutti i casi di influenza umana studiati sono stati prodotti da due soli sottotipi, l'H3N2 e l'H1N1, con cui la maggioranza della popolazione mondiale ha già avuto contatti. Per questa ragione, quasi tutti gli uomini e le donne possiedono anticorpi neutralizzanti, capaci di bloccare la funzione delle due proteine che condizionano l'attività patogena del virus. Ecco perché anche quest'anno l'influenza non sta assumendo contorni drammatici.I virus sono capaci di infettare molta gente, ma la malattia che si sviluppa in ciascun individuo è attenuata, non grave. L'esperienza insegna che, nei casi peggiori, si ammala il 10-20 per cento della popolazione, con una mortalità extra, rispetto agli anni buoni, di 10.000-20.000 persone negli Stati Uniti (ragionevolmente: tra 2.000 e 5.000 in Italia). Le prospettive sarebbero state assai differenti se, invece, si fosse verificata una mutazione importante. Dicono gli esperti: "Gli uccelli acquatici dell'estremo Oriente ospitano molto spesso, contemporaneamente in una medesima cellula, più sottotipi di virus. Quando questi si riproducono, può capitare che il virus di un sottotipo scambi qualche pezzetto di RNA con un collega appartenente a un sottotipo diverso. In tal caso nascono virus nuovi, differenti dai propri genitori. Virus che, ovviamente, producono

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proteine H (o N) altrettanto nuove".

I virus nuovi, responsabili delle pandemie, originano probabilmente dalla ricombinazione genetica tra un ceppo umano e un ceppo animale. Il contenitore ideale per questo shake è il maiale. Per esempio, dalla combinazione presentata nel disegno possono nascere altre 251 varianti oltre a quelle raffigurate.

Fra i molti virus nuovi che possono nascere, capita (qui impera la legge del caso) che qualcuno abbia le proprietà che lo rendono adatto a infettare varie specie di animali. Se le ha si diffonde. E se è in grado di infettare l'uomo, può provocare una pandemia. Essendo il virus largamente nuovo, infatti, nessun individuo possiede anticorpi capaci di bloccarlo. "Nel 1957" dicono le cronache "si è messo a letto con l'influenza più del 50 per cento della popolazione mondiale; mentre un altro 25 per cento si è ammalato più lievemente, in maniera subclinica". Si tratta poi di vedere, aggiungono gli specialisti, quanto il virus nuovo è aggressivo: il ceppo H1N1 che causò la pandemia di influenza spagnola del 1918-1919, provocò dai 10 ai 20 milioni di morti. Le pandemie successive furono assai meno esiziali, ma questo non basta a placare l'ansia dell'OMS. Ansia che è alimentata dagli storici e dai matematici. Gli storici segnalano la comparsa di virus fortemente mutati ogni 10-15 anni. E rilevano che i due sottotipi responsabili di tutti gli episodi di influenza umana registrati negli ultimi anni stanno girando ormai da molto tempo: l'H3N2 è in circolazione da 29 anni e l'H1N1 da 20. I matematici fanno notare che, nei grandi numeri, anche gli eventi casuali si riproducono con regolarità; e quindi che l'evento "nascita di un ceppo nuovo capace di attaccare animali e uomo" può avverarsi in qualunque momento; anzi, è probabile che si avveri presto. Il nuovo arrivato, approfittando del fatto che nessuno è dotato di anticorpi capaci di combatterlo, infetterà rapidamente gli animali suscettibili, con ogni probabilità soppiantando i vecchi virus. L'OMS non sta con le mani in mano. Ha istituito più di cento laboratori nazionali, in stretto contatto con i Centri specializzati di Atlanta, Londra e Melbourne. Ha, soprattutto, potenziato il Centro nazionale per l'influenza di Pechino, in Cina. Dato che è in questa zona che sono iniziate tutte le ultime epidemie, Pechino è considerato un avamposto.

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Massimo Obbiassi

© 1997 Tempo Medico (n. 548 del 12 febbraio 1997)

Approfondimenti in internet

Annals of Internal MedicineLa rivista dell'American College of Physicians ha messo in rete un articolo sulla futura pandemia influenzale. Titolo: Preparing for the next Influenza pandemic: a reemerging infection.

Cronistoria di un secolo

anni sottotipi* caratteri dell'epidemia1889-1890 H2N8 pandemia grave1900-1903 H3N8 epidemia moderata1918-1919 H1N1 (spagnola) pandemia grave1933-1935 H1N1 (variante) epidemia leggera1946-1947 H1N1 (variante) epidemia leggera1957-1958 H2N2 (asiatica) pandemia grave1968-1969 H3N2 (cinese) pandemia moderata1977-1978 H1N1 (variante) pandemia leggera

*Alcuni dati remoti derivano dall'esame degli anticorpi di uomini molto anziani.

Carta d'identità del virus

L'originedel nome

Deriva dalla convinzione che le epidemie derivassero da un influsso astrale sfavorevole (ab occulta coeli influentia)

Il bigliettoda visita

I singoli ceppi vengono designati a seconda del luogo di origine, del numero e anno di isolamento, del sottotipo. Per esempio: A/Victoria/3/79/H3N2

I parentidel virus

Il virus dell'influenza B, che è responsabile di epidemie limitate, determina una forma clinica meno grave. Il virus C è raro, probabilmente dà manifestazioni subcliniche

Il costo Negli anni sessanta si ebbero negli USA tre epidemie maggiori, costate ciascuna da 1,5 a 3,5 miliardi di dollari. Si prevede che, oggi, un'epidemia costerebbe molto di più

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SentiwebE' il sito sentinella dell'INSERM francese che, sulla base delle segnalazioni dei medici di base, descrive l'andamento sul territorio delle epidemie, e in primo luogo dell'influenza.

Centers for Diseases Control di AtlantaI CDC di Atlanta, sempre aggiornati in fatto di malattie infettive, forniscono una serie di informazioni relative all'influenza: la storia naturale, le caratteristiche cliniche, il vaccino, la terapia, eccetera.

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Displacement Ventilation: funzionamento e progettoblowtex-educair.it/blowtexsoft per...

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