PROGETTAZIONE

34RCI n.7/2014

L’efficienza della ventilazioneLa denominazione generica di Indoor

Air Quality per definire le condizioni

di salubrità all’interno degli edifici

spesso non restituisce in modo

esaustivo la realtà delle situazioni

che si producono. Uno dei fattori

responsabili di questa distonia è il

valore, non sempre sufficientemente

approfondito, dell’efficienza di

ventilazione, visto anche come

conseguenza diretta dei ricambi d’aria

esterna

Lo scopo principale di un impianto di ven-

tilazione è di rimuovere gli agenti inqui-

nanti che non possono essere elimina-

ti convenientemente in qualunque altro

modo e mantenere in tal modo le condi-

zioni di salubrità in ambiente.

In apparenza, questa che dovrebbe essere

una semplice e continua operazione di ri-

mozione e sostituzione in ambiente della

quantità d’aria “esausta”, in realtà risul-

ta un’operazione complessa che investe

tutta una serie di fattori nel campo del-

la climatizzazione in generale, primi fra

tutti le condizioni di IAQ e di risparmio

energetico.

Prova ne è che a questo fine negli ultimi

anni sono state prodotte e successivamen-

te aggiornate diverse normative rivolte a

specificare le condizioni ambiente indoor

(UNI EN 15251), in cui si osservano con

Luca Ferrari

particolare attenzione nella ventilazione

degli ambienti, i valori dei ricambi d’aria

esterna.

Nonostante ciò, risulta a tutt’oggi molto

impegnativo e difficilmente schematizza-

bile una valutazione sull’efficienza della

distribuzione dell’aria in ambiente.

Inoltre è bene ricordare che la presenza

degli occupanti modifica a volte in modo

sostanziale il processo di ventilazione e di-

luizione degli inquinanti, comprometten-

do spesso i risultati previsti.

Gli indici di ventilazione

Espresso in termini di disturbo, un siste-

ma di ventilazione può assumere una ca-

ratteristica simile a quella descritta nella

figura 1.

Da qui è facile osservare che fino a un

determinata portata d’aria gli effetti po-

sitivi della ventilazione aumentano con

l’aumento della portata, in quanto viene

diminuita la concentrazione delle sostan-

ze inquinanti. Viceversa, quando la porta-

ta d’aria raggiunge un valore ottimale, un

qualsiasi aumento supplementare arreca

soltanto un effetto marginale sulla dilui-

zione degli agenti inquinanti o sull’abbas-

samento della temperatura. In compenso,

aumentano in modo più che proporzionale

gli effetti indesiderati delle correnti d’aria

e della rumorosità in ambiente.

Se a queste semplici considerazioni si ag-

giunge, come ormai è ampiamente no-

to, che non solo la quantità della portata

d’aria immessa in ambiente determina le

condizioni di IAQ, è facile definire un indi-

ce di efficienza di ventilazione che sostan-

zialmente contraddistingue il processo di

miscelazione dell’aria e la distribuzione di

RCI_2014_007_INT@034-039.indd 34 12/06/14 10:04

35RCI n.7/2014

una sostanza inquinante all’interno della

zona occupata.

Allo stesso modo, sono stati individuati

diversi altri indici idonei a valutare in ma-

niera specifica le caratteristiche della ven-

tilazione degli ambienti climatizzati.

E’ dunque importante conoscere e inter-

pretare i distinti indici per avvalersi di una

buona comprensione delle caratteristiche

intrinseche del processo di ventilazione.

Efficienza di ventilazione

E’ buona cosa partire dalla definizione

dell’efficienza di ventilazione così come ri-

portata nella norma UNI EN 15251/2008

che definisce lo standard generale delle

condizioni ambientali indoor. Essa descrive

la relazione tra la concentrazione dei con-

taminati nell’aria immessa, nell’aria espul-

sa e nell’aria ambiente nella zona occupa-

ta (o meglio nella zona di respirazione):

c – cc – cV

EHA SUP

IDA SUP

=�

dove

ev = efficienza di ventilazione

cEHA = concentrazione dei contaminati

nell’aria espulsa

cIDA = concentrazione dei contaminati

nell’aria ambiente

cSUP = concentrazione dei contaminati

nell’aria immessa

L’efficienza di ventilazione dipende dal-

la distribuzione dell’aria e dal tipo e dalla

quantità di contaminati diffusi presenti.

E’ dunque possibile avere differenti valori

per diversi contaminati.

Nel caso di completa miscelazione dei con-

taminanti questo valore è uguale a 1.

L’indice di efficienza di ventilazione è a sua

volta basato su una valutazione “dell’e-

tà” dell’aria e sulla distribuzione di con-

centrazione della sostanza inquinante in

ambiente.

Queste due funzioni vengono individua-

te in indici che rappresentano l’abilità

dell’impianto di operare lo scambio dell’a-

ria in ambiente e di efficacia di rimozione

delle sostanze inquinanti.

Alcuni indici sono basati sui valori mediani

misurati sull’intero volume dell’ambiente,

mentre altri si riferiscono esattamente a

indicazioni per punti o posizioni specifi-

che. Ciò ha conseguenze importanti per-

ché mentre i valori medi in ambiente for-

niscono una indicazione sulle prestazioni

generali di un sistema di ventilazione, i

valori spazio-specifici mostrano le regioni

dove si potrebbe realizzare una ventilazio-

ne localizzata insufficiente.

Entrambi gli indici, medi e localizzati, so-

no quantità misurabili con la tecnica del

gas tracciante e possono essere previsti

anche attraverso calcoli di fluidodinamica

computazionale.

Efficienza del ricambio d’aria

Come si è detto, una via per valutare l’effi-

cacia del processo di ventilazione è quella

di osservare la frequenza con cui si ricam-

bia l’aria nell’ambiente ventilato.

L’età dell’aria viene misurata dal momento

in cui viene immessa in ambiente.

L’età media dell’aria (t–) è un concetto sta-

tistico basato sulla somma mediana della

distribuzione dell’età dei suo componenti

in tutti punti del locale (figura 2).

È intuitivo che, tanto più breve sarà l’età

media dell’aria ambiente, tanto più effi-

ciente risulterà la ventilazione del locale

stesso.

L’età media dell’aria nel punto di espul-

sione (tn ), viene espressa dalla relazione:

Vqn

V

=�

Il valore della costante di tempo nomi-

nale tn dipende dunque solo dal volume

dell’ambiente (V) e dalla portata di venti-

lazione (qv).

Il valore minimo di ricambio d’aria nell’am-

biente tn, lo si ottiene con un flusso a pi-

stone (figura 3).

Viceversa, per tutti gli altri processi di

ventilazione il tempo medio di ricambio

dell’aria tr, ossia il tempo di ricambio re-

ale dell’intera portata d’aria in ambien-

te, dipende, oltre che da tali fattori (V,

qv), anche dall’andamento del flusso d’a-

ria nel locale stesso e può dunque varia-

re a seconda che la diffusione avvenga

per normale miscelazione o per disloca-

mento.

L’efficienza media del ricambio d’aria ea

può così essere determinata dal confronto

del minor tempo di ricambio possibile tn,

in relazione con il tempo medio reale con

1 Andamento della variabile disturbante in ambiente in funzione dell’aumentodella portata d’aria di ventilazione. Si noti come oltre una determinata portata d’aria la linea tratteggiata dei disturbi ricominci a crescere.

RCI_2014_007_INT@034-039.indd 35 12/06/14 10:04

36RCI n.7/2014

cui viene effettivamente ricambiata l’aria

in ambiente tr.

1002

100 %a n

r

n [ ]= ⋅ = ⋅��

�

�

�

La seconda relazione mette in evidenza co-

me l’efficienza media del ricambio d’aria

possa essere espressa anche dal rapporto

tra la minore possibile età media dell’aria

2n�

e l’età media dell’aria (t–).

Come detto, il tempo medio di ricambio

dell’aria tr può essere determinato con l’uti-

lizzo di gas traccianti (esafloruro di zolfo SF6).

Con una miscelazione perfetta, l’efficienza

media di ricambio d’aria vale 50%.

2Vqr

V

==

�

In pratica, l’efficienza di ricambio d’aria ri-

vela se nell’ambiente c’è tendenza al rista-

gno d’aria o al dislocamento (tabella 1).

Allo stesso modo, è possibile definire

l’efficienza di ricambio aria in una zona

specifica dell’ambiente ventilato, in par-

ticolare nella zona occupata, in modo da

comprendere se il ricambio d’aria nella

zona occupata (meglio ancora nell’area

di respirazione) è più rapida che nel re-

sto del locale.

Efficacia della rimozione

dei contaminati

Le stesse considerazioni sviluppate per l’ef-

ficienza di ricambio d’aria possono essere

trasposte per valutare la rimozione degli

inquinati dall’aria ambiente. Di solito un

agente contaminate “nasce” in ambiente

attraverso il rilascio da parte di processi,

materiali e corpi disturbanti e viene dap-

prima diluito attraverso l’apporto di aria

di ventilazione (esterna e non), e succes-

sivamente rimosso attraverso le prese di

espulsione.

La qualità dell’aria in termini di concentra-

zione dell’agente inquinante dipende dai

seguenti fattori:

– il tasso di produzione dell’agente inqui-

nante;

– la portata d’aria;

– la distribuzione dell’agente inquinante

all’interno dell’ambiente;

– la distribuzione dell’aria all’interno

dell’ambiente;

– la distribuzione dell’aria e dell’agente in-

quinante all’interno dell’ambiente dipende

dalla proprietà del contaminate (più leggero,

più pesante o della stessa densità dell’aria);

– temperatura dell’aria di ricambio rispet-

to alla temperatura ambiente;

– posizione dei diffusori di mandata e di

ripresa dell’aria;

– posizione delle fonti di calore in ambiente.

In relazione a ciò, un modo per determinare

l’efficienza di ventilazione è di confrontare

la concentrazione di un dato contaminante

prelevato nell’aria di ripresa dall’ambiente

considerato con la concentrazione media

del contaminate nel medesimo ambiente:cc

c e=�

Tab. 1 – Efficienza media del ricambio d’aria (ea) in relazione della tipologia di distribuzione dell’aria.

Tipo di distribuzione Efficienza media

Completa e perfetta miscelazione 50%

Flusso a pistone (unidirezionale) 100%

Dislocamento 50 - 100%

In corto circuito <50%

2 L’età media dell’aria in un punto del locale è il connubio dei diversi tempi di permanenza e di contaminazione in ambiente dei suoi componenti.L’età media dell’aria nel punto di espulsione (tn ), rappresenta il tempo minimo di ricambio totale dell’aria nell’ambiente.

RCI_2014_007_INT@034-039.indd 36 12/06/14 10:04

37RCI n.7/2014

Tab. 2 – Efficacia di distribuzione dell’aria nella zona occupata (Ez).

Tipo di distribuzione Ez

Aria fredda immessa dal soffitto 1,0

Aria calda immessa dal soffitto e ripresa a pavimento 1,0

Aria calda (> 8 °C) immessa e ripresa dal soffitto 0,8

Aria calda (< 8 °C) immessa dal soffitto e ripresa. L’aria immessa ha una velocità di almeno 0,8 m/s e raggiunge un altezza di 1,4 m dal pavimento 1,0

Aria fredda immessa dal pavimento e ripresa a soffitto. L’aria immessa ha una velocità di almeno 0,8 m/s e raggiunge un’altezza oltre i 1,4 m dal pavimento 1,0

Aria fredda immessa dal pavimento e ripresa a soffitto. L’aria viene immessa con il sistema a dislocamento unidirezionale e stratificazione 1,2

Aria calda immessa dal pavimento e ripresa a pavimento. 1,0

Aria di ricambio immessa in un lato opposto a quello di ripresa e/o espulsione 0,8

Aria di ricambio immessa in vicinanza alla ripresa e/o espulsione 0,5

3 Nel caso di flusso unidirezionale (a pistone), l’età media complessiva dell’aria in ambiente (t) è pari alla metà del tempo minimo di ricambio totale (tn). In questo caso l’efficienza di ricambio d’aria raggiunge il limite insuperabile del 100%.

4 In presenza nel locale di zone di stagnazione, la concentrazione media dei contaminati nell’aria in ambiente

risulta maggiore della concentrazione dei contaminati nell’aria espulsa, diminuendo

considerevolmente l’efficienza di ventilazione.

dove:

ce = la concentrazione dei contaminati

nell’aria espulsa;

c = la concentrazione media dei contami-

nati nell’aria in ambiente;

In altre parole, l’efficacia di rimozione del

contaminate misura di quanto l’aria vie-

ne “pulita”.

Similmente all’efficienza di ricambio aria,

si definisce l’indice locale di qualità dell’a-

ria per verificare se la concentrazione della

sostanza inquinante nell’aria di espulsio-

ne è maggiore di quella nella zona di re-

spirazione e dunque l’impianto funziona

in modo corretto.Va comunque ricordato

che i valori della portata d’aria minima di

ventilazione non dovrebbero poter variare

significativamente in funzione dei carichi

di inquinamento.

La normativa americana

La normativa americana Ansi/Ashrae 62.1

e successivi addendum si propone, tra gli

altri scopi, di determinare la minima quan-

tità di aria esterna da inviare in ambien-

te attraverso l’impianto di ventilazione in

grado di garantire le migliori condizioni di

comfort, salute (e produttività) degli oc-

cupanti. In capo alla norma viene definita

RCI_2014_007_INT@034-039.indd 37 12/06/14 10:04

38RCI n.7/2014

una premessa che definisce un livello ac-

cettabile di qualità dell’aria la condizione

per cui nell’aria di ventilazione non sia-

no presenti concentrazioni ritenute nocive

degli inquinanti conosciuti e soprattutto

quando una maggioranza rilevante (80%

e più) delle persone presenti non esprime

sensazioni di insoddisfazione.

Cosi come avviene in Europa, anche lo

standard 62.1 stabilisce che vi debbano

5 Nella Ashrae 62.1, l’efficacia di distribuzione dell’aria nella zona occupata (Ez) cerca di individuare le inefficienze della miscelazione dell’aria di ventilazione all’interno dell’ambiente (tabella 2).In figura, il valore scende a 0.8 in presenza di aria calda immessa dal soffitto e ripresa complanare.

essere condizioni di ventilazione sufficien-

temente efficaci e contemporaneamente

modifica la minima quantità di aria ester-

na a seconda dell’efficacia del processo

di ventilazione.

In particolare, nella parte 6 della norma,

che costituisce il cuore dell’intera direttiva,

si distingue la procedura di calcolo della

minima aria esterna tra l’utilizzo del tasso

di ventilazione (Ventilation Rate Procedure,

VRP) o attraverso la qualità dell’aria inter-

na (Indoor Air Quality Procedure - IAQP).

Nel primo caso, la quantità di aria ester-

na viene predeterminata dal tipo di appli-

cazione, dal livello di occupazione e dalla

superficie ventilata.

In particolare viene cosi definita una por-

tata d’aria esterna circoscritta alla zona

occupata (Breathing Zone) (Vbz):

Vbz = RpPz + RaAz

dove:

Az = superficie netta del pavimento

Pz = numero massimo di persone presenti

in condizioni di normale operatività

Rp = portata d’aria esterna per persona

Ra = portata d’aria esterna per unità di su-

perficie persona

La zona occupata, che è facilmente di-

stinguibile, viene definita come la regio-

ne all’interno di uno spazio ben defini-

to in cui l’aria di ventilazione deve essere

fornita. Questo concetto viene precisato

per chiarire la differenza fra l’aria immessa

attraverso le canalizzazioni del sistema di

ventilazione e, viceversa, quella che real-

mente raggiunge gli occupanti nell’area

occupata.

La capacità dell’impianto di ventilazione

di trasportare l’aria esterna alla zona di re-

spirazione dello spazio occupato può es-

sere descritta da due indicatori: l’efficacia

di distribuzione dell’aria nella zona occu-

pata Ez e l’efficienza di ventilazione del

sistema applicato a ambienti multizona

con ricircolo dell’aria interna Ev.

E’ proprio infatti partendo dalla stima

dell’efficacia di distribuzione dell’aria (si-

mile alla europea efficienza del ricambio

d’aria) che deve essere operata la pri-

ma selezione sulla quantità di aria ester-

na, in quanto importanti (e motivate)

preoccupazioni sono state lungamente

espresse circa le inefficienze della misce-

lazione dell’aria di ventilazione all’interno

RCI_2014_007_INT@034-039.indd 38 12/06/14 10:04

39RCI n.7/2014

In generale è facilmente riscontrabile che in

regime di condizionamento il valore di Ez si

approssimi all’unità, mentre diventa mino-

re di uno per processi di riscaldamento, in

quanto la miscelazione con l’aria ambien-

te e le possibili sorgenti calde comportano

probabili risalite dell’aria (figura 5).

Una volta definita l’efficacia di distribuzio-

ne dell’aria si è così in grado di risalire alla

necessaria portata di aria esterna da im-

mettere nei diffusori con la relazione:

Voz = Vbz/Ez

Nella tabella 3 si riportano i valori della

portata d’aria esterna in funzione della

formula indicata.

Il processo di selezione della portata d’a-

ria esterna termina distinguendo gli am-

bienti in:

– sistemi a zona singola, Vot = Voz;

– sistemi con una portata del 100% di aria

esterna, Vot = Sall zonesVoz;

– sistemi multizona con ricircolo, dove la

portata di aria esterna è data da Vot = Vou/Ev.

Il calcolo di Vou dipende dalla sommato-

ria di tutte le zone per un coefficiente

di contemporaneità (diversity) e Ev rap-

presenta l’efficienza del sistema di ven-

tilazione.

Quest’ultimo indice misura l’inefficienza

di un impianto multizone con ricircolo ri-

spetto ad uno con una portata del 100%

di aria esterna.© RIPRODUZIONE RISERVATA

dell’ambiente e dunque della possibilità

che l’aria esterna di ventilazione non fos-

se in grado di raggiungere in modo con-

sistente la zona occupata.

Il valore dell’efficacia di distribuzione

dell’aria viene indicato nella tabella 2 ri-

chiamando la normativa Ashrae che lo ri-

cava in funzione del processo di clima-

tizzazione (freddo, caldo, ventilazione,

ricircolo, ecc.) e del tipo di distribuzione

(a soffitto, pavimento, laterale, ecc.).

Tab. 3 – Portata d’aria esterna da immettere nei diffusori.

Efficacia di distribuzione nella zona occupata Tipo di distribuzione Portata d’aria esterna alla

zona occupataPortata di aria esterna da immettere nei diffusori

1,0 Aria fredda immessa dal soffitto 85 85

1,0 Aria calda immessa dal soffitto e ripresa a pavimento 85 85

0,8 Aria calda (> 8°C) immessa e ripresa dal soffitto 85 106

1,0 Aria calda immessa dal pavimento e ripresa a pavimento 85 85

0,7 Aria calda immessa dal pavimento e ripresa a soffitto 85 121

Tab. 4 – Efficienza del sistema di ventilazione (E

v), dove Z

p

rappresenta la frazione di aria primaria esterna.

Massimo (Zp) Ev

<0,15 1,0

<0,25 0,9

<0,35 0,8

<0,45 0,7

<0,55 0,6

<0,55 Appendice A

RCI_2014_007_INT@034-039.indd 39 12/06/14 10:04