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VENTILAZIONE MECCANICA CONTROLLATA AD ALTA

EFFICIENZA

Vinchiaturo (CB), 30 marzo 2015

Sistemi di ventilazione meccanica controllata

Prof. Ing. Pasquale Catalano

Dipartimento Agricoltura, Ambiente e Alimenti

Università degli Studi del Molise

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Autore - Affiliazione


Prof. Ing. Pasquale Catalano – Dipartimento Agricoltura, Ambiente e Alimenti - Università del Molise

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GENERALITÀTipi e componenti di sistemi di ventilazione

• Impianti di ventilazione centrali hanno una unità di ventilazione per edificio e sono comunemente utilizzati negli uffici. Il flusso d'aria in ogni stanza può essere controllato per esempio da scatole a volume d'aria variabile.

• Impianti di ventilazione semi-centrali hanno una unità di ventilazione per ogni zona di costruzione (ad esempio il livello).

• Impianti di ventilazione decentralizzati hanno un'unità di ventilazione per unità di servizio (ad esempio aula, appartamento). Solitamente l'apporto di aria fresca e lo scarico dell'aria di scarico è decentralizzata pure. Ma l'aspirazione e l'espulsione possono anche essere centrali ed eventualmente coinvolgere ventilatori di supporto.




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GENERALITÀVentilazione

centralizzata

Ventilazione

decentralizzata

Vantaggi

Semplice manutenzione dei

filtri. Funzionamento silenzioso più facile

da realizzare

Calcolo della portata d'aria semplificato

Svantaggi

Maggiori difficoltà di dimensionamento,

regolazione e controllo del flusso d'aria per unità di

servizio

Maggiori difficoltà di regolazione e

manutenzione dei filtri

Gli impianti di ventilazione decentralizzati possono essere utili ad esempio per progetti di ristrutturazione

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GENERALITÀL'utilizzo di recuperatori di calore tratta di strumenti importanti per l'efficienza energetica degli edifici ed è obbligatorio in alcuni paesi. I seguenti tipi di scambiatori di calore sono utilizzati per il recupero del calore di scarto e l’efficienza:

• Scambiatore di calore equi-corrente• Scambiatore di calore a flussi incrociati: efficienza pari a

~ 60% - 65%• Scambiatore di calore in contro-corrente: efficienza pari a

~ 75% - 80%• Scambiatori di calore rotativi: efficienza pari a

~ 75% - 80%, con recupero di calore latente




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GENERALITÀ

Problemi e ostacoli per l'implementazione di sistemi di ventilazione meccanica - compiti per un'attenta pianificazione e acquisti sostenibili: Possibili vantaggi dei sistemi di ventilazione meccanica possono essere trasformati in svantaggi se non si garantisce qualità nella progettazione e nella esecuzione.

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GENERALITÀPer evitare false aspettative devono essere sottolineati i limiti di un sistema di ventilazione meccanica:

• Gli odori sgradevoli provenienti da fuori di solito non possono essere evitati.

• In generale, comunque, un ottima qualità dell'aria interna non può essere raggiunta solo mediante sistemi di ventilazione meccanica. È fondamentale evitare sostanze nocive nei prodotti da costruzione, finiture interne, arredamento nonché considerare la possibile presenza di fumo (non solo fumatori: anche ad esempio candele). Tuttavia, un sistema di ventilazione meccanica allevia il problema degli inquinanti interni




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GENERALITÀ

Un sistema di ventilazione meccanica soddisfa solo la domanda igienica di aria fresca ed è e non è un condizionatore d'aria. L'impianto di ventilazione può essere "aggiornato" ad un impianto di condizionamento, ma questo concetto può eventualmente danneggiare l'efficienza energetica complessiva di un edificio.

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GENERALITÀ

Per ottenere un'elevata efficienza energetica è importante mantenere uno dei principi della fisica applicata all’edilizia: prima costruire l’edificio in funzione del clima e microclima previsti, quindi definire e regolare gli impianti.In altre parole: la «qualità dell’involucro» dell'edificio deve essere molto elevata ed eventuali «inefficienze» non dovrebbero essere compensate da sistemi di aria condizionata.




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GENERALITÀPianificazione attenta:

• L'efficienza energetica dei sistemi di ventilazione dipende dal recupero del calore e dalla richiesta elettrica dei ventilatori.

• In particolare l’efficienza elettrica del sistema di ventilazione deve essere valutata con molta attenzione, altrimenti il fabbisogno di energia primaria per i ventilatori potrebbe diventare addirittura superiore al risparmio di energia primaria dovuto al recupero di calore.

Dunque il cuore di un sistema di ventilazione meccanica controllata diventa il recuperatore di calore

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Le Tipologie di Recuperatori

La figura mostra un tipico sistema di recupero di calore installato in sistema di ventilazione. Il flusso d'aria fresca viene preriscaldata o preraffreddata (a seconda della stagione) dal l'aria esausta e distribuita nell’interno dell’edificio. Sia l'aria in uscita che quella in entrata non si mescolano (non c’è scambio di massa) ma scambiano soltanto energia termica recuperando (condizione invernale) il calore dall'aria interna prima di essere scaricata all'esterno e riscaldano l'aria in entrata. A volte l'aria in ingresso viene filtrata per ridurre l'incidenza di polline e polvere, mentre l'aria in uscita viene filtrata per proteggere lo scambiatore di calore e i componenti interni. Questo sistema è utilizzato anche in sistemi HVAC di recupero.




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Le Tipologie di Recuperatori

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Le Tipologie di RecuperatoriEsistono diversi tipi di sistemi di recupero del calore che consentono sia il recupero del solo calore sensibile sia anche del calore latente (ad es. umidità).Questi ultimi, hanno in genere maggiori esigenze di manutenzione e risultano più costosi dei recuperatori di solo calore sensibile.In particolare, questi sistemi si sono significativamente dimostrati tra i metodi più efficaci in climi freddi.




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Le Tipologie di RecuperatoriEsistono diverse possibili classificazioni di scambiatori di calore basate su diverse caratteristiche:

• geometria,• direzione del flusso,• diversi fluidi di lavoro, ecc.

La trattazione che segue considera la classificazione basata sulle caratteristiche costruttive dello scambiatore di calore, il cuore del sistema di recupero.

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Recuperatori a piastre a flussi incrociati• Sono formati da un pacco di piastre parallele (lamiere metalliche

in alluminio o in acciaio inox) opportunamente distanziate l’una dall’altra.

• Ogni coppia di piastre è sigillata su due lati opposti, in modo da realizzare i canali in cui scorrono i fluidi.

• I più comuni sono quelli “a flussi incrociati”, mostrati in figura.

Ne esistono anche di piccole dimensioni, soprattutto per usi residenziali, con flussi in perfetta controcorrente per massimizzare lo scambio.

Da: M. Vio. Il recupero energetico dell’aria espulsa. Guida

AiCARR IV. Milano: Editoriale Delfino. 2014.




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Recuperatori a piastre a flussi incrociati

VANTAGGI

• Compattezza• Sono adatti a trattare portate di aria elevate• Buona efficienza: in condizioni neutre i valori di efficienza

sensibile sono uguali circa 0,65 o anche superiori• Nessuna contaminazione dell’aria (solo in caso di rottura)



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Recuperatori a piastre a flussi incrociati

SVANTAGGI

• Perdite di carico elevate• Necessità di filtrazione: sono difficili da pulire, perché l’accesso

è complicato• Problemi di condensa sull’espulsione: in climi freddi si

potrebbero anche rompere a causa del gelo• Regolazione solo con by-pass• Le canalizzazioni dell’aria di rinnovo ed espulsione devono

essere vicine






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I recuperatori a tubi di caloreIl moto del fluido avviene per differenza di temperatura e per gravità, senza bisogno di organi meccanici, come invece avviene nei circuiti frigoriferi.

• Sono formati da contenitori cilindrici sigillati, riempiti da un fluido evaporante (condensante), con funzioni simili a quelle del refrigerante in un circuito frigorifero. Si tratta generalmente di fluidi organici.

• Nel tubo di calore si distinguono due sezioni, una evaporante e una condensante.

– Nella sezione evaporante il fluido passa dalla fase liquida a quella vapore sottraendo calore all’aria da raffreddare

– in quella condensante il fluido passa dalla fase liquida a quella vapore cedendo calore all’aria da riscaldare.



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I recuperatori a tubi di calore




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VANTAGGI

• Compattezza• Buona efficienza: in condizioni neutre possono arrivare a valori

di efficienza pari a circa 0,7• Nessuna contaminazione dell’aria a meno di rottura



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SVANTAGGI

• Perdite di carico elevate• Le canalizzazioni dell’aria di rinnovo e espulsione devono

essere vicine• Costi elevati• Poca flessibilità nell'installazione• Di difficile regolazione: viene variata l’inclinazione dei tubi.




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I recuperatori a batterie accoppiate (run-around)

• Sono costituiti da due batterie alettate collegate in circuito chiuso, contenente acqua pura (o glicolata in caso di gelo).

• Il liquido viene fatto circolare da una pompa e una valvola a tre vie provvede alla regolazione della potenza.

• a NTU costante, il sistema presenta prestazioni ottimali quando le capacità termiche (flussi) dell'aria e del liquido di scambio sono uguali

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VANTAGGI

• Nessuna contaminazione dell’aria neppure in caso di rottura• adatti ad impieghi quali: ospedali, sale operatorie, camere

bianche, laboratori, lavorazioni industriali particolari, impianti già esistenti

• Perdite di carico basse• COP elevati• Le canalizzazioni dell’aria di rinnovo ed espulsione possono

essere anche distanti• Modulazione continua della potenza

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SVANTAGGI

• Scarsa compattezza• Efficienza media: dipende dal numero dei ranghi e quindi dalle

perdite di carico lato aria.• In condizioni neutre può raggiungere il valore 0,5 e aumentando

il numero di ranghi si può arrivare a 0,65, ma con aumento delle perdite di carico.




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I recuperatori rigenerativi(run around coil)

Sono costituiti da uno scambiatore a batterie accoppiate inserito a cavallo della batteria fredda. Consentono di regolare (almeno in parte) sia la temperatura che l’umidità



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In questo modo la potenza per il post-riscaldamento è gratuita. La massima quantità di calore scambiabile tra le batterie 1 e 2 è legata alle condizioni dei punti E e B e all’efficienza dello scambiatore, che a sua volta è legato al fattore di by-pass delle batterie. Con un fattore di by-pass della batteria BF pari a 0,1 si può raggiungere un valore di efficienza 0,45.






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VANTAGGI• Risparmi energetici interessanti• Perdite di carico nulle: si usano batterie di scambio già esistenti• Ottimo per i retrofit

SVANTAGGI• Efficienza non sempre accettabile



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Il recupero entalpico

• I recuperatori entalpici sono caratterizzati da scambio sia sensibile che latente.

• Le versioni più utilizzate sono gli scambiatori a flussi incrociati usati per basse portate di aria, e le ruote entalpiche.

• Entrambi sono simili per costruzione e caratteristiche ai rispettivi modelli sensibili (materiali permeabili o semi-permeabili).

• Nei recuperatori entalpici descritti qui di seguito c’è sempre trasporto di massa e quindi contaminazione tra il flusso di aria e quello dell’aria di rinnovo, quindi vanno evitati dove venga richiesta un’assoluta purezza dell’aria di rinnovo.




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Il recupero entalpico

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Il recupero entalpico• Gli scambiatori a flusso incrociato hanno il pacco di scambio formato

da una speciale carta igroscopica, in grado di permettere il movimento delle molecole d’acqua dal flusso di aria a maggiore umidità specifica a quello minore.

• Le ruote entalpiche sono costruite con una matrice di alluminio rivestito di materiale essiccante, in grado di trattenere le molecole di acqua dal flusso di aria caratterizzato da valori maggiori di umidità specifica e trasferirle all’altro.

Efficienza nel recupero dicalore sensibile: 80 %Efficienza nel recupero dicalore latente: 65 %






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I recuperatori rotativi

• Il Recuperatore rotativo è costituito da un rotore costituito da un materiale permeabile (o semi-permeabile ed eventualmente disidratante) montato in un involucro che opera in modo intermittente tra un fluido caldo e freddo, in modo che l'aria espulsa e l'aria fresca passino alternativamente attraverso ciascuna sezione. La velocità del rotore è relativamente bassa (3-15 rpm).

• Il rotore si estende su due condotti adiacenti. Un condotto trasporta l'aria di scarico; l'altro trasporta l'aria in ingresso che deve essere riscaldata trasferendo anche l'umidità tra i flussi d'aria in funzione del tipo di materiale. Il Recuperatore rotativo rappresenta una soluzione efficiente per gestire l'umidità trasportata dall'aria di ventilazione o per eliminare l'eccesso di umidità all'interno della camera da ventilare.

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I recuperatori rotativiVANTAGGI

• Caratterizzato da un elevatissimo sviluppo superficiale• Ottima efficienza: in condizioni neutre possono arrivare a valori

di efficienza sensibile pari a circa 0,80 o anche superiori• Perdite di carico non elevate• Regolazione continua grazie a un sistema di variazione continua

della velocità di rotazione o a periodi di on/off variabili• Ridotti problemi di formazione di brina grazie alla possibilità di

regolare la rotazione del rotore per evitare problemi di formazione di condensa.


AiCARR IV. Milano: Editoriale Delfino. 2014, modificato

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SVANTAGGI

• Contaminazione dell’aria: l’aria di rinnovo viene a contatto con l’aria espulsa

• Applicazione critica in ospedali, sale operatorie, camere bianche• Trafilamento dell’aria a causa della bassa velocità di rotazione• Necessità di filtrazione anche per preservare le superfici di

scambio• Le canalizzazioni dell’aria di rinnovo ed espulsione devono

essere molto vicine






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I recuperatori termodinamiciNei recuperatori termodinamici è presente un ciclo frigorifero per migliorare lo scambio di energia termica tra i due flussi di aria. In questo senso non sono considerati sempre come recuperatori veri e propri (quelli passivi); il consumo energetico proprio dell’impianto frigorifero si somma a quello di ventilazione per la movimentazione dell’aria attraverso gli scambiatori.

I recuperatori termodinamici più diffusi sono:• ad espansione diretta• a fluido intermedio

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I recuperatori termodinamici a espansione diretta

• Nel funzionamento in raffrescamento lo scambiatore posto nel canale di espulsione lavora come condensatore, mentre quello posto sul canale di presa d’aria esterna (rinnovo) lavora come evaporatore.

• In questo modo l’aria espulsa alle condizioni ambiente si riscalda, mentre quella di rinnovo si raffredda. Da: M. Vio. Il recupero energetico dell’aria espulsa. Guida

AiCARR IV. Milano: Editoriale Delfino. 2014




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• Nel funzionamento in riscaldamento il ciclo frigorifero si inverte: lo scambiatore sull’aria di espulsione lavora da evaporatore, mentre quello sul canale di rinnovo lavora da condensatore.

• In questo modo l’aria espulsa alle condizioni ambiente si raffredda, mentre quella di rinnovo si riscalda.


AiCARR IV. Milano: Editoriale Delfino. 2014

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VANTAGGI

• Nessuna contaminazione dell’aria, neppure in caso di rottura• Perdite di carico basse • Compattezza






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SVANTAGGI

• Manutenzione: c’è un ciclo frigorifero



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I recuperatori termodinamici afluido intermedio

• Una funzione simile a quella del recuperatore termodinamico a espansione diretta può essere realizzata con gruppi frigoriferi acqua - acqua.

• Il recupero di calore avviene attraverso due batterie di scambio termico collegate con due distinti circuiti idraulici, uno di acqua refrigerata collegato all’evaporatore, l’altro di acqua calda collegato al condensatore.

• Viene generalmente utilizzato per grandi installazioni dove vi è una grande variabilità sia dei carichi termici che delle portate di aria di rinnovo in diversi locali di un intero edificio




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Funzionamento in riscaldamento

Rispetto a un recuperatore termodinamico a espansione diretta, quello a fluido intermedio presenta alcuni vantaggi.



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Regolazione della potenza termica erogata più semplice variando la portata dell’acqua sulle batterie di scambio e non quella di refrigerante.






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Si ha a disposizione energia termica da sfruttare per altre utenze calde.

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Unico circuito idraulico per più UTA, mentre nei recuperatori termodinamici a espansione diretta ogni UTA deve essere dotata di un circuito frigorifero.






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Funzionamento in raffrescamento

Non conviene mai adottare la soluzione ottenuta invertendo il collegamento dei circuiti idraulici



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Funzionamento in raffrescamento

Le batterie poste sul canale di espulsione vengono disattivate. Il circuito idraulico dell’evaporatore è in parallelo con il gruppo frigorifero principale a servizio delle batterie fredde delle UTA, mentre quello del condensatore è sulle batterie di post riscaldamento delle UTA e alla produzione di ACS.






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VANTAGGI

• Nessuna contaminazione dell’aria neppure in caso di rottura• Perdite di carico basse• Possibilità di servire più UTA con un unico generatore• Regolazione molto semplice• Possibilità di recupero di calore per altre utenze calde



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SVANTAGGI

• COP inferiori a quelli dei sistemi statici• Manutenzione: c’è uno o più cicli frigoriferi

È una tipologia di recupero adatta a particolari utenze di grandi dimensioni, ad esempio quella ospedaliera. Può essere effettuata sia con gruppi frigoriferi tradizionali che polivalenti.






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ConclusioniLa scelta del recuperatore più adatto:• Per scegliere correttamente un recuperatore bisogna:• definire i valori di temperatura e umidità relativa dell’aria da

mantenere in ambiente, in ogni condizione di funzionamento• definire la tipologia d’impianto: tutta aria a portata costante, tutta

aria VAV, aria primaria;• definire i valori di temperatura e umidità specifica dell’aria

immessa in ogni condizione di funzionamento, noti i fabbisogni termici dell’ambiente;

• definire la portata di aria da immettere in ogni condizione di funzionamento;



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ConclusioniLa scelta del recuperatore più adatto:• calcolare l’energia annua richiesta per il trattamento dell’aria, sia

sensibile che latente; per far ciò è necessario conoscere bene il clima della località in cui si opera;

• valutare la possibilità di utilizzo del free cooling diretto;• considerare l’effetto dell’efficienza sensibile e latente delle varie

tipologie di recuperatori;• calcolare il COP dei recuperatori e del sistema, una volta scelti i

generatori;• effettuare un’analisi energetica ed economica dettagliata

sull’intera stagione di funzionamento.






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GRAZIE PER L’ATTENZIONE

Le opinioni espresse dagli Autori non rispecchiano necessariamente quelle dell’Associazione

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