SISTEMI DI RISCALDAMENTO E RAFFRESCAMENTO
PER IL SETTORE TERZIARIO
Principi Base a Uso e Consumo del Cliente
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Argomenti trattati
Bibliografia
Impianti Termici e Comfort
Impianti Termici Decentralizzati
Impianti Termici Centralizzati
Impianti a Tutt’Aria
Impianti ad Aria con Terminal In-Room
Pannelli Radianti
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Bibliografia
2008 ASHRAE Handbook: HVAC Systems and Equipment, ASHRAE Research
Y.A. Cengel, M.A. Boles, Thermodynamics: an Engineering Approach, McGraw-Hill, 2008
Input Output Reference: The Encyclopedic Reference to EnergyPlus Input and Output, 2013
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Impianti Termici e Comfort
Thermal Comfort is “that condition of
mind which expresses satisfaction with
the thermal environment”.
(ASHRAE Standard 55)
Nessun sistema HVAC è completamente
soddisfacente a meno che i tre parametri
principali che controllano lo scambio termico
tra il corpo umano e l’ambiente circostante
(irraggiamento, convezione, evaporazione)
siano in condizione di neutralità termica.
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IMPIANTI TERMICI DECENTRALIZZATI: INTRODUZIONE
I sistemi decentralizzati possono essere
costituiti da una o più unità HVAC, con
unità di riscaldamento, condizionamento
e di ventilazione a immissione diretta o
indiretta di aria esterna, integrati nel
medesimo blocco.
Condizionatori monoblocco a finestra
Condizionatori monoblocco a parete
Pompe di calore condensate ad aria
Pompe di calore condensate ad acqua
Sistemi split
…
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Sistemi con pompa di calore (HP) condensata ad acqua: introduzione
Caratteristiche Generali
Problemi potenziali
Usano molteplici unità di riscaldamento
e condizionamento distribuite attraverso
l’intera porzione di edificio servita.
Il consumo di energia può essere
relativamente alto se confrontato con
altri sistemi.
La ventilazione con aria esterna (di
rinnovo) richiede l’utilizzo di un sistema
di ventilazione ad hoc.
L’immissione di aria esterna nella zona
servita può causare problemi.
Sono pensati per riscaldare e raffrescare
una o più stanze raggruppate in zone.
Le pompe di calore ad acqua richiedono
una sub-unità esterna di espulsione del
calore (es. torre evaporativa).
L’umidificazione, se richiesta, è fornita
da sistema supplementare.
Richiede manutenzione periodica per
garantire l’efficienza del sistema.
Può essere necessaria l’installazione di
un generatore di calore supplementare.
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Sistemi con pompa di calore (HP) condensata ad acqua: una visione più tecnica
Una HP estrae calore da una sorgente a
bassa temperatura per poi trasferirlo in un
ambiente a più alta temperatura:
Cicli delle HP di piccola taglia
Anche se le componenti che rendono
possibile la refrigerazione sono esse
stesse parte di una pompa di calore (il
ciclo termodinamico è lo stesso, anche
se inverso), la definizione di cui sopra
vale per il solo ciclo di riscaldamento.
Ciclo a ricompressione meccanica del
vapore con scambiatore di calore: il
vapore viene compresso a temperatura
e pressione sufficienti per poter essere
riutilizzato direttamente nel processo.
Le pompe di calore reversibili possono
alternativamente riscaldare o raffrescare
un ambiente.
Controllo
La gran parte dei compressori disponibili
sul mercato sono alimentati a elettricità
e possono essere o monostadio o
multistadio
Ciclo chiuso a compressione di vapore:
usa un ciclo di refrigerazione separato.
È importante verificare che il termostato
di zona sia sincronizzato col sistema di
ventilazione, in modo tale da garantire
la contemporaneità delle operazioni di
funzionamento.
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Sistemi Split per residenze o piccole attività commerciali
Caratteristiche Generali
Controllo
Un sistema split consta di uno o più terminali
di distribuzione dell’aria a controllo remoto
accoppiati ad unità condensante esterna. Il
condensatore può essere raffreddato ad
acqua o ad aria.
Il controllo del compressore può essere
mono o bi-velocità o modulante.
Le operazioni a flusso d’aria variabile
sono possibili con valvola di bypass.
L’alimentazione lato riscaldamento è
generalmente elettrica o a gas, mentre il
condizionamento è a espansione diretta
(ma può anche essere ad acqua
refrigerata).
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IMPIANTI TERMICI CENTRALIZZATI: INTRODUZIONE
Gli impianti centralizzati producono acqua
refrigerata, acqua calda, o vapore in
un’unica centrale, e servono le unità di
uno o più edifici insieme. Peculiarità:
Grande potenza di condizionamento e/o
riscaldamento installata e concentrata in
un unico generatore o, in alternativa, in
molteplici generatori di taglia più piccola
posti in serie o in parallelo tra loro.
Diversi sistemi con diversi tipi di
alimentazione possono coesistere in un
singolo impianto.
Problemi comuni
Sistemi e subsistemi possono non
essere istantaneamente disponibili, con
tempi lunghi per la produzione e la
successiva erogazione del fluido
termovettore.
Gli impianti sono più complessi di quelli
decentralizzati,
La logica dei sistemi di controllo può
essere molto complessa.
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Quali sono i macchinari principali degli impianti termici centralizzati?
Macchinari per il Raffrescamento
Macchinari per il Riscaldamento
Due categorie principali:
Un generatore di calore riscalda il fluido
termovettore, che viene poi distribuito
attraverso tutto l’edificio.
Chiller a compressione di vapore. Il compressore
può essere: reciproco, a vite o centrifugo.
Chiller ad assorbimento. Si distinguono tra a
singolo e a doppio effetto.
Le torri di raffreddamento, i condensatori
raffreddati ad aria, quelli evaporativi, o
una combinazione tra gli stessi, sono
necessari per espellere il calore dai
macchinari.
Il fluido termovettore può essere acqua
o vapore.
L’energia usata dal generatore di calore
può provenire elettricità, gas, gasolio,
carbone ecc.
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IMPIANTI A TUTT’ARIA: INTRODUZIONE
Il concetto basilare di funzionamento di
un sistema tutt’aria è quello di erogare
aria a condizioni tali per cui i carichi
termici sensibili e latenti presenti in un
ambiente vengano assorbiti dall’aria
immessa, ricreando le condizioni
ambientali desiderate. Due i meccanismi
utilizzabili per raggiungere lo scopo:
Far variare il volume d’aria immessa
nella zona.
Problemi comuni
Il malfunzionamento o la rottura di un
qualsiasi componente di un impianto a
tutt’aria, dal ventilatore a una valvola di
controllo, si ripercuote su tutte le zone
servite da quella unità.
Le azioni di controllo, soprattutto su
sistemi di grandi dimensioni, possono
essere estremamente difficoltose.
Far variare la temperatura dell’aria
immessa nella zona
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Quali sono i macchinari principali degli impianti Tutt’Aria?
Macchinari per il Raffrescamento
Macchinari per il Riscaldamento
Il raffrescamento può essere garantito
sia attraverso unità centralizzate che
decentralizzate.
Gli stessi criteri descritti per i sistemi di
raffrescamento sono validi per quelli di
riscaldamento.
La maggior parte dei sistemi di grande
dimensioni che contano diverse unità di
trattamento d’aria fanno capo a un unico
impianto termico centralizzato.
Unità di trattamento d’aria di piccole
dimensioni possono:
impiegare acqua refrigerata erogata da impianti
frigoriferi centralizzati.
Usare il raffreddamento a espansione diretta con
un sistema di condensazione centralizzato.
Essere raffreddati ad aria.
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Impianti Tutt’Aria: Temperatura dell’Aria Vs. Quantità d’Aria
Raffrescamento
Vantaggi dei sistemi ad aria fredda
La relazione che sussiste tra differenza
di temperatura ΔT e quantità d’aria (in
volumi) è approssimativamente lineare e
inversa: raddoppiando il ΔT, si dimezza
la quantità d’aria necessaria.
I vantaggi dei sistemi ad aria fredda
includono minori livelli di umidità nelle
zone servite e minor consumi per la
distribuzione (ventilatori).
Per una temperatura interna desiderata
di 24°C, un tipico impianto tutt’aria viene
generalmente concepito per immettere
aria nella zona servita a 13°C.
Svantaggi dei sistemi ad aria fredda
Il consumo energetico complessivo può
aumentare.
In impianti ad aria fredda, la temperatura
di immissione dell’aria viene portata
significativamente al di sotto dei 13°C,
nel tentativo di ridurre le dimensioni di
condutture e ventilatori
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IMPIANTI AD ARIA CON TERMINALI IN-ROOM: INTRODUZIONE
I sistemi con terminali In-Room possono
essere concepiti per la copertura totale
dei carichi sensibile e latente per i periodi
invernale ed estivo. Tuttavia la maggior
parte di questi sistemi funzionano al
meglio se accoppiati a un sistema
centralizzato di ventilazione.
Lato riscaldamento, possono impiegare
acqua calda, vapore o corrente elettrica.
Il raffrescamento può essere garantito
alternativamente attraverso espansione
diretta o acqua refrigerata.
Problemi comuni
Necessitano di molti sistemi di controllo
se confrontati con impianti tutt’aria.
Il flusso d’aria immesso nell’ambiente è
generalmente costante e non prevede
alcun tipo di fornitura allo spegnimento.
Acqua refrigerata a temperatura molto
bassa è necessaria per controllare il
tasso di umidità in maniera adeguata
all’interno di un ambiente.
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Impianti ad Aria con Terminali In-Room: Ventilazione Centralizzata
Con Ventilazione Centralizzata
I terminali provvedono unicamente alla
copertura dei carichi termici sensibile e
latente per i periodi invernale ed estivo.
La ventilazione è garantita attraverso un
impianto di canalizzazione separato.
Senza Ventilazione Centralizzata
Richiede maggiore potenza termica per
riscaldare o raffrescare l’aria di rinnovo
destinata all’ambiente servito.
Generalmente, l’aria di rinnovo erogata da un
impianto di ventilazione centralizzato si
definisce «primaria» per distinguerla da
quella di ricircolo. La quantità di aria primaria
viene determinata sulla base de:
Quantità di aria di rinnovo imposta dai
vincoli di progetto.
La potenza di picco per il raffrescamento
sensibile di zona.
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Impianti ad Aria con Terminali In-Room: Distribuzione delle Condutture
Per unità terminali ad acqua calda e/o acqua
refrigerata, il tipo di distribuzione del fluido
termovettore ne determina prestazioni, costi
iniziali del sistema, semplicità di messa in
opera e di funzionamento.
Distribuzione a quattro tubi
Ha tubazioni dedicate di mandata e di
ritorno per l’acqua calda e refrigerata.
Condizionamento e riscaldamento sono
disponibili nel corso di tutto l’anno.
Nessuna necessità di conversione del
sistema tra estate e inverno.
Distribuzione a due tubi
Acqua calda e refrigerata vengono
fornite al terminale alternativamente
attraverso la stessa conduttura.
Sistema di riscaldamento con distribuzione a due tubi
La conversione del sistema avviene al
raggiungimento di una determinata
temperatura di set-point.
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Impianti ad Aria con Terminali In-Room: I Fan-Coil
Possono sia riscaldare che raffrescare.
I requisiti per la ventilazione
Generalmente l’aria viene immessa nella
zona attraverso convezione forzata.
Può introdurre aria di rinnovo per la
ventilazione.
Le unità fan-coil possono garantire la
ventilazione o attraverso apposito foro
nella parete esterna o mediante sistema
centralizzato di distribuzione.
Generalmente ciascuna unità viene
controllata individualmente attraverso un
termostato integrato.
Il tasso di ventilazione può risentire
della direzione e velocità del vento e del
cosiddetto effetto camino.
Quando l’aria di rinnovo è fornita da un
impianto di ventilazione centralizzato,
l’immissione può avvenire o attraverso il
fan-coil o attraverso bocchetta dedicata.
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Principi della Radiazione Termica
È trasmessa in tutte le direzioni e viaggia
verso il suo punto di assorbimento alla
velocità della luce. Può essere riflessa.
Non ha bisogno di alcun mezzo per
propagarsi ed avviene ad un’ampia
gamma di frequenze.
L’intensità dell’energia varia con la
temperatura e con la lunghezza d’onda.
Aumenta la temperatura degli oggetti per
assorbimento, ma non aumenta in
maniera apprezzabile l’aria attraverso cui
viaggia.
L’ammontare totale della radiazione emessa
dipende da:
Temperatura della superficie emittente e
di quella ricevente.
Emittanza della superficie radiante.
Riflettanza, assorbanza e trasmittanza
della superficie ricevente.
Fattore di vista tra la superficie emittente
e quella ricevente.
È scambiata continuamente tra tutti i
corpi all’interno di un dato ambiente.
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