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Elettrotecnica

 

Guida agli impianti di climatizzazione (seconda parte)

Una corretta scelta del sistema di climatizzazione di un ambiente (fig. 2.1) presuppone innanzitutto un calcolo preliminare del fabbisogno termico dell’ambiente da climatizzare.

Per gli impianti di potenzialità superiore a 46,5 kW (40.000 kcal/h), come sappiamo, la legge 46/90 prescrive l’obbligo del progetto da parte di un progettista termotecnico abilitato, mentre per gli impianti di modeste dimensioni, anche se un calcolo dettagliato sarebbe comunque sempre consigliabile, risulta normalmente sufficiente una valutazione semplificata del fabbisogno termico.


Il calore

Tutti i corpi, che siano solidi, liquidi o aeriformi, sono formati da molecole in continuo movimento fra di loro.

Un’indicazione dell’intensità di agitazione delle molecole ci viene fornita dalla temperatura.

Nel Sistema Internazionale la temperatura si misura in gradi Celsius mentre nel Sistema Tecnico in gradi centigradi (°C), in pratica i due valori si equivalgono. L’agitazione molecolare aumenta se al corpo viene fornito calore, viceversa rallenta, arrestandosi completamente al raggiungimento dello “zero assoluto” (-273 °C), se viene sottratto calore.

Il calore assunto da un corpo è in definitiva determinato dal numero e dalla velocità media delle molecole che lo costituiscono.

Si ricorda che nel Sistema Internazionale l’unità di misura del calore (energia termica) è il Joule (J), mentre la caloria (kcal) è l’unità prevista dal Sistema Tecnico.

In Italia per definire in modo specifico ed intuitivo il processo di condizionamento o refrigerazione spesso si utilizza la Frigoria (Frig) che però non è contemplata da nessun altro sistema di misura.

Gli inglesi e gli americani usano invece le BTU (BritishThermal Unit).

Nel Sistema Internazionale l’unità di misura della potenza è il kW, mentre nel Sistema Tecnico è la kcal/h.

Le varie unità di misura sono fra loro convertibili mediante le seguenti relazioni:

  • 1 W = 0,86 kcal/h = 0,86 frig/h = 3,4 BTU/h
  • 1 kcal/h = 1 frig/h = 1,163 W = 3,95 BTU
  • 1 BTU/h=0,25 kcal/h=0,25 frig/h=0,293 W

Una sostanza può trovarsi allo stato solido, liquido o aeriforme. In generale il passaggio da uno stato all’altro dipende dalla temperatura, dal volume e dalla pressione. Fornendo o sottraendo energia ad una sostanza, rispettivamente si indeboliscono o si rinsaldano i legami molecolari, determinando in tal modo il passaggio da uno stato fisico all’altro (fig. 2.2).

Fornendo ad una sostanza una determinata quantità di calore costante nel tempo si può osservare che la temperatura aumenta al passare del tempo senza che la sostanza sia soggetta a nessun cambiamento di stato fisico. Solo in corrispondenza di una determinato valore di temperatura ha inizio il cambiamento di stato e, pur continuando a fornire la stessa quantità di calore, la temperatura si mantiene costante fino a che tutta la materia non è cambiata di stato (un esempio piuttosto comune è quello del cambiamento di stato del ghiaccio che inizia con la fusione, in corrispondenza degli 0°C, e continua con l’evaporazione quando si raggiungono i 100 °C).

In prossimità delle temperature che determinano il cambiamento di stato tutta l’energia somministrata viene utilizzata per sciogliere i legami intermolecolari che caratterizzano lo stato fisico della sostanza e la temperatura non cambia finché non si è concluso tale processo.

L’energia che determina l’aumento di temperatura senza cambiamento fisico si chiama calore sensibile mentre quella utilizzata per la trasformazione da uno stato fisico all’atro si chiama calore latente. Il calore latente di fusione ed evaporazione è un parametro caratteristico di ogni sostanza e la quantità di calore necessaria sarà tanto maggiore quanto più grande sarà la quantità di materia sottoposta a cambiamento di stato. L’energia spesa per il cambiamento di stato può essere restituita nel processo inverso. Se si sottrae calore al gas si ottiene il passaggio da gassoso a liquido.

L’energia spesa per il passaggio di stato iniziale ed immagazzinata nel gas viene di nuovo restituita sottoforma di calore.

I modi di trasmissione del calore

Il calore si trasferisce sempre da un corpo caldo ad uno meno caldo e può trasmettersi nei seguenti modi:

Conduzione (Fig. 2.3a)

É il sistema di trasmissione tipico all'interno dei solidi, oppure tra solidi in intimo contatto fra loro. Le molecole del corpo trasferiscono la propria agitazione termica da un punto più caldo a un punto meno caldo (es. una barra di ferro riscaldata ad una estremità trasmette il calore fino all’estremità opposta).

Convezione (Fig. 2.3b)
É il metodo di trasmissione del calore caratteristico dei liquidi e degli aeriformi. Le molecole si trovano in uno stato di agitazione termica e si muovono trasmettendo il calore a tutto l’ambiente in cui si trova il fluido (es. il calorifero riscalda tutto l’ambiente perché l’aria riscaldata tende a salire verso l’alto creando moti convettivi all’interno del locale).

Irraggiamento (Fig. 2.3c)
La trasmissione di calore avviene per mezzo di onde elettromagnetiche nella gamma dell’infrarosso (es. filamento incandescente di una lampada).


La trasmissione del calore nei locali da climatizzare

Negli locali da climatizzare il calore si trasferisce naturalmente da luoghi a temperatura maggiore verso luoghi a temperatura minore. In un ambiente la trasmissione del calore si manifesta quindi, attraverso la struttura edilizia (fig. 2.4), dall’interno verso l’esterno nel periodo invernale e dall’esterno verso l’interno nel periodo estivo.

In inverno, dall’interno (livello di temperatura più alto) il calore si disperde verso l’esterno (livello di temperatura più basso) e deve essere compensato dall’impianto di climatizzazione per conservare, come è auspicabile, un livello di temperatura costante nel locale.

In estate viceversa il calore si trasferisce dall’esterno verso l’interno, attraverso le pareti, le finestre e per irraggiamento dei raggi solari (fig. 2.5). A questo devono essere anche sommati eventuali apporti di calore dovuti a sorgenti interne come ad esempio presenza di persone, apparecchi di illuminazione, elettrodomestici, ecc.

Carico termico per l'aria di rinnovo

Una persona per il proprio benessere ha bisogno di inspirare una certa quantità di aria fresca, possibilmente pulita, corrispondente a circa 0,5 m3/h, e di espirare contemporaneamente nell’ambiente anidride carbonica.

Negli ambienti abitati sono da tener presenti tutta una serie di inquinanti provenienti da mobili, vestiario, fumi di cottura dei cibi, fumo di tabacco, ecc. che causano cattivi odori e determinano cause di malessere alle persone (fig. 2.7).

Studi condotti negli Stati Uniti hanno messo in evidenza come le principali cause di malessere fossero costituite per un 50% da insufficiente ventilazione con aria fresca e per il 28% da presenza di quantità non tollerabili di inquinanti nell’ambiente abitato (fig. 2.8).

Negli ambienti residenziali nel periodo invernale la legge n° 373 permette un numero di ricambi d’aria non superiori a 0,5 volumi-ambiente/ora con un’eccezione, purché di breve durata, fino a 4-5 volumi ambiente/ora per bagni, cucine e WC privi di aperture.

Nei locali pubblici invece la norma UNI 10339 richiede un ricambio di aria esterna che è funzione della destinazione d’uso, del numero di persone presenti o della superficie in pianta o del volume del locale.

Nel computo del carico termico occorre quindi considerare anche il calore perso con l’immissione di aria esterna necessaria per il ricambio (ad esempio l’immissione di un m3 di aria esterna a 35 °C con il 60% di umidità relativa richiede circa 10 W per mantenere le condizioni ambientali interne a 27 °C con un’umidità relativa del 50%).

In definitiva per calcolare il carico termico totale di un locale basta sommare i contributi dovuti al carico termico della struttura edilizia, al carico termico interno, e al carico termico per l’aria di ricambio. Il compito del climatizzatore è quello di mantenere una condizione di equilibrio termico e deve pertanto essere dimensionato in modo che la sua potenza sia almeno uguale o superiore alla somma dei carichi termici così calcolati (fig. 2.9).

 

Esempio di calcolo del carico termico per la scelta della potenza del climatizza

Per creare le migliori condizioni termoigrometriche un impianto di climatizzazione deve essere in grado di raffreddare e di deumidificare l’ambiente. Nelle grandi strutture dove si presentano specifiche necessita di controllo dell’umidità relativa, bisogna calcolare il carico termico totale tenendo conto sia del carico termico dovuto al calore sensibile sia di quello dovuto al calore latente:
  • Il carico termico sensibile influisce sulla temperatura dell’ambiente da climatizzare (ad esempio il calore che si trasmette attraverso la struttura, quello prodotto da apparecchi elettrici interni, quello dovuto alla presenza di persone e all’aria di rinnovo);
  • Il carico termico latente influisce sull’umidità relativa ambiente (respirazione e sudorazione delle persone, aria di rinnovo, sorgenti di umidità interna).

Negli ambienti residenziali o commerciali non è generalmente necessario suddividere il carico termico in sensibile e latente perché nella maggior parte dei casi è sufficiente fare una stima del carico termico totale.

Il calcolo deve essere riferito alle condizioni esterne di temperatura e umidità relativa del periodo estivo della zona di installazione dell’impianto (indicazioni relative alle condizioni termoigrometriche sono fornite dalla norma UNI 10339). Di seguito sono riportati alcuni esempi di calcolo semplificato relativo ad una stanza da letto di un appartamento tipo (fig. 2.10).

Tab. 2.1 - Tabella per la stima del carico termico per la scelta della potenza del climatizzatore
Descrizione
Dimensioni
Carico termico
(Watt)
Carico termico totale
(Watt)
A
Persone presenti
Lavoro sedentario
numero
 
x140 =
 
B
Finestre o vetrine
Esposte a Nord
m2
 
x29=
 
Esposte a Sud sole
m2
 
x140=
 
Esposte a Sud ombra
m2
 
x58=
 
Esposte a Est sole
m2
 
x98=
 
Esposte a Est ombra
m2
 
x29=
 
Esposte a Ovest sole
m2
 
x210=
 
Esposte a Ovest ombra
m2
 
x70=
 
C
Pareti esterne (detratta la superficie di finestre o vetrine)
Esposte a Nord o Est
m2
 
x12=
 
Esposte a Sud sole
m2
 
x29=
 
Esposte a Sud ombra
m2
 
x17=
 
Esposte a Ovest sole
m2
 
x35=
 
Esposte a Ovest ombra
m2
 
x17=
 
D
Pareti interne
Pareti che si affacciano verso locali non climatizzati
m2
 
x9=
 
Soffitti (solo quando il locale superiore non è climatizzato)
Sotto locale abitato
m2
 
x9=
 
Sotto solaio
m2
 
x29=
 
Sotto tetto o terrazza con buon isolamento
m2
 
x41=
 
Sotto tetto o terrazza con scarso isolamento
m2
 
x93=
 
F
Pavimenti
Pavimento che si affaccia su altro pavimento sottostante non climatizzato
m2
 
x12=
 
G
Carico elettrico dovuto ad apparecchi che emettono calore (lampade, macchine per ufficio, apparecchi elettrici o a gas, ecc..)
Tipo di apparecchio
Watt
 
x1=
 
Totale
A+B+C+D+E+F+G=
 
Condizioni ambientali di riferimento:
temperatura interna 27 °C - umidità relativa 50%
temperatura esterna 35 °C - umidità relativa 60%

 

Tab. 2.2 – Stanza da letto di appartamento situato in piano intermedio (appartamento A)
Appartamento A
Descrizione
Struttura disperdente
Carichi termici interni
Carico termico
Dimensioni
(m)
Superficie lorda
(m2)
Superficie finestre
(m2)
Superficie netta
(m2)
Persone presenti
(numero)
Apparecchi
(W)
Unitario
(W)
Totale
(W)
Parete nord
3 x 3
9
-1,5
7,5
---
---
12
7,5 X 12 = 90
Pavimento
4 x 3
12
---
12
---
---
12
12 X 12 = 144

Soffitto

4 x 3
12
---
12
---
---
9
12 X 9 = 108
Finestra Nord
1 x 1,5
---
---
1,5
---
---
129
1,5 X 29 = 43,5
Illuminazione
---
---
---
---
300
31
300 X 1 = 300
Persone - lavoro sedentario
---
---
---
---
2
---
140
2 X 140 = 280
Totale
926,5

 

Tab. 2.3– Stanza da letto di appartamento situato all’ultimo piano con soffitto rivolto verso sottotetto con buon isolamento (appartamento B)
Appartamento B
Descrizione
Struttura disperdente
Carichi termici interni
Carico termico
Dimensioni
(m)
Superficie lorda
(m2)
Superficie finestre
(m2)
Superficie netta
(m2)
Persone presenti
(numero)
Apparecchi
(W)
Unitario
(W)
Totale
(W)
Parete nord
3 x 3
9
-1,5
7,5
---
---
12
7, 5X 12 = 90
Pavimento
4 x 3
12
---
12
---
---
12
12 X 12 = 144

Soffitto

4 x 3
12
---
---
---
41
12 X 41 = 492
Finestra Nord
1 x 1,5
---
---
1,5
---
---
129
1,5 X 29 = 43,5
Illuminazione
---
---
---
---
300
31
300 X 1 = 300
Persone - lavoro sedentario
---
---
---
---
2
---
140
2 X 140 = 280
Totale
1349,5

 

Tab. 2.4 – Stanza da letto di appartamento situato all’ultimo piano con soffitto rivolto verso terrazzo con scarso isolamento (appartamento C)
Appartamento C
Descrizione
Struttura disperdente
Carichi termici interni
Carico termico
Dimensioni
(m)
Superficie lorda
(m2)
Superficie finestre
(m2)
Superficie netta
(m2)
Persone presenti
(numero)
Apparecchi
(W)
Unitario
(W)
Totale
(W)
Parete nord
3 x 3
9
-1,5
7,5
---
---
12
7,5 X 12 = 90
Pavimento
4 x 3
12
---
12
---
---
12
12 X 12 = 144

Soffitto

4 x 3
12
---
12
---
---
93
12 X 93 = 1116
Finestra Nord
1 x 1,5
---
---
1,5
---
---
129
1,5 X 29 = 43,5
Illuminazione
---
---
---
---
300
31
300 X 1 = 300
Persone - lavoro sedentario
---
---
---
---
2
---
140
2 X 140 = 280
Totale
1973,5

Dai tre esempi emerge ovviamente l’importanza che assume la coibentazione degli edifici: il terzo caso, appartamento C, relativo al locale situato sotto il terrazzo scarsamente isolato, richiede infatti una potenza quasi doppia rispetto a quella prevista per l’appartamento situato in posizione intermedia.

Se rapportiamo i carichi termici al volume del locale che nel caso specifico vale 4x3x3=12 m3 si ottiene:

  • Appartamento A - 926,5/36=25,7 W/m3
  • Appartamento B - 1349,5/36=37,4 W/m3
  • Appartamento C - 1973,5/36=54,8 W/m3

Frequentemente si fornisce come carico termico medio di un locale il valore di 35 W/m3. Dal risultato degli esempi precedenti si può notare che questa stima può essere riferita con una certa approssimazione ad un locale di tipo residenziale ma che potrebbe condurre a grossolani errori di valutazione se utilizzato anche in situazioni atipiche.

Il metodo semplificato proposto deve quindi essere utilizzato con attenzione e non in modo indiscriminato anche in considerazione delle approssimazioni adottate nella valutazione di:

  • Coefficiente K delle pareti;
  • Coefficiente di esposizione e di colore;
  • Carico termico fornito dalle persone (in particolare per quanto riguarda il tipo di attività fisica);
  • Condizioni esterne.

Oltre a questo, nella scelta della macchina, occorre tener presente che le potenze nominali sono fornite a condizioni di funzionamento normali e che temperature esterne molto elevate (ad esempio su di un terrazzo esposto al sole) determino una resa notevolmente inferiore (10% e oltre). Da quanto detto si può quindi concludere che è bene scegliere la macchina con una potenza nominale superiore del 15-20% rispetto al valore calcolato.

Principio di funzionamento di un climatizzatore

Il funzionamento di un climatizzatore si basa fondamentalmente sul principio di funzionamento di un sistema frigorifero a compressione (fig. 2.11).



Nel ciclo frigorifero si sfrutta la proprietà di un fluido refrigerante (i fluidi refrigeranti di uso comune portano le sigle riconosciute internazionalmente di R22, R407C e R410A) di assorbire calore quando evapora a temperatura e pressione basse e di cedere il calore assorbito quando condensano a temperatura e pressione alte.

Il gas refrigerante allo stato liquido entra nell’evaporatore dove evapora assorbendo calore dall’aria presente nell’ambiente. I tipi di gas refrigerante utilizzati evaporano però, quando si trovano alla pressione atmosferica, ad una temperatura troppo bassa per i nostri scopi (circa -41°C per l’R22, -44°C per l’R407C e -51°C per l’R410A).

Per questo motivo il sistema viene fatto lavorare con il gas ad una pressione superiore a quella atmosferica permettendoci, secondo necessità, di elevare la temperatura di evaporazione e di ottimizzare le funzioni richieste al climatizzatore che sono quelle di sottrarre calore e umidità all’aria dell’ambiente. In pratica quando il sistema split opera in raffreddamento la temperatura di evaporazione può essere compresa tra 0°C e +10°C in funzione della temperatura esterna e del tipo di sistema. Il calore accumulato dal fluido nella fase di evaporazione deve essere portato fuori dall’ambiente dal quale è stato prelevato e ceduto all’aria esterna.

Questo può essere ottenuto solo se portiamo il fluido ad una temperatura superiore a quella dell’aria esterna. Del lavoro necessario si occupa lo stesso compressore che, riducendo il volume del gas, ne aumenta la pressione e quindi la temperatura durante la fase di condensazione. Il calore può essere a questo punto ceduto all’esterno per mezzo del condensatore dotato di ventilatore collocato nell’unità esterna. A questo punto il fluido in uscita dal condensatore incontra una strozzatura, cosiddetta capillare, che determina una forte perdita di carico riportando di nuovo il gas refrigerante a bassa pressione e permettendo in tal modo di ricominciare il ciclo.