classificazione degli impianti - ciriaf.it · kw termici. la grande diffusione degli impianti...
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Gli impianti sono realizzati con lo scopo di mantenere all’interno degli
ambienti confinati condizioni termoigrometriche adeguate alla loro
destinazione d’uso
GENERALITA’
Possono essere classificati in:
impianti di riscaldamento (controllo della temperatura dell’aria in
condizioni invernali);
impianti di climatizzazione (controllo della temperatura dell’aria in
condizioni sia invernali che estive);
impianti di condizionamento (controllo di temperatura, umidità relativa,
velocità e purezza dell’aria in condizioni sia invernali che estive);
apparecchi autonomi (controllo della temperatura dell’aria in un numero
limitato di locali, in condizioni sia invernali che estive).
Gli impianti di riscaldamento e climatizzazione hanno la stessa
configurazione di impianto ma nel secondo caso si invia nelle tubazioni e
negli elementi terminali alternativamente acqua calda o acqua refrigerata,
a seconda delle stagioni.
Impianti di riscaldamento e climatizzazione
Il fluido termovettore è acqua, riscaldata o raffreddata in centrale e quindi
distribuita mediante pompe di circolazione e attraverso una rete di
tubazioni.
Gli elementi terminali nei singoli ambienti possono essere ventilconvettori
(fan - coils) o mobiletti ad induzione (nel caso di impianti di riscaldamento
possono essere impiegati anche i radiatori).
Impianti di climatizzazione
AUTONOMI
CENTRALIZZATI
CENTRALIZZATI
1. Impianti centralizzati in condominiali: la caldaia è collocata in un
locale dedicato, chiamato centrale termica, da cui si snoda la rete;
2. Impianti per quartiere o comprensorio: teleriscaldamento con
acqua surriscaldata o vapore come fluido termovettore e scambiatori di
calore.
Vantaggi: rendimento globale più elevato rispetto a quelli autonomi;
Svantaggi: la regolazione non può essere modellata secondo le
esigenze specifiche di ciascuna singola utenza
1. Impianti centralizzati condominiali
Si ha un generatore di calore che produce acqua calda ad una temperatura
inferiore a 100°C; la rete di distribuzione dell’acqua, pertanto, non è in pressione.
I primi impianti realizzati erano quasi tutti a circolazione naturale; veniva sfruttata
la differenza di densità fra l'acqua dell'andata e l'acqua del ritorno ai corpi
scaldanti, dovuta alla differenza di temperatura che si produceva per la cessione
di calore nei corpi scaldanti stessi (radiatori).
Grazie alla silenziosità e affidabilità dei motori e delle pompe, la circolazione
dell’acqua avviene per mezzo di esse si parla dunque di circolazione forzata; l'acqua
circola fra la caldaia ed i corpi scaldanti mediante reti di tubazioni in acciaio nero, in
rame o in materiale plastico.
Le caratteristiche dimensionali e costruttive della centrale termica, sono regolate da
norme volte soprattutto a garantire la sicurezza.
DEFINIZIONE
Un impianto di riscaldamento è quel complesso di elementi e di apparecchiature
atti a realizzare e mantenere in determinati ambienti valori della temperatura
maggiori di quelli esterni. Controllo della sola temperatura dell’aria in inverno.
• elementi terminali o corpi scaldanti;
• rete di distribuzione dell’acqua calda;
• vaso di espansione;
• pompa di circolazione;
• generatore di calore.
COMPONENTI PRINCIPALI:
Impianti ad anello monotubo: si tratta di una distribuzione sul perimetro della
superficie da scaldare, in cui i corpi scaldanti sono posti in serie;
Caratteristiche
- la lunghezza delle tubazioni è ridotta e si ha una maggiore garanzia sulla tenuta;
- l’ultimo radiatore di ciascuna zona è il più sfavorito in quanto la differenza tra la
temperatura media dell’acqua e quella dell’aria è più bassa;
- per avere la stessa resa, occorre aumentare la superficie di scambio termico.
Se si chiude un radiatore, si blocca il flusso anche agli altri (risolto con un by-pass).
1.Per la regolazione si impiegano valvole a quattro vie, questo sistema viene
utilizzato dove gli altri risultano troppo costosi, ad esempio per riscaldare locali
molto ampi.
Schema di impianto complanare monotubo con terminali in serie.
Dalla caldaia si
dipartono
verticalmente le
tubazioni di
mandata e di
ritorno, dalle
quali, in
corrispondenza
di ogni piano e
per ogni zona
termica, si
dirama una
tubazione di
mandata che si
chiude ad anello
su tutti gli
utilizzatori
Impianti ad anello monotubo
: Schema di impianto a due tubi a ritorno semplice.
Impianti ad anello a due tubi: consente un minor impiego di tubazioni senza precludere
la possibilità di regolare il singolo terminale; consiste nel servire in serie e parallelo con
due tubi i diversi terminali, che prendono il fluido dal tubo di mandata e lo scaricano su
quello di ritorno.
Il ritorno di un terminale non va quindi a quelli successivi.
Le portate sono diverse nelle diverse zone di distribuzione; ad ogni uscita verso
un terminale, la portata diminuisce nel tubo di mandata, che verrà quindi
dimensionato con diametri decrescenti, in modo da avere perdite di carico costanti
per unità di lunghezza.
L’ultimo terminale sarà soggetto a perdite molto più alte del primo, per la maggior
lunghezza dei tubi di mandata e ritorno.
Schema di impianto a due tubi a ritorno inverso.
Se l’impianto è molto lungo, con il ritorno inverso tutti i terminali sono soggetti a
perdite di carico simili, anche se a livello impiantistico occorre utilizzare una
tubazione di ritorno più lunga.
I terminali sono dimensionati in base alla ripartizione del carico termico nei
diversi ambienti e la distribuzione dell’acqua calda avviene
indipendentemente per ciascun radiatore.
Impianti a collettori complanari
Dal collettore partono tanti tubi quanti sono gli elementi terminali (uno per
la mandata e uno per il ritorno); si tratta di tubi di diametro molto piccolo, in
genere <16 mm, in rame, senza pezzi speciali; sono installati stendendoli
sul massetto e proteggendoli dallo schiacciamento.
Per limitare lo sviluppo dei circuiti interni, è solitamente consigliabile
disporre i collettori in zona baricentrica rispetto ai terminali da servire.
Gli impianti a sorgente e a cascata, tendono oggi ad essere abbandonati;
ciò è dovuto al fatto che, per molti aspetti, non rispondono alle nuove
normative.
Infatti esse richiedono che la tariffazione sia individuale, valutata in
relazione alle calorie effettivamente consumate dal singolo utente; occorre
pertanto individuare, relativamente a ciascuna unità immobiliare, la portata
d’acqua e le temperature di ingresso e di uscita.
In un impianto a sorgente o a cascata tutto ciò risulta complesso, in quanto
occorrerebbe inserire un contacalorie per ciascun radiatore ed un
totalizzatore; nei sistemi ad anello o a collettori complanari, invece, è
sufficiente un contacalorie per ogni anello o collettore, cioè per ogni unità
immobiliare.
Impianti di teleriscaldamento
Gli impianti di teleriscaldamento sono costituiti da una centrale di
produzione del calore, con il fluido termovettore immesso in una rete di
distribuzione in grado di servire uno o più quartieri cittadini.
Il fluido può essere vapore o acqua surriscaldata, in fase liquida, alla
temperatura di circa 130 °C.
In corrispondenza dei singoli edifici serviti la rete si immette nella centrale
termica, dove uno scambiatore di calore alimenta l’impianto dell’edificio, con
un sistema di distribuzione simile a quelli descritti in precedenza.
Un impianto di teleriscaldamento può servire anche edifici esistenti,
sostituendo il generatore di calore con uno scambiatore di calore.
Vantaggi: possibilità di allontanare dall’interno degli agglomerati urbani le
emissioni dei prodotti della combustione;
ottenere un consistente risparmio energetico, grazie agli elevati valori del
rendimento dei generatori di calore di grandi dimensioni.
Ogni utenza è servita da un generatore di calore, con una taglia media di circa 35
kW termici. La grande diffusione degli impianti autonomi è stata determinata dalla
possibilità di farli funzionare secondo le esigenze dell’utente; il rendimento globale è
più basso rispetto agli impianti centralizzati con maggiori costi di esercizio.
La distribuzione dell'acqua calda avviene con le stesse modalità viste per gli
impianti centralizzati.
Nell’ambito degli impianti autonomi si possono citare i radiatori a gas, elementi
che hanno la forma di un ventilconvettore ed ognuno dei quali possiede un
bruciatore. I vantaggi di questi impianti sono il fatto che il collegamento tra gli
elementi terminali è costituito da un tubo di piccolissime dimensioni, non esistono
problemi di congelamento e l’impianto può essere parzializzato.
Si tratta di impianti a convezione forzata tra i fumi della combustione del gas e
l’aria, che presentano un fattore di scambio molto elevato, pertanto il tempo di
messa a regime è ridotto.
Tra gli svantaggi dei radiatori a gas occorre ricordare che si ha la presenza di
numerose fiamme ed altrettanti scarichi in un appartamento; si hanno inoltre molte
probabilità di guasti e occorre un’adeguata manutenzione, soprattutto nel controllare
gli scarichi.
IMPIANTI AUTONOMI
IMPIANTI
DI CONDIZIONAMENTO
A TUTT’ARIA MISTI
ARIA/ACQUA
a portata
costante
a portata
variabile
a
ventilconvettori
a
induzione
monocondotto
multizone
a doppio
condotto
monocondotto
multizone
a due tubi
a tre tubi
a quattro tubi
a due tubi
a tre tubi
a quattro tubi a doppio
condotto
Classificazione degli impianti di condizionamento.
Impianti di condizionamento
Il controllo di tutte le grandezze microclimatiche è effettuato mediante
l’impiego di aria; la regolazione può avvenire con una variazione della
temperatura di immissione (impianti a portata costante) oppure con una
variazione della portata dell’aria (impianti a portata variabile).
La potenza termica Q fornita e/o sottratta da una data portata d’aria G è:
)TT(GQ aI
in cui e sono densità e calore specifico dell’aria e TI e Ta sono
rispettivamente la temperatura dell’aria di immissione e dell’aria ambiente
Per variare Q, nella regolazione dell’impianto si possono variare:
TI (impianti a portata costante);
G (impianti a portata variabile).
Impianti tutt’aria
Schema di principio di un impianto a tutt’aria.
Impianti tutt’aria
Sono utilizzati in edifici dove il volume da condizionare è costituito da grandi ambienti
con condizioni termoigrometriche di progetto uniformi (teatri, cinema, auditorium, ecc.),
che pertanto possono essere garantite mediante l’introduzione di aria in condizioni di
temperatura e umidità relativa prefissate.
Impianti misti aria-acqua
L’aria ha lo scopo di assicurare il giusto grado di purezza dell’aria
ambiente, l’adeguato tasso di umidità e di controllare la velocità;
la temperatura è controllata mediante la presenza di terminali disposti in
ambiente, costituiti essenzialmente da una batteria di scambio termico
alimentata ad acqua;
la regolazione della temperatura avviene localmente intervenendo sugli
elementi terminali.
Per quanto riguarda il trattamento e la distribuzione in ambiente dell’aria il
sistema è perfettamente analogo a quello relativo agli impianti a tutt’aria.
Schema di principio di un impianto misto aria/acqua.
Impianti misti aria-acqua
Gli impianti misti sono realizzati in edifici dove il volume da condizionare è frazionato
in un numero elevato di ambienti come edifici residenziali, uffici, scuole, ecc.
Impianti a portata costante
L’aria è inviata agli ambienti mediante un sistema di distribuzione costituito
da una rete di canali di mandata e dai relativi terminali di immissione
(bocchette, anemostati, diffusori lineari).
Dove è possibile il ricircolo, è presente anche un sistema di bocchette e
canalizzazioni di ripresa, che convogliano parte dell’aria ambiente di nuovo
nell’unità di trattamento aria, per essere poi ricircolata.
un’unità di trattamento (UTA) è composta dalle seguenti sezioni:
- serrande;
- sistema di filtrazione;
- batteria di pre-riscaldamento;
- sezione di umidificazione;
- batteria di raffreddamento e deumidificazione;
- batteria di post-riscaldamento;
- ventilatore di mandata.
Impianti a portata costante
La regolazione è generalmente del tipo a punto fisso.
Gli impianti a portata costante hanno il vantaggio di essere sistemi
semplici, dal punto di vista sia dell’installazione sia della distribuzione.
Consentono inoltre di utilizzare direttamente aria esterna per il
raffreddamento, quando le condizioni termoigrometriche della stessa lo
consentono (free cooling), e di controllare la qualità dell’aria ambiente
mediante adeguata ventilazione.
Impianti a portata variabile
L’aria è inviata negli ambienti mediante un sistema di distribuzione e,
laddove presente, di ripresa, analogo a quello degli impianti a portata
costante.
La regolazione della potenza termica ceduta o sottratta all’ambiente
avviene mediante variazione della portata d’aria immessa.
Vantaggi: il trattamento di una portata d’aria ridotta può consentire un
significativo risparmio energetico e questo spiega la diffusione di tale
tipologia di impianto negli ultimi anni.
Svantaggi: la riduzione di portata è al massimo del 25 – 30 % del valore
nominale, pertanto a volte non è possibile controbilanciare variazioni
maggiori del carico termico; tali impianti sono quindi realizzati generalmente
in locali caratterizzati da variazioni contenute del carico termico.
Impianti a portata variabile
L’UTA è costituita dagli stessi elementi di quella impiegata negli impianti a
portata costante.
Il ventilatore di mandata è a numero di giri variabile, per consentire la
variazione della portata d’aria; tale variazione, in passato, avveniva mediante
serrande sulla mandata e alette direzionali sull’aspirazione, oggi si impiegano
degli inverter per la variazione della velocità del ventilatore.
Particolare attenzione va posta nella scelta del ventilatore e dei terminali di
immissione, nonché nella progettazione della rete di distribuzione dell’aria,
all’interno della quale si hanno delle variazioni di pressione conseguenti alle
variazioni di portata, che devono essere opportunamente assorbite.
Sistemi monocondotto e a doppio condotto
Sia gli impianti a portata costante che quelli a portata variabile possono
presentare due diverse tipologie di sistemi di distribuzione dell’aria:
- monocondotto;
- a doppio condotto.
Negli impianti monocondotto l’aria, trattata centralmente, è inviata negli
ambienti mediante un’unica canalizzazione; pertanto consente il
controllo delle condizioni termoigrometriche di ambienti singoli, più o
meno ampi, o comunque con caratteristiche omogenee del carico
termico.
Qualora l’edificio non sia costituito da un singolo ambiente o da zone con
carichi termici omogenei e sincronizzati (es. edifici con zone a differente
esposizione, con valori del carico termico massimo contemporaneo
possono verificarsi in ore diverse della giornata, soprattutto nelle stagioni
intermedie) possono adottarsi impianti a doppio condotto.
Impiegano due canali di distribuzione dell’aria: uno per l’aria calda e uno
per l’aria fredda, prodotte contemporaneamente nell’unità di trattamento
dell’aria.
In inverno e nelle stagioni intermedie la portata totale, trattata inizialmente in
un canale unico (pre-riscaldamento e umidificazione), è suddivisa in due
canali, in uno dei quali è raffreddata (canale freddo) mentre nell’altro è
riscaldata (canale caldo).
L’aria immessa in ambiente è costituita da una miscela delle due correnti
d’aria, effettuata in una scatola di miscelazione collocata in prossimità di
ciascun ambiente.
La portata d’aria è immessa nella scatola dalle due canalizzazioni
mediante serrande coniugate comandate da un termostato ambiente, che
regola la portata d’aria proveniente dai due canali in funzione della
variazione di temperatura nell’ambiente da condizionare.
In questo modo l’impianto è in grado di compensare contemporaneamente
carichi termici e frigoriferi.
In estate i pre-trattamenti nel canale unico non sono effettuati.
I sistemi a doppio condotto hanno lo svantaggio di essere più costosi.
Sistemi multizone
Un sistema che costituisce un compromesso tra gli impianti monocondotto
e quelli a doppio condotto è costituito dai sistemi multizone.
Possono essere impiegati nel caso di edifici molto grandi, in cui è possibile
individuare zone termoigrometriche con diversità d’impiego o di
esposizione.
L’aria è trattata centralmente e distribuita con la stessa umidità specifica,
ma ad una temperatura diversa a seconda delle zone.
Tutti i trattamenti dell’aria, tranne il post-riscaldamento, sono effettuati
centralmente; a valle dell’umidificatore adiabatico la portata d’aria è
suddivisa in funzione delle esigenze delle diverse zone individuate
all’interno dell’edificio ed è trattata in altrettante batterie di post-
riscaldamento di zona.
Impianti di condizionamento misti aria-acqua
L’immissione di aria (detta aria primaria) consente il controllo dell’umidità
relativa, della velocità e della purezza dell’aria ambiente; la circolazione di
acqua all’interno di opportuni elementi terminali consente il controllo
localizzato della temperatura dell’aria ambiente.
L’ingombro dei canali per la distribuzione dell’aria è minore rispetto agli impianti
a tutt’aria, essendo la portata necessaria al controllo di umidità relativa e purezza
generalmente inferiore rispetto a quella necessaria al controllo della temperatura.
Il controllo locale della temperatura influenza il valore dell’umidità relativa
dell’aria che, essendo controllato centralmente, può assumere valori al di fuori di
quelli ottimali quindi occorre che i carichi latenti non risultino eccessivi, al fine di
consentire un miglior controllo dell’umidità relativa.
L’elevata portata d’aria primaria che si renderebbe necessaria vanificherebbe il
vantaggio delle dimensioni contenute dei canali di distribuzione, tipico di queste
soluzioni.
Negli impianti misti non viene effettuato il ricircolo; l’aria è pertanto estratta
mediante torrini di estrazione collocati in corrispondenza dei servizi che,
trovandosi in depressione, richiamano aria da tutti gli ambienti.
L’aria è generalmente fatta fluire attraverso i corridoi, nei quali transita
attraverso opportune griglie di transito installate nelle porte dei singoli
ambienti.
Impianti di condizionamento misti aria-acqua
In base alle caratteristiche degli elementi terminali, possono essere
classificati in:
- impianti con ventilconvettori;
- impianti a induzione.
Elementi terminali di un impianto
misto aria/acqua: venticonvettore
Sono elementi terminali che cedono o
sottraggono calore all’ambiente per
convezione forzata.
L’aria ambiente è fatta circolare dal
ventilatore attraverso la batteria di
scambio termico alimentata ad acqua
calda o refrigerata (inverno/estate),
con la quale scambia calore per
convezione forzata.
L’aria primaria è distribuita a bassa
velocità e a portata costante.
VENTILCONVETTORI
La regolazione avviene imponendo all’aria in uscita valori costanti di temperatura e
umidità relativa al variare delle condizioni esterne.
In inverno si invia aria a temperatura a 20-22 °C, mentre in estate tale valore
diventa 25 °C se è presente il postriscaldamento, oppure circa 16 °C.
VENTILCONVETTORI
Svantaggi:
- la deumidificazione incontrollata sulla batteria fredda, da cui consegue
un’inaccurata regolazione dell’umidità relativa attraverso l’aria primaria. Per
limitare questo inconveniente conviene dimensionare le batterie del freddo dei
ventilconvettori per una temperatura d’alimentazione dell’acqua pari a 11-13 °C, in
modo da limitare la condensazione nei terminali e affidare completamente il
controllo dell’umidità all’aria primaria;
- la rumorosità dei ventilconvettori, che contengono parti in movimento;
- la necessità di manutenzione dovuta alla presenza di una linea elettrica, un
elettroventilatore con commutatore di velocità, una o due batterie di scambio
termico e una o due valvole a più vie soggette a perdite, un filtro da pulire
periodicamente, uno scarico per l’acqua di condensazione, un’apparecchiatura
locale di regolazione.
Elementi terminali di un impianto
misto aria/acqua: mobiletto a
induzione (b).
I mobiletti ad induzione impiegano un
getto d’aria primaria ad alta velocità e
pressione per trascinare l’aria
ambiente.
Oltre a fornire ai locali l’aria esterna di
ventilazione (aria primaria), viene
generato un moto indotto dall’aria
ambiente (aria secondaria) che viene
riscaldata o raffreddata da una batteria
di scambio termico posta nell’induttore.
MOBILETTI A INDUZIONE
Possono presentare problemi di
rumorosità dovuti al transito dell’aria
primaria attraverso gli ugelli, a velocità
relativamente elevata.
MOBILETTI A INDUZIONE
L’aria è immessa attraverso bocchette posizionate all’ingresso dei locali, al di
sopra delle porte, nel caso degli impianti a induzione l’aria primaria deve essere
addotta all’elemento terminale mediante un canale che, nella maggior parte dei
casi deve attraversare il locale per giungere al mobiletto a induzione, di solito
posizionato dal lato opposto rispetto alle porte e alle dorsali del sistema di
distribuzione (sotto-finestra).
Maggiore ingombro da parte dell’impianto, con la necessità di realizzare
controsoffitti all’interno dei locali e con incrementi nei costi di installazione.
Impianti a due, a tre o quattro tubi
Sia negli impianti a ventilconvettori sia in quelli a induzione la distribuzione
dell’acqua può avvenire con un sistema a due, tre o quattro tubi.
I singoli elementi terminali sono collegati alla centrale di trattamento dell'acqua
con un circuito a due tubi del tutto analogo a quello utilizzato per gli impianti di
riscaldamento.
In figura si nota il collegamento degli elementi terminali al circuito dell’acqua
calda o a quello dell’acqua refrigerata; tutti gli elementi terminali sono
contemporaneamente o riscaldati o raffreddati, mentre potrebbe essere
necessario un contemporaneo raffreddamento in alcune zone e un
riscaldamento in altre.
Quando si passa dal funzionamento invernale a quello estivo o viceversa si
effettua la commutazione del circuito.
Sistemi a due tubi
Impianto a ventilconvettori a due tubi alimentato dal circuito caldo (a) e dal circuito
freddo (b).
b)
a)
Per evitare la commutazione e consentire il contemporaneo riscaldamento e
raffrescamento di ambienti diversi (che potrebbe rendersi necessario in locali con
diversa esposizione, soprattutto nelle stagioni intermedie), si adottano sistemi a tre
o quattro tubi.
Sistemi a tre tubi
Gli elementi terminali, tramite una valvola deviatrice a tre vie, sono collegati a
entrambi i circuiti dell’acqua calda e refrigerata; è così possibile che alcuni terminali
siano riscaldati mentre altri contemporaneamente sono raffreddati, realizzando una
regolazione a più zone.
Tutte le uscite dei ventilconvettori, sia caldi sia freddi, possono confluire in un unico
condotto di ritorno che porta alla caldaia e e alla macchina frigorifera.
Si ha un notevole dispendio di energia in quanto l’acqua di ritorno si porta ad una
temperatura intermedia tra quella calda e quella refrigerata e deve essere poi
trattata in centrale, con un considerevole salto termico.
Sistemi a quattro tubi
Oltre a mantenere completamente separati i circuiti dell’acqua calda e
refrigerata, questi sistemi hanno elementi terminali che presentano due batterie,
una per l’acqua calda e una per quella refrigerata, collegate ai rispettivi circuiti.
Delle due batterie entra in funzione di volta in volta quella in grado di soddisfare
le richieste termiche di ciascun ambiente.
Tali sistemi risultano molto più costosi di quelli a due tubi in quanto presentano
un doppio circuito e degli elementi terminali molto più complessi, essendo dotati
di due batterie.
(Sono l’equivalente degli impianti a tutt’aria a doppio condotto).
Inserendo sulle uscite una valvola a tre vie deviatrice, azionata in parallelo a
quella in ingresso, si possono tenere separati il circuito caldo da quello freddo in
tutto lo sviluppo della rete. Il termostato ambiente che agisce sulle valvole
d’ingresso e d’uscita le commuterà contemporaneamente, inviando tutte le uscite
fredde alla rete fredda e tutte quelle calde alla rete calda.