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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
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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.
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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.
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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
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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
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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
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