La progettazione degli impianti HVAC per gli uffici

Cosa ci ha insegnato la pandemia in ambito progettuale?  O almeno: su cosa ci ha fatto riflettere per quanto riguarda la progettazione impiantistica?  A leggere articoli e commenti su social e media, si direbbe che poco o nulla abbia inciso sulla mentalità dei progettisti.

Ci si è concentrati sul rischio (quasi nullo) di contagio legato agli impianti, sulla “ridefinizione dello spazio domestico”, sul “nuovo ruolo centrale che ha la propria abitazione dove è possibile fare anche smart working”, addirittura sui nuovi arredi da collocare in casa e in giardino! Ma nessuno ha fatto qualche riflessione sulla progettazione del sistema edificio-impianto, ovvero su involucro e sistemi tecnologici asserviti, finalizzati al mantenimento delle corrette condizioni di comfort termo-igrometrico in ambiente.

In particolare, nessuno lo ha fatto per ambienti che rischiano di diventare scatole vuote al primo futuro “accenno epidemico”. Mi riferisco a tutti gli edifici terziari, che rappresentano un asset fondamentale delle aziende e delle società che della gestione immobiliare hanno fatto il proprio core business.

Tra questi edifici devono essere annoverati quelli per gli uffici, per i quali il sistema impiantistico risulta l’unico elemento tecnologico endogeno al fabbricato tramite cui riuscire a ridurre il rischio di diffusione e contagio. Salvo che si vogliano considerare soluzioni non solo come temporanee e limitate, le mascherine, gli schermi trasparenti, il distanziamento tra le persone e, soprattutto, lo smart working diffuso e obbligatorio.

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Edifici per uffici: suddivisione e requisiti progettuali

La legge prevede una serie di disposizioni a tutela della salute dei lavoratori di cui occorre tenere conto quando ci si accinge a progettare un ufficio; si tratta soprattutto di indicazioni tecniche riguardanti la qualità dell’aria, la ventilazione, il clima dei locali, il suono e l’acustica, l’illuminazione e, chiaramente, temperatura e umidità relativa.

Le caratteristiche dei sistemi tecnologici asserviti a un edificio per uffici variano in funzione dell’architettura dell’edificio che si sta considerando. Normalmente, gli edifici per uffici vengono suddivisi in funzione della tipologia distributiva, ma si ritiene più corretto partire da una caratterizzazione a monte del fabbricato da un punto di vista architettonico. Si distinguono in questi casi:

A. uffici in edifici di pregio storico, caratterizzati da ambienti determinati, e poco flessibili, spesso con superfici voltate e/o affrescate e struttura portante in muratura;

B. uffici in edifici costruiti prima della II Guerra Mondiale, in struttura mista (c.a. e muratura) o totalmente in muratura, con sistema distributivo interno difficilmente convertibile, altezze interpiano lorde comprese tra i 3 e i 4 metri e superfici vetrate contenute (si tratta normalmente di edifici concepiti a scopo residenziale e in zona centrale e poi trasformati in uffici)

C. uffici in edifici costruiti dopo la II Guerra Mondiale, con una struttura portante trave/pilastro, grande flessibilità in pianta (almeno potenziale), un involucro scarsamente efficiente dal punto di vista energetico e con scarsa inerzia termica. Se “nativi terziari”, sono edifici caratterizzati in alcuni casi da finestrature “a nastro”, e altezze interpiano superiori ai 3 metri

D. uffici in edifici di recente costruzione, caratterizzati da una superficie fortemente vetrata, ma con buona prestazione termica, spazi molto flessibili, altezze interpiano superiori ai 3,5 metri e una grande abbondanza di sistemi e spazi tecnologici.

Dal punto di vista distributivo, distinguiamo:

  1. Uffici cellulari o a pianta cellulare: pianta divisa in tanti uffici singoli, adatti per lavori individuali e che non necessitano di scambi di informazioni. Sono caratterizzati da corridoio sul quale si affacciano le varie stanze separate. Sono destinati a una sola persona, o a piccolissimi gruppi, che necessitano di avere continui scambi d’informazioni;
  2. Uffici open space: caratterizzati da un grande spazio aperto indiviso con una molteplicità di postazioni di lavoro. Sono adatti per grandi gruppi di impiegati, il cui lavoro è largamente suddiviso, per attività di routine con basso livello di concentrazione;
  3. Uffici a zone: presentano una pianta suddivisa per aree;
  4. Ufficio combinato: presenta uno spazio flessibile che permette il lavoro di gruppo, spazi individuali per lavorare concentrati, mette a disposizione servizi collettivi e utilizzabili temporaneamente per attività particolari e di gruppo e si adatta particolarmente a lavori indipendenti e altamente qualificati che permette, quindi, il cambiamento della postazione di lavoro nel corso della giornata.

Qualunque sia la tipologia di ufficio, al centro dell’interesse progettuale, c’è sempre l’uomo-utente, vero fine ultimo dell’architettura e del sistema impiantistico ad esso asservito. Il benessere umano è peraltro uno dei parametri di maggior interesse, in quanto da esso dipende la capacità di concentrazione e quindi la produttività lavorativa dell’uomo-lavoratore, aspetto non marginale quando si considerano dei luoghi di lavoro. Il comfort all’interno degli uffici può essere acustico, illuminotecnico, termico e igrometrico.

I parametri che influenzano il benessere termo-igrometrico sono:

  • Temperatura [°C];
  • Umidità relativa [%];
  • Velocità dell’aria [m/s];
  • Qualità dell’aria (intesa come inquinamento della stessa);
  • Temperatura delle superfici radianti [°C];
  • Vestiario [m2°C/W] o [clo] e attività svolta dagli occupanti [W/m2] o [met].

Evidentemente, agli impianti HVAC è demandato il controllo dei primi 4 parametri, con un effetto indiretto su comfort acustico negli ambienti e temperatura delle superfici interne.  Ovviamente, aspetto non di poco conto è quello della flessibilità che gli impianti devono garantire, sia in termini di gestione (regolazione e periodo di funzionamento) sia in termini di eventuale ridistribuzione degli spazi interni.

I requisiti previsti per la climatizzazione degli edifici per uffici sono:

  • Temperatura massima di 20°C in inverno e non inferiore a 26°C in estate;
  • Umidità relativa superiore al 30% in inverno e inferiore al 60% in estate;
  • Velocità dell’aria tra 0,05 e 0,15 m/s in inverno, e 0,05 e 0,2 in estate;
  • Qualità dell’aria garantita da portata di rinnovo pari a 7,5 l/s a persona + 0,8 l/s per m2 in uffici singoli, e 7 l/s a persona + 0,6 l/s per m2 per open space e sale riunioni;

Si devono poi considerare livelli sonori non superiori a 35 dB(A) per uffici singoli e sale riunioni, e 40 dB(A) per open space, nonché una filtrazione in classe ISO ePM1 80%.  Dal punto di vista illuminotecnico, sono richiesti valori importanti di illuminamento, superiori ai 300 lux sul piano di lavoro, cui si cerca sempre di far fronte tramite il maggior ricorso possibile all’illuminazione naturale. Generalmente, vengono garantiti 250 lux in tutti i vari ambienti, con picchi sino a 400-500 lux in ambienti specifici, cui si ricorre spesso al desk lighting.

Carichi termici e tipologie impiantistiche

Gli edifici per uffici sono caratterizzati da profili d’uso e carichi endogeni molto variabili, soprattutto nel periodo in cui stiamo vivendo. Più l’edificio è di recente costruzione, e maggiore sarà la durata del periodo di raffrescamento rispetto a quello di riscaldamento, sempre più limitato ai soli mesi più freddi. Globalmente, si possono considerare carichi termici esogeni prossimi ai 30 W/m2 in riscaldamento e in raffrescamento, ma oltre 20 W/m2 in raffrescamento per apparecchi e computer, e 125 W di carico totale a persona.  Diventa evidente come in tali condizioni, la principale richiesta sia la capacità di variare la potenza erogata dal sistema di generazione del caldo e/o del freddo, al fine di far fronte alle diverse condizioni di uso e di affollamento che si possono avere durante la giornata.  Si consideri inoltre che l’impianto nella stagione invernale non viene mai totalmente spento di notte, per evitare potenziali problemi ed un eccessivo raffreddamento degli ambienti, con conseguente necessità di un periodo troppo lungo per riportare la temperatura al valore necessario per il benessere termico.  La «ripresa» dell’impianto dipende dall’inerzia termica dell’edificio (oltre che da quanto è coibentato e dalla dimensione) e dalla temperatura impostata durante il periodo di intermittenza.  Edifici caratterizzati da inerzia maggiore e maggiormente coibentati si raffredderanno prima ma, al contempo, impiegheranno maggior tempo a riportarsi a valori accettabili di temperatura interna.

Le tipologie impiantistiche normalmente utilizzate per la climatizzazione degli uffici sono:

A. impianti a tutt’aria, in cui al sistema aeraulico è demandato il compito di controllare temperatura, umidità relativa e qualità dell’aria.  Molto impiegato in presenza di open space, anche con sistema di ricircolo e/o recupero di calore sull’aria di espulsione, sconta l’ingombro delle canalizzazioni e la movimentazione sovrabbondante di aria all’interno degli ambienti, individuato come elemento di rischio per la diffusione di virus e batteri;

B. impianti misti: sono impianti in cui in accoppiamento ad un impianto di ventilazione è realizzato un impianto idronico cui è demandato il compito di controllare i carichi termici.  Questo consente una sensibile riduzione dei volumi d’aria movimentati, l’eliminazione del ricircolo, e una sostanziale flessibilità di gestione e funzionamento: eventuali scompensi o carichi di picco, possono essere coperti dall’aria primaria, opportunamente trattata. I sistemi idronici abbinati all’impianto ad aria primaria sono:

  • a. fan coils, che scontano il limite del rumore generato dalla ventola interna, e richiedono una manutenzione frequente per pulizia filtri e rimozione dell’eventuale condensa in regime estivo;
  • b. sistemi radianti a pavimento e a soffitto (più frequenti), in grado di garantire una resa termica compresa tra i 60 -100 W/m2 (in raffrescamento) e 80-120 W/m2 (in riscaldamento), senza alcun problema acustico e in grado di garantire la massima flessibilità di fruizione degli spazi.  Il controllo dell’umidità relativa (fondamentale in fase estiva) è garantito dall’aria primaria. Hanno algoritmi consolidati di gestione del punto di rugiada ottimizzando la resa e evitando rischi di condensa. Lavorano per effetto radiativo e convettivo, ma utilizzando diffusori e pannelli a soffitto, con effetto Coanda, è possibile aumentare ulteriormente l’effetto convettivo dei pannelli, con incremento della resa di circa il 10%. I sistemi a soffitto su supporto metallico presentano inoltre il vantaggio della ispezionabilità e di una risposta particolarmente rapida, essendo dotati di bassa inerzia termica;
  • c. travi fredde, molto efficienti, con resa elevata ma vincolata al flusso d’aria che le attraversa, in presenza di una gestione non consapevole degli spazi interni da parte degli utenti possono “patire” fenomeni di condensa superficiale sulle tubazioni di adduzione del fluido freddo (difficile controllare in maniera precisa il punto di rugiada).  Poco flessibili con partizioni mobili o con spostamento dei posti di lavoro. Lavorano con acqua fredda a temperatura superiore ai 15°C e questo consente una riduzione dei consumi energetici delle macchine frigorifere, oltre che il ricorso potenziale al “free cooling” in presenza di fonti gratuite (falda, fiume etc.).

C. sistemi misti ad espansione diretta, ovvero i sistemi a portata variabile di refrigerante (VRF), molto flessibili in quanto in grado di erogare simultaneamente caldo e freddo, installati in combinato con un impianto ad aria primaria.  Si tratta di un impianto che recupera efficienza energetica in quanto evita un fluido intermedio quale l’acqua, ma aumenta il rischio di impatto ambientale in caso di perdita del fluido refrigerante contenuto nel circuito. Le UTA possono essere alimentate dall’impianto VRF ma possono anche avere una macchina a pompa di calore dedicata. Il vero limite di questi sistemi è legato all’entrata in vigore del Regolamento UE 517/2014, che mette al bando (nei prossimi anni) molti dei più diffusi gas refrigeranti ad alto GWP (Global Warming Potential).  Sicuramente, questa tecnologia subirà una importante trasformazione nei prossimi anni.

Progettare impianti per uffici in epoca post Covid

Le tipologie impiantistiche sopra elencate si devono necessariamente confrontare con quanto abbiamo appreso dalla recente pandemia: gli ambienti devono essere ben ventilati, ma evitando il più possibile ricircolo (soprattutto a zone), movimenti non controllati e casuali di grandi quantità di aria e, soprattutto, limitando le superfici impiantistiche che necessitano di sanificazione, onde evitare oneri eccessivi dal punto di vista manutentivo.  Molto spesso in passato le scelte erano fatte al fine di limitare la complessità impiantistica, velocizzare la cantierizzazione e ridurre i costi in fase di realizzazione, non tenendo conto del costo dell’impianto nell’intero arco di piano.  Probabilmente, oggi questa impostazione deve essere rivista, in quanto non ha senso puntare su tecnologie meno costose, che poi obbligano l’utente ad una manutenzione frequente e onerosa, o, ancor peggio, gli impongono una fruizione parziale degli spazi interni qualora si verifichi una situazione di emergenza sanitaria.

Si consideri che l’epidemia di Covid-19 abbia “soltanto” fatto emergere le criticità dei sistemi impiantistici “tradizionali”: il problema del ricircolo di aria “infetta” si è sempre avuto anche in presenza di epidemie meno letali come influenza ordinaria e raffreddore (sempre coronavirus!). L’unica differenza è che si accettava che le persone si potessero contagiare data lo scarso pericolo connesso a queste patologie. Tuttavia il problema sussiste da sempre, e forse vale la pena utilizzare questa tragica esperienza per affrontarlo.

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Gli impianti di ventilazione negli uffici: sicurezza, efficienza energetica e comfort con le vele metalliche

Il tema di una corretta progettazione e gestione degli impianti di aerazione negli uffici è diventato di fondamentale importanza per via dell’emergenza sanitaria da Covid-19. Oggigiorno è fondamentale che gli impianti siano progettati per garantire comfort, salubrità ambientale, risparmio energetico, libertà architettonica e valorizzazione delle superfici. 

I consigli per orientarsi nella scelta >>> L'intervista all'esperto

Chiaramente, la progettazione impiantistica dipende dal tipo di intervento che si effettua sull’edificio destinato ad ospitare uffici. Se si interviene su edifici storici e di pregio, molto spesso si è vincolati al sistema impiantistico già presente (tipicamente un sistema idronico). Unica miglioria potrebbe essere quella di garantire un ottimale bilanciamento delle reti idrauliche, ed andare ad installare piccole unità per la ventilazione meccanica controllata degli ambienti, con annesse macchine ad espansione diretta per il trattamento (caldo/freddo e deumidificazione) dell’aria.  Unico vero limite è legato al punto di captazione (prima) e di espulsione (poi) dell’aria, che potrebbe non essere immediatamente individuato.

Se si interviene su edifici a “soletta orizzontale” del secolo scorso, siano essi in muratura o con sistemi trave/pilastro, la soluzione forse migliore è optare per un impianto misto con sistema radiante, a soffitto o a pavimento.  Nuovamente, l’utilizzo di piccole unità per la ventilazione meccanica controllata degli ambienti, con annessa macchina ad espansione diretta per il trattamento e eventuale sistema di recupero del calore, possono essere l’opzione ottimale, al fine di evitare grandi canalizzazioni e movimenti di aria non controllati all’interno degli ambienti.  Inoltre, offrono una buona flessibilità in ottica di gestione degli spazi e profili di funzionamento.  Alternativa, in presenza di carichi termici importanti, è l’uso dei fan coil al posto del sistema radiante.

Infine, per edifici di recentissima realizzazione (o realizzandi), l’opzione mista “aria primaria + radiante” pare essere nuovamente vincente, in termini di costo totale dell’impianto (realizzazione e futura gestione), flessibilità e sicurezza. Personalmente, potendo influenzare la scelta distributiva, opterei per un sistema “cellulare” di open space, ovvero uffici multipli in grado di contenere 6-8 persone, eventualmente espandibili tramite pareti mobili, con macchine VMC dedicate e controllo dei carichi termici totalmente affidato ai sistemi radianti.  In tale caso è da valutare il profilo di funzionamento dell’impianto in base all’occupazione degli spazi: per utenti “stakanovisti”, quali sempre più sono gli occupanti dei grandi palazzi per uffici, forse non vale neppure la pena di mandare in attenuazione l’impianto nelle ore notturne con differenze di temperatura superiori ai 2-3 gradi rispetto al set point.  In situazioni di questo genere, con un grande numero di reti idrauliche che fanno riferimento ad un unico sistema di generazione, la capacità di bilanciare in modo rapido e preciso il sistema di adduzione del fluido termovettore è un aspetto fondamentale, per finalizzare la realizzazione dell’impianto.

Volendo concludere: a valle dell’esperienza Covid-19, come sarà l’impianto per gli uffici del futuro?  La risposta è ovvia: dipende da molti fattori, ma l’importante è che non sia “il solito” del passato senza un minimo di analisi critica e indagine progettuale.

In fondo, progettare significa essenzialmente ragionare per andare ad innovare.