Impianti HVAC: cosa sono, vantaggi e svantaggi, quadro normativo e tipologie di impianto

Cosa sono i sistemi HVAC – Heating Ventilation Air Conditioning? Approfondiamo l’argomento attraverso una analisi tecnologica e funzionale. 

Di seguito le principali tipologie impiantistiche atte ad assicurare le condizioni di comfort termo-igrometrico negli ambienti di un edificio. L’articolo fornisce un inquadramento normativo, ed evidenzia i vantaggi e gli svantaggi delle diverse tipologie di impianti HVAC, puntando a fornire una guida pratica alla scelta del miglior tipo di sistema in funzione del caso specifico.

 

Quadro normativo per la progettazione, esercizio controllo e manutenzione

Negli ultimi anni, la sfera tematica dell’efficienza energetica ha assunto un ruolo preponderante nelle politiche di gestione del patrimonio edilizio, tanto da suscitare un acceso dibattito tra tutti gli attori coinvolti nel processo. Tra le principali ragioni di questa tendenza, vi è senza dubbio la necessità incalzante di ridurre i consumi di combustibili fossili, i maggiori responsabili dell’inquinamento atmosferico. Il principio guida per far fronte a questa problematica è quello di ottimizzare i consumi di energia, riducendo gli sprechi. In quest’ottica, è bene ricordare che il settore delle costruzioni è responsabile di circa il 40% del consumo totale di energia in Europa. Questo ha portato la comunità nazionale ed internazionale ad elaborare ed adottare nuove direttive per uniformare l’azione operativa di tutti gli Stati coinvolti, allo scopo di realizzare una efficiente progettazione integrale del sistema edificio-impianto che consenta di perseguire il tanto agognato risparmio energetico.

 

Le norme europee ed italiane sull’efficienza energetica

Il panorama normativo in materia di risparmio energetico, sia a livello nazionale che europeo, risulta essere ampio e variegato, pertanto, senza pretese di esaustività, data la sua complessità, tenteremo di riassumerlo nei suoi aspetti salienti. Grazie al cosiddetto Protocollo di Kyoto del 1997, l’UE prevede per gli Stati firmatari un insieme di misure vincolanti finalizzate alla riduzione delle emissioni di elementi inquinanti responsabili maggiormente dell’effetto serra chiamato “Pacchetto per il clima e l’energia 2020”, con lo scopo di: tagliare del 20% le emissioni di gas serra, raggiungere il 20% del fabbisogno energetico da fonti rinnovabili, migliorare del 20% l’efficienza energetica. Oggi questo scenario è stato superato e ci avviamo verso l’obiettivo di decarbonizzazione, con una prima tappa nel 2030 (per arrivare al completamento nel 2050).

Il Green Deal dell’UE pone come target la riduzione del 40% delle emissioni di gas a effetto serra (rispetto ai livelli del 1990), il raggiungimento del 32% della quota di energia da fonti rinnovabili, l’aumento del 32% dell’efficienza energetica.

Per raggiungere questi obiettivi sempre più ambiziosi, negli anni sono state emanate diverse direttive a livello europeo. La prima è stata la EPBD “Energy Performance Building Directive” 2002/91/CE. Qualche anno più tardi questa viene abrogata e sostituita dalla EPBD recast 2010/31/UE, la quale introduce il concetto di nZEB, Nearly Zero Energy Building, acronimo utilizzato per definire un edificio il cui consumo energetico è quasi pari a zero ed in ogni caso coperto in misura significativa da fonti rinnovabili. Di recente è stata pubblicata una nuova Direttiva 2018/844, i cui obiettivi entro il 2030 sono:

  • Migliorare le strategie di riqualificazione degli immobili al fine di rinnovare il parco edilizio ed incentivare i NZEB;
  • Rafforzare la componente finanziaria ed incentivare gli investimenti, da parte di privati, per il recupero del patrimonio edilizio esistente;
  • Innalzare le soglie prestazionali relative ai sistemi di climatizzazione degli edifici promuovendo i sistemi automatici di regolazione, monitoraggio e controllo (BMS).

Grazie a questa serie di direttive viene introdotto un altro importante concetto, quello di diagnosi energetica: procedura sistematica volta a fornire un’adeguata conoscenza del profilo di consumo energetico di un edificio o di un gruppo di edifici, al fine di individuare e quantificare le opportunità di risparmio energetico sotto il profilo costi-benefici.

Come diretta conseguenza di tale rinnovamento normativo, anche in Italia si assiste ad una fioritura del panorama legislativo in materia di efficienza energetica. Le primissime leggi emanate risalgono agli anni 80-90, improntate su di un tema prettamente energetico: miravano al contenimento dei consumi e allo sviluppo di fonti rinnovabili. Tra queste, la legge di riferimento italiana è la Legge 10 del 9 gennaio 1991 "Norme in materia di uso razionale dell'energia, di risparmio energetico e di sviluppo delle fonti rinnovabili di energia". In seguito, sono stati approvati alcuni decreti legislativi. Tra i più importanti citiamo: 

  • DPR 26 Agosto 1993, n.412: Regolamento in attuazione della legge n.10, recante le norme per la progettazione, l’installazione, la manutenzione e l’esercizio degli impianti termici degli edifici. 
  • D.LGS. 19 Agosto 2005, n.192: In risposta alla EPBD 2002/91/CE. Esso stabilisce i criteri e le condizioni per migliorare le prestazioni energetiche degli edifici, al fine di favorire lo sviluppo, la valorizzazione, l’integrazione di fonti rinnovabili di energia e la diversificazione energetica. Il decreto regolamenta, inoltre, la gestione e la manutenzione degli impianti, introducendo ispezioni periodiche per gli impianti HVAC.
  • D.LGS. 30 Maggio 2008, n.115: In attuazione della direttiva 2006/32/CE relativa all'efficienza degli usi finali dell'energia e i servizi energetici, questo decreto stabilisce un quadro di misure mirate al miglioramento dell’efficienza degli usi finali di energia, sia per limitare la problematica relativa all’approvvigionamento delle risorse, sia per limitare l’inquinamento atmosferico. All’interno del decreto sono individuate le metodologie di calcolo per la certificazione energetica, prescrivendo l’obbligo di riferirsi alla specifica tecnica UNI TS 1130, parti 1 e 2 (calcolo del fabbisogno energetico degli edifici)
  • DPR. 2 Aprile 2009, n.59: estende alcune precisazioni relative al D.lgs n.192 in merito alle problematiche di efficienza energetica nel periodo estivo. Stabilisce l’obbligo di adottare le specifiche tecniche nazionali definite nella UNI TS 11300, definendo le condizioni cui devono sottostare i parametri che indicano la prestazione energetica in regime invernale ed estivo, mettendoli in relazione ai valori riportati nel D.Lgs. 192/2005.

 

Le norme UNI per la corretta progettazione degli impianti

Oggi come norme di buona pratica vi sono le Norme UNI, le quali diventano cogenti quando imposte dal progettista per raggiungere un certo livello di prestazione del progetto. Tra le più importanti ricordiamo:

  • A livello nazionale, la specifica tecnica UNI TS 11300-1/-2/-3/-4, rappresenta l’applicazione della direttiva europea 2002/91/CE e fornisce una guida univoca al calcolo della prestazione energetica degli edifici. Con prestazione energetica, si intende il fabbisogno energetico connesso alla vita dell’edificio, il quale comprende il riscaldamento, il raffrescamento, la produzione di acqua calda sanitaria, la ventilazione meccanica e l’illuminazione. 
  • UNI 10339:1995: Impianti aeraulici ai fini di benessere. Generalità, classificazione e requisiti. Regole per la richiesta d'offerta, l'offerta, l'ordine e la fornitura. Fornisce una classificazione degli impianti, la definizione dei requisiti minimi e i valori delle grandezze di riferimento durante il funzionamento.
  • UNI EN 14825:2019: Condizionatori d'aria, refrigeratori di liquido e pompe di calore, con compressore elettrico, per il riscaldamento e il raffrescamento degli ambienti - Metodi di prova e valutazione a carico parziale e calcolo del rendimento stagionale. Si applica alle unità prodotte in serie definite nella UNI EN 14511-1. La presente norma fornisce le temperature e le condizioni a carico parziale e i metodi di calcolo per la determinazione dei coefficienti di prestazione energetica stagionale (SEER e SEERon), i coefficienti di rendimento stagionale (SCOP, SCOPon e SCOPnet) e l'efficienza media stagionale per il raffrescamento degli ambienti ηs, l'efficienza media stagionale per il riscaldamento degli ambienti ηs,h e il rapporto di efficienza energetica stagionale SEPR.
  • UNI 8065:2019: Trattamento dell'acqua negli impianti per la climatizzazione invernale ed estiva, per la produzione di acqua calda sanitaria e negli impianti solari termici. 
  • UNI 8364-1/-2/-3:2007: Istruzioni per l'esercizio, la conduzione, il controllo e la manutenzione degli impianti termici ad acqua calda alimentati con combustibile solido, liquido e gassoso, aventi potenza termica del focolare maggiore di 35 kW e destinati ad usi civili.
  • UNI 10412-1:2006: Impianti di riscaldamento ad acqua calda - Requisiti di sicurezza - Parte 1: Requisiti specifici per impianti con generatori di calore alimentati da combustibili liquidi, gassosi, solidi polverizzati o con generatori di calore elettrici.
  • UNI EN 12237:2004: Ventilazione degli edifici - Reti delle condotte - Resistenza e tenuta delle condotte circolari di lamiera metallica.

 

Le nuove norme per il calcolo energetico in regime dinamico 

Le norme tecniche UNI TS 11300 sono risultate insufficienti per il calcolo energetico legato alla climatizzazione degli edifici. Per questa ragione dal 1 marzo 2018 sono entrate in vigore le nuove UNI EN ISO 52016 e UNI EN ISO 52017, sul calcolo energetico degli edifici in regime dinamico. Tali norme, che entrano a far parte del pacchetto di norme “EPBD”, introducono un nuovo metodo di calcolo in regime dinamico orario per i consumi energetici legato al riscaldamento e al raffrescamento degli ambienti. Rispetto al metodo quasi stazionario, inserito nelle UNI TS 11300, il modello dinamico orario permette di ottenere risultati più attendibili perché considera le reali condizioni dell’edificio in ogni istante. Il metodo statico risulta molto efficace nel calcolo del fabbisogno legato al riscaldamento, ma poco efficace per il calcolo del carico di raffrescamento. Ciò è dovuto alla rapidità con cui possono variare le condizioni climatiche esterne ed interne durante il periodo estivo.

Ragion per cui, la nuova norma prevede la risoluzione delle equazioni del calore in regime transitorio. Vista la complessità di risoluzione di tali equazioni, vengono definiti alcuni metodi semplificati implementati nella maggior parte dei software di calcolo dei consumi energetici, in modo da ottenere un nuovo modello di calcolo più affidabile ma anche più semplice da utilizzare. 

 

Le norme in materia ambientale

La diffusione sul mercato delle unità funzionanti a gas refrigerante, chiller e pompe di calore, ha spinto la comunità internazionale ad introdurre nuove norme e vincoli che regolamentassero gli utilizzi dei fluidi refrigeranti, in quanto, il rilascio in atmosfera di questi ultimi contribuisce significativamente al surriscaldamento globale e al depauperamento dell’ozono. In tal senso, è opportuno ricordare le due normative di riferimento.

  • La norma UE 517/2014: Normativa F-Gas. La necessità di ridurre le emissioni di gas serra ha obbligato la comunità europea ad emanare una norma che regolamentasse l’uso, il recupero e la distruzione dei gas fluorati ad effetto serra. 
  • La norma UNI EN 378:2017, “Sistemi di refrigerazione e pompe di calore - Requisiti di sicurezza e ambientali”, specifica i requisiti per la sicurezza delle persone e dei beni e fornisce una guida per la tutela dell’ambiente, stabilendo le procedure per l’esercizio e la manutenzione degli impianti a gas refrigerante. Tale norma si presenta in 4 blocchi.

 

Le principali tipologie impiantistiche HVAC

Da una elaborazione CRESME risulta che l’Italia sia il secondo mercato nell’Unione Europea per la produzione di apparecchi per il settore degli impianti termici. È chiaro, quindi, quanto questo settore rivesta un ruolo chiave per l’economia del nostro Paese. Inoltre, è opportuno aggiungere che la grande maggioranza dei consumi delle nostre abitazioni dipende dal modo in cui le riscaldiamo, le raffreschiamo e produciamo l’acqua calda sanitaria. Lo scopo degli impianti di climatizzazione è quello di mantenere nell’ambiente specifiche condizioni di comfort termoigrometrico, secondo quanto stabilito dalle normative vigenti in materia. Una prima differenza sostanziale, infatti, sussiste tra questi e gli impianti di condizionamento, i quali regolano solamente la temperatura. Al contrario, gli impianti di climatizzazione permettono inoltre la regolazione di una moltitudine di parametri, come l’umidità e la qualità dell’aria.

Fatta questa breve ma dovuta premessa, procediamo nell’esplicitare le possibili configurazioni dei sistemi HVAC. Essi possono essere classificati, in funzione del tipo di fluido che alimenta le batterie di scambio termico dei terminali:

> Impianti a fluido intermedio: è presente un circuito intermedio, percorso dal fluido termovettore, che separa il circuito frigorifero dall’ambiente da climatizzare. In questi sistemi l’acqua (o acqua glicolata) che esce dalla pompa di calore o chiller va ad alimentare le batterie di scambio presenti nei terminali, sottraendo o cedendo calore all’aria che le attraversa.

> Impianti ad espansione diretta: il refrigerante del circuito frigorifero alimenta direttamente le batterie di scambio dei terminali, le quali rappresentano l’evaporatore o il condensatore del circuito. Esso, infatti, costituisce l’impianto di climatizzazione stesso, non essendo presente un circuito intermedio tra la parte frigorifera e l’ambiente.

All’interno di queste due macrocategorie si può operare una ulteriore scomposizione sulla base del posizionamento dei terminali interni, in:

> Impianti ad aria: l’unità terminale si trova al di fuori dell’ambiente da climatizzare ed è collegata ad esso attraverso canalizzazioni. L’aria entrante attraverso i canali scambia energia con quella presente in ambiente e la porta alle condizioni termo-igrometriche desiderate;

> Impianti ad acqua: il terminale è posizionato all’interno dell’ambiente e lo scambio di energia con l’acqua del circuito idraulico avviene direttamente in loco secondo le condizioni imposte da progetto;

> Impianti misti: come suggerisce il nome, una parte di energia viene fornita dai terminali presenti in ambiente e una parte dalle canalizzazioni provenienti dall’esterno. Solitamente, in questo genere di sistemi, la parte ad acqua regola la temperatura, mentre alla parte ad aria è affidata la regolazione della qualità dell’aria.

Vediamo ora, nel dettaglio, le diverse tipologie, con particolare attenzione circa i pregi e i difetti di ognuna.

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