Comfort e salute negli ambienti indoor: le macchine dell'aria

L’attenzione al tema di efficienza energetica sta portando alla realizzazione di edifici ad energia quasi zero. Le recenti tecniche di isolamento termico rendono gli edifici dei contenitori praticamente stagni che risultano invivibili senza un corretto rinnovo dell’aria interna.

La ventilazione serve a mantenere la qualità dell’aria degli ambienti confortevole attraverso il rinnovo dell’aria, questo significa che la ventilazione è strettamente legata alla qualità dell’aria interna.

Qualità dell'aria indoor: perché è importante la ventilazione?

Nel periodo invernale permette di evitare la formazione di muffe (dovute all’umidità) e rende l’aria più salubre. Nel periodo estivo, invece, il solo rinnovo dell’aria non è sufficiente a mantenere l’umidità relativa a livelli accettabili di comfort: il vapore prodotto dalle persone all’interno delle abitazioni (carico latente) deve essere smaltito mediante un sistema di deumidificazione. Nei nuovi impianti di climatizzazione, quindi, il trattamento dell’aria (deumidificazione e raffrescamento estivo) è diventato un’esigenza imprescindibile.

La normativa di riferimento per mantenimento della qualità dell'aria

Secondo la norma EN ISO 7730 l’umidità relativa non dovrebbe superare il 60÷65% per garantire una sensazione di comfort e mantenere l’aria salubre. Le autorità sanitarie, invece, raccomandano in estate una differenza di temperatura di 7-8 °C tra quella interna e quella esterna.

In funzione della tipologia di edificio e dell’attività che si svolge, esistono normative che stabiliscono i valori di portata d’aria necessaria al mantenimento della qualità dell’aria.

UNI 10339:1995 “Impianti aeraulici ai fini di benessere. generalità, classificazione e requisiti” fornisce una classificazione degli impianti, la definizione dei requisiti minimi e i valori delle grandezze di riferimento durante il funzionamento. Si applica agli impianti aeraulici destinati al benessere delle persone, comunque installati in edifici chiusi, a uso prettamente residenziale.

UNI EN 16798-1:2019 “Prestazione energetica degli edifici - Ventilazione per gli edifici - Parte 1: Parametri di ingresso dell'ambiente interno per la progettazione e la valutazione della prestazione energetica degli edifici in relazione alla qualità dell'aria interna, all'ambiente termico, all'illuminazione e all'acustica” la norma si applica essenzialmente agli edifici non industriali per cui i criteri relativi all’ambiente interno sono definiti dall’occupazione umana, in cui l'attività produttiva o di processo non abbia un impatto sostanziale sull'ambiente interno. Si applica ad abitazioni individuali, condomini, uffici, scuole, ospedali, alberghi e ristoranti, impianti sportivi, edifici ad uso commerciale all’ingrosso e al dettaglio.

ANSI / ASHRAE standard 62.1-2016 “ventilation for acceptable indoor air quality” la norma specifica i tassi di ventilazione minimi, oltre ad altri parametri, per garantire, in edifici nuovi ed esistenti, una qualità dell'aria interna accettabile per gli occupanti umani, minimizzando gli effetti nocivi sulla salute.

ANSI / ASHRAE standard 62.2-2016 “ventilation and acceptable indoor air quality in low-rise residential buildings” la norma 62.2 definisce i ruoli e i requisiti minimi per i sistemi di ventilazione meccanica e naturale e l'involucro dell'edificio destinato a fornire una qualità accettabile dell'aria negli edifici residenziali a pochi piani. Si applica agli spazi destinati all'occupazione umana all'interno di case unifamiliari e strutture multifamiliari, comprese case prefabbricate e modulari. Questo standard non si applica agli alloggi temporanei come hotel, motel, case di cura, dormitori o prigioni.

La ventilazione naturale e meccanica negli ambienti confinati

La ventilazione, naturale o meccanica, consente il ricambio dell’aria negli ambienti confinati. Le attività che si svolgono in un edificio e i materiali che lo costituiscono producono costantemente inquinanti: anidride carbonica e bioeffluenti, monossido di carbonio, vapori organici, particelle respirabili, particelle in sospensione, formaldeide, fibre sintetiche, ozono, radon di risalita dal terreno. Per garantire sempre una buona qualità dell’aria interna è necessario sostituire l’aria viziata con aria nuova presa dall’esterno, più pulita: è questo il principio della diluizione degli inquinanti, su cui si fonda la maggior parte dei sistemi di ventilazione.

La ventilazione naturale degli edifici viene realizzata partendo da una specifica progettazione dell’edificio, tramite aperture nell’involucro edilizio, sfruttando l’effetto camino, l’azione del vento, le differenze di temperatura tra le varie facciate per l’irraggiamento solare differenziato. Il vantaggio della ventilazione naturale consiste nell’economicità della gestione, ma porta con sé numerosi svantaggi, tra i quali: mancanza di controllo della portata d’aria, mancanza di controllo sulla qualità dell’aria di rinnovo, possibile aumento della rumorosità in ambiente, possibile fastidio causato da correnti d’aria, limitata versatilità, perdita di energia termica nella stagione fredda, ingresso di aria troppo calda in estate o troppo fredda in inverno.

Il sistema più semplice e noto per ventilare consiste nell’apertura delle finestre, con efficacia maggiore qualora le aperture siano poste su lati opposti dell’ambiente. Tipicamente la portata d’aria necessaria per una persona all'interno di una abitazione che svolge una normale attività è pari a 6 l/s (ovvero 21,6 m³/h). L’aerazione dei locali per apertura e chiusura dei serramenti a opera degli occupanti non garantisce questi valori in tutte le condizioni dell’anno, e soprattutto non li garantisce nel tempo.

Per ovviare alla mancanza di controllo della portata è possibile progettare un sistema di ventilazione meccanica “controllata” che garantisca il corretto ricambio dell’aria negli ambienti. In questi impianti, la portata d’aria viene garantita tramite l’utilizzo di uno o più ventilatori, in impianti senza canalizzazioni (tipici di ambienti industriali) o con canalizzazioni che convogliano l’aria fino a terminali di immissione o di ripresa. In ambiti residenziale e commerciale la preferenza va verso impianti canalizzati che hanno il pregio di avere il ventilatore in posizione remota, con vantaggi in termini di silenziosità negli ambienti.

Esistono due tipologie di Ventilazione Meccanica Controllata: a semplice flusso e a doppio flusso.

Ventilazione meccanica a semplice flusso

Gli impianti VMC a semplice flusso aspirano aria dall’ambiente confinato e la convogliano all’esterno. Esistono varie soluzioni impiantistiche in base alla scelta del ventilatore di estrazione: centralizzato oppure puntiforme. L’unità centralizzata è solitamente collocata in posizione remota rispetto all’ambiente, per un miglior comfort acustico. L’immissione di aria di rinnovo è effettuata naturalmente tramite apposite feritoie, posizionate sui muri perimetrali o sugli infissi. In ambito residenziale l’estrazione avviene di norma negli ambienti “umidi” (quali cucina, bagni, lavanderie) mentre l’immissione avviene negli ambienti lungamente abitati, come il soggiorno e le camere da letto. In edifici amministrativi l’immissione avviene negli uffici e l’estrazione dai corridoi tramite griglie collocate a soffitto e collegate alla canalizzazione di espulsione.

Ventilazione meccanica a doppio flusso

Un impianto VMC a doppio flusso provvede meccanicamente sia all’estrazione dell’aria viziata sia all’immissione dell’aria di rinnovo in ambiente. I canali di distribuzione e aspirazione negli ambienti sono separati, entrambi i circuiti son serviti da ventilatori dedicati. I flussi d’aria immessa ed estratta sono coordinati da un sistema di regolazione. Nei sistemi a doppio flusso è consentito compensare le dispersioni energetiche per ventilazione, mediante recupero di calore attraverso lo scambio termico tra aria in ingresso e aria espulsa. È inoltre possibile trattare l’aria di rinnovo prima di immetterla nell’ambiente ossia filtrarla, raffreddarla o riscaldarla, umidificarla o deumidificarla.

Il recuperatore di calore: cos'è e come funziona

Il recuperatore di calore è un’unità ventilante a doppio flusso che provvede sia all’immissione nell’ambiente da trattare di aria “pulita” e contemporaneamente all’estrazione dall’ambiente stesso dell’aria viziata. I due flussi scambiano calore all’interno del “cuore” della macchina stessa, lo scambiatore, in modo che il flusso più caldo ceda parte della sua energia termica a quello più freddo. Impianti di ventilazione meccanica a doppio flusso sono installati in tutti gli edifici a bassissimo consumo energetico o a energia zero. Gli elementi caratteristici della macchina sono lo scambiatore di calore, i filtri e i ventilatori.

Lo scambiatore di calore è l’elemento principale del recuperatore di calore, è il punto in cui avviene lo scambio termico tra i flussi di aria. Per recuperare il calore sensibile si utilizza comunemente uno scambiatore standard in materiale plastico a flussi incrociati controcorrente statico, caratterizzato da lunghissima durata, rendimenti molto elevati (oltre il 90%), facilità di pulizia. Lo scambiatore entalpico a flussi incrociati controcorrente ha un alto grado di recupero di energia sensibile e latente: mediamente 85% energia termica e 65% umidità. La sua particolare configurazione genera basse perdite di carico. La membrana polimerica interna è realizzata con tecnologia antimicrobica: resistente a muffa e a batteri, impedisce la contaminazione tra i flussi, bloccando anche gli odori. Gli scambiatori entalpici sono facili da pulire e non richiedono lo scarico della condensa. Grazie allo scambiatore di calore con recupero entalpico è possibile recuperare l’umidità che verrebbe dispersa all’esterno, reimmettendola in ambiente, eliminando il problema della secchezza dell’aria in inverno.

I filtri hanno il duplice scopo di garantire la qualità dell’aria indoor e di salvaguardare il funzionamento dell’unità ventilante abbattendo gli elementi dispersi presenti all’interno dei singoli locali. Esistono differenti livelli di filtrazione che devono essere garantiti in funzione della tipologia di destinazione d’uso dei locali da proteggere. I filtri sono classificati in base alle loro prestazioni. Ad esempio il filtro di classe ISO ePM1 permette la filtrazione dell’aria d’ingresso nell’abitazione, il filtro con grado di efficienza ISO Coarse, invece, protegge lo scambiatore da depositi di sporco che ne comprometterebbero l’efficienza e i motori dei ventilatori da eventuale pulviscolo.

I ventilatori sono gli organi motorizzati che impongono il movimento forzato dell’aria, un ventilatore di immissione ed un ventilatore di espulsione. I motori EC brushless hanno rendimenti elevati e, di conseguenza, consumi molto ridotti: fattore essenziale per le unità di recupero energetico che devono avere un funzionamento continuo e devono, per definizione, far risparmiare energia.

I principi di funzionamento del recuperatore di calore

Invernale / estivo: L’aria esterna viene filtrata e spinta nello scambiatore dove recupera/cede calore dal flusso contrapposto in uscita per poi essere immessa negli ambienti nobili. Simultaneamente, l’aria viziata da locali di servizio viene spinta sul lato opposto dello scambiatore dove cede/sottrae calore al flusso contrapposto per poi essere espulsa all’esterno. Nello scambiatore non ci sono contatto e miscelazione tra i flussi d’aria contrapposti.

Free cooling: l’aria esterna viene filtrata e spinta in un canale dedicato parallelo allo scambiatore per poi essere immessa negli ambienti nobili. Simultaneamente, l’aria viziata da locali di servizio viene spinta sul lato opposto dello scambiatore per poi essere espulsa all’esterno. Lo scambiatore è attraversato da solo uno dei due flussi senza generare scambio termico. Questo funzionamento viene attivato solo nelle ore più fresche della giornata per portare in modo naturale, e gratuito, refrigerio all’abitazione.

Il recuperatore di calore con deumidificazione

Con il termine “trattamento aria” si intende il controllo delle condizioni termo igrometriche dell’ambiente indoor tramite deumidificazione e raffrescamento. Nella versione base, le unità di trattamento aria provvedono esclusivamente alla riduzione dell’umidità negli ambienti e vengono definite deumidificatori isotermi. In una macchina di questo tipo l’aria umida degli ambienti, che tipicamente si trova alla temperatura di 26-27 °C, viene aspirata e filtrata, dopodiché viene raffreddata per mezzo di una batteria idronica alimentata con acqua alla temperatura di circa 15-18 °C.

L’effetto di questo raffreddamento è quello di portare l’aria umida il più vicino possibile alle condizioni di condensazione sfruttando l’acqua che è già disponibile per alimentare il circuito degli impianti radianti, senza perciò richiedere lavoro extra al compressore elettrico del circuito frigorifero. L’aria così raffreddata è pronta per attraversare la batteria di evaporazione del circuito frigorifero: in questa fase essa cede umidità per condensazione. A questo punto si dispone di aria con un contenuto di umidità inferiore a quello dell’ambiente, quindi idonea ad essere immessa nell’ambiente stesso.

La fase d’immissione è preceduta dall’attraversamento della batteria di condensazione: si sfrutta la temperatura dell’aria per far condensare il fluido frigorifero, in tal modo il ciclo può ripetersi. Tuttavia ora l’aria si è riscaldata, proprio per aver sottratto calore di condensazione al fluido, ed è conveniente farle attraversare una seconda batteria idronica di post-raffreddamento che la riporta ad una temperatura non superiore a quella che aveva in ingresso alla macchina. Segue, infine, l’immissione dell’aria in ambiente.

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