Criteri di progettazione e dimensionamento delle condotte aerauliche

Quanto e come incide un corretto dimensionamento delle condotte aerauliche in una rete di distribuzione? Quali parametri entrano effettivamente in gioco? Quanto segue ha l'obiettivo di rispondere a questo quesito, con un occhio anche ai vantaggi e svantaggi dovuti a differenti criteri di progettazione

La definizione di portata, velocità e perdita di carico e il dimensionamento secondo normativa vigente

La trattazione delle condotte aerauliche nei sistemi di distribuzione dell’aria è un tema poco approfondito, spesso rimasto all’ombra del soggetto più gettonato: l’Unità di Trattamento Aria. 

Se da un lato è certamente necessario sottolineare l’importanza del “cuore” di un impianto aeraulico, coincidente appunto con l’unità di trattamento aria, dall’altro lato occorre anche tener conto del fondamentale ruolo della rete di distribuzione, capire come essa vada dimensionata e come scegliere le geometrie ed i materiali più idonei per una corretta progettazione. Tuttavia, per poterlo fare, è innanzitutto necessario capire quali sono i parametri da prendere in considerazione, quali problematiche si possono incontrare, come affrontarle ed infine risolverle.

Partiamo dunque dalla definizione della rete aeraulica: essa costituisce il sistema di condotte che permette all’aria trattata nell’UTA, di giungere nelle zone climatizzate. Così, sia che si parli di un impianto a tutt’aria, sia che si parli di un impianto misto aria/acqua, il progettista si trova necessariamente a dover provvedere al dimensionamento e corretto posizionamento dei canali aeraulici, scegliendone sezioni e materiali. 

Ecco quali sono i parametri chiave: 

Velocità

Tanto banale quanto fondamentale, questo parametro rappresenta un punto focale dei condotti aeraulici. Si misura in m/s e risulta strettamente correlata sia al comfort termo-igrometrico del locale che si vuole climatizzare che al comfort acustico in quanto il rumore generato è direttamente proporzionale alla velocità del fluido.

v=G/A

v è la velocità in m/s;

G è la portata volumetrica in m³/s;

A è la sezione trasversale in m².

Portata

La portata può essere massica Q (kg/s) o volumetrica G (m³/s) e misura la quantità di aria che passa attraverso una sezione nell’unità di tempo; essa è ricavabile da un bilancio energetico e di massa dell’edificio.

G=v*A

Q=ρ*v*A

Perdite di carico

Con il termine “perdita di carico” si intende una generica caduta di pressione che, nei casi di canali d’aria, può essere localizzata (come ad esempio una curva o una diramazione) o distribuita, misurabile in Pa. Per le perdite distribuite si ricorre alla seguente relazione:

Mentre per le perdite concentrate si può usufruire della relazione:

∆p è la caduta di pressione in Pa;

ρ è la densità del fluido in kg/m³;

ξ è un coefficiente di attrito ricavabile da diagramma di Moody o apposite tabelle;

β è un coefficiente di attrito tabulato in relazione alla discontinuità considerata;

L è lunghezza del tubo in m;

D è il diametro del tubo in m;

w è la velocità del fluido in m/s.

Figura 1. Diagramma di Moody e coefficienti di attrito per le principali discontinuità nei condotti

Durante il dimensionamento dei canali di distribuzione in un impianto aeraulico lo scopo del progettista è dunque quello di individuare una condizione di equilibrio tra queste grandezze; attraverso una minimizzazione delle perdite di carico e dei consumi elettrici dei ventilatori sarà quindi possibile ottimizzare l’impianto e, di conseguenza, ottenere un risparmio di energia primaria.

Ci si potrebbe ad esempio trovare in una situazione tale per cui a causa di una insufficienza di spazio a disposizione, per il posizionamento dei canali, occorrerebbe ridurre la sezione di un canale a portata costante. È sempre conveniente seguire tale strada? Inoltre, questa soluzione provocherebbe un incremento tanto della velocità del fluido quanto delle perdite di carico distribuite e localizzate. In tale scenario, fino a che punto è corretto restringere la sezione per non dover servire l’impianto con un ventilatore eccessivamente energivoro?  

La classificazione delle condotte

Dopo questa breve introduzione sui parametri che occorre tenere in considerazione per un corretto dimensionamento delle condotte, è necessario classificarne le diverse tipologie.

Una prima classificazione delle condotte può essere effettuata in funzione della tipologia di percorso effettuata dall’aria: 

> Canali di mandata;

> Canali di ripresa.

Dei primi fanno parte tutte le condotte che servono l’aria di immissione in ambiente climatizzato: grazie a un ventilatore di mandata, l’aria trattata nell’UTA percorre questi canali fino al raggiungimento dei diffusori posizionati all’interno degli ambienti da servire. I canali di ripresa sono invece percorsi dal fluido termovettore in senso inverso; vi è quindi un aspiratore che permette l’espulsione di una portata d’aria dall’ambiente climatizzato, che poi viene inviata in ambiente esterno oppure, in parte, ricircolata. Fanno quindi parte dei canali di ripresa anche le condotte di ricircolo, spesso predisposte al pre-riscaldamento/pre-raffrescamento dell’aria di immissione attraverso uno scambiatore di calore al fine di ottimizzare il circuito dal punto di vista energetico.

Una seconda tipologia di classificazione è relativa alla vicinanza delle condotte all’impianto UTA:

> Condotte primarie;

> Condotte secondarie.

Le condotte primarie sono posizionate nelle immediate vicinanze dell’UTA (spesso all’esterno dell’edificio), e sono generalmente costituite da un canale rigido in materiale idoneo in grado di resistere agli agenti atmosferici . Esse inoltre, dovendo garantire il passaggio dell’intera portata di aria necessaria alle zone climatizzate ed essendo posizionate in spazi tecnici, posti ad una certa distanza dagli ambienti da servire, sono caratterizzate da una sezione rilevante e da una velocità maggiore. 

Man mano che ci si avvicina agli ambienti da servire, la portata totale di aria si dirama ad ogni nodo del sistema, nel rispetto della conservazione della massa, e si ha il passaggio da condotte primarie a secondarie. Collocate negli ambienti da servire (generalmente all’interno di un controsoffitto per motivi estetici), queste ultime sono caratterizzate da sezioni minori ed anche da velocità inferiori in modo da garantire un comfort acustico.

Figura 2. Tipico schema di sistema di distribuzione dell'aria in un edificio

Una terza tipologia di classificazione può essere effettuata in funzione della velocità di percorrenza del fluido, alta e bassa velocità, strettamente dipendente dalla destinazione d’uso dell’immobile, impianto a servizio di un edificio residenziale/commerciale o industriale, in quanto variano le condizioni operative. Si avranno quindi: 

- Velocità basse (fino a 10 m/s - solitamente compresa fra 5 ed 8 m/s) e velocità alte (oltre 12 m/s) per l’ambito residenziale/commerciale;

- Velocità basse (fino a 12 m/s – solitamente compresa fra 7 e 12 m/s) e velocità alte (oltre 12 m/s) per l’ambito industriale.

Se le velocità di cui sopra sono quelle solitamente più utilizzate per le condotte di mandata, spesso per le condotte di ripresa si considerano delle velocità inferiori, ovvero: 

- Velocità basse (fino a 9 m/s – normalmente compresa fra 4.5 e 7 m/s ) per l’ambito residenziale/commerciale;

- Velocità basse (fino a 10 m/s – normalmente compresa fra 5 e 9 m/s) per l’ambito industriale.

Un’ulteriore classificazione possibile è in funzione della pressione a cui è sottoposto l’impianto e la relativa classe del ventilatore da utilizzarsi al fine di garantirne il corretto funzionamento. Avremo quindi: 

- Pressioni basse, sino a 900 Pa, - ventilatori classe I; 

- Pressioni medie, 900-1700 Pa - ventilatori classe II; 

- Pressioni alte, 1700-3000 Pa - ventilatori classe III. 

Infine, un ultima tipologia di classificazione può essere fatta in funzione della classe di tenuta all’aria delle condotte che si distinguono in:

- Classe di tenuta A, perdita ammessa 2,4 l/sec per m² di superficie laterale;

- Classe di tenuta B perdita ammessa 0,8 l/sec per m² di superficie laterale;

- Classe di tenuta C perdita ammessa 0.28 l/sec per m² di superficie laterale.

Questo parametro solo recentemente ha assunto una maggiore rilevanza. Se fino a qualche anno fa le verifiche di tenuta erano effettuate con sommarietà poiché le normative vigenti erano poco stringenti, recentemente questo campo è stato maggiormente attenzionato durante la progettazione di impianti aeraulici ed il merito non è solo delle normative che impongono limiti sempre più restrittivi, ma anche perché tale parametro influenza la potenza del ventilatore, quindi il consumo di energia primaria, e di conseguenza il grado di efficienza energetica dell’intera rete. 

Inoltre, occorre specificare che la classe di tenuta è strettamente dipendente dalla destinazione d’uso dell’immobile.

Se ad esempio si sta progettando un impianto aeraulico a servizio di uffici allora sarà sufficiente considerare una condotta avente classe di tenuta A; se invece si sta operando in ambienti “sterili” come ad esempio camere bianche allora occorrerà considerare una classe di tenuta B o ancora, nel caso in cui si operi in ambienti particolarmente esigenti in termini di tenuta, es. settore energia nucleare, allora si dovranno utilizzare delle condotte aventi classe di tenuta C. 

Due ulteriori aspetti che occorre tenere in considerazione durante la progettazione di un sistema di distribuzione sono: l’aspetto estetico e l’occupazione di volume (dimensione delle condotte). Nonostante un canale circolare (in virtù della sua regolarità geometrica) rappresenterebbe sempre la migliore scelta per la minimizzazione delle perdite di carico distribuite e localizzate, poiché evita la presenza di spigoli e garantisce una corretta distribuzione delle molecole d’aria nei canali, spesso si deve riccorrere a condotte di altra sezione, come ad esempio a sezione quadrata o rettangolare. Ciò è dovuto al fatto che per garantire una certa portata immessa in ambiente ed avendo uno spazio disponibile per il passaggio delle condotte modesto, il progettista, già vincolato da un range limitato di velocità ammissibile del fluido, dovrà obbligatoriamente “giocare” con la sezione. Tuttavia, variare una sezione circolare vuol dire poter variare un solo parametro, il raggio, riducendo inevitabilmente la portata.

L’uso di una sezione rettangolare offre al progettista la possibilità di variare due parametri, cioè i due lati del rettangolo, mantenendo la portata costante (quindi rimane costante il diametro equivalente della condotta), garantendo inoltre il rispetto della velcità limite sia per la rumorosità dell’impianto che per il comfort degli occupanti. Occorre specificare che, nel caso di condotte rettangolari, tuttavia bisogna sempre considerare il fattore di forma K (dato dal rapporto fra il lato maggiore “a” ed il lato minore “b” della condotta) che non drovà mai essere superiore a 4 in modo da minimizzare le resistente al moto per attrito. 

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