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TECNOLOGIA
Quale scelta tra UTA e rooftop
La tradizionale differenza tra le unità di
trattamento d’aria (UTA), viste spesso
come soluzioni artigianali e i poco
flessibili condizionatori monoblocco
autonomi rooftop, si sta via via
assottigliando per lasciare il campo
a macchine più evolute e complesse
in grado di soddisfare quasi ogni
condizione di benessere.
Luca Ferrari
La differenza fra unità di trattamento aria
e rooftop è venuta progressivamente ad
attenuarsi nel corso del tempo per effetto
soprattutto all’innovazione di speciali tecnologie applicate alle macchine, al punto
che oggi sono frequenti le UTA dotate di
un completo circuito frigorifero, mentre i
rooftop possono essere equipaggiati con
batterie di riscaldamento idroniche, umidificatori, sistemi di recupero e ventilatori
di estrazione.
Le caratteristiche delle nuove UTA
E’ indubbio che sia in atto una tendenza ad uniformare verso l’alto l’odierna richiesta di prestazioni per le nuove UTA.
Se da un lato infatti è naturale che le strutture con esigenze specialistiche e gravose
come il settore ospedaliero (igiene), le piscine coperte (deumidificazione), i laboratori (aria esterna), l’industria farmaceutica e altri specifici settori industriali e non,
richiedano macchine, anche speciali, ad
elevate prestazioni nei campi della contaminazione controllata, è invece sinonimo di una nuova cultura del benessere e
sostenibilità ambientale, che le specifiche
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per edifici ordinari raccomandino valori
sempre più stringenti sull’inquinamento
acustico, sui parametri di IAQ e soprattutto sul risparmio energetico.
La risposta a queste nuove esigenze ha condotto allo sviluppo di tipologie specialistiche di queste macchine.
Dall’innovazione tecnologica nasce così la possibilità di equipaggiare le nuove UTA con un proprio circuito frigorifero autonomo per poter realizzare in ogni
momento i desiderati trattamenti dell’aria. In realtà, il circuito frigorifero è nella
gran parte dei casi un sistema motoevaporante e richiede il collegamento a un
condensatore remoto ad aria.
Altri modelli di unità si differenziano da
questa soluzione poiché comprendono
solo una batteria a espansione diretta con
valvola di espansione elettronica e prevedono il collegamento ad unità motocon-
densanti remote, in sistemi VRF, come l’unità Modular “plug and play” di Daikin..
La versatilità di questa unità le permette di assecondare le molteplici condizioni
degli impianti per aria primaria, normalmente con elevati valori di portata, potendo impiegare sia le batterie ad acqua
alimentate da pompe di calore, sia la tecnologia dell’espansione diretta con batterie accoppiate appunto a sistemi VRV.
La tecnologia “plug and play” della macchina avvicina i vantaggi nell’installazione
e nel set-up, a quella dei rooftop, tramite un sistema di regolazione pre-cablato
e pre-avviato.
Inoltre, attraverso uno specifico software di selezione, partendo da un modulo
base, si possono generare soluzioni personalizzate a seconda delle esigenze di
progettazione residenziale, commerciale
e industriale.
La struttura
La struttura delle UTA viene realizzata con
un telaio a struttura portante mediante
profilati estrusi in lega di alluminio ad alta resistenza (sezione 40x40 o 60x60).
La zona di trattamento aria è completamente rivestita con pannelli del tipo sandwich a doppia parete con varie tipologie
(plastificate, di alluminio, alluminio goffrato, peralluman, acciaio zincato, acciaio inox) con interposto isolamento ad
iniezione di materiale poliuretanico dello
spessore minimo di 30 mm (50 mm è comunque il valore consigliato).
Le pareti dei pannelli possono essere realizzate in lamiera zincata, alluminio, AISI 304,
lamiera preverniciata e lamiera plastificata. I pannelli stessi sono poi inseriti sul telaio portante con vari sistemi di fissaggio
e di tenuta. La costruzione che ne risulta
non solo si dimostra robusta e di grande
rigidità, ma riduce sensibilmente le perdite o le rientrate di calore e le fughe d’aria,
nonché l’emissione di rumore all’esterno
dell’unità.
Condizione essenziale di una valida UTA
resta comunque quella che tutti i componenti inseriti all’interno della macchina
siano facilmente estraibili e ispezionabili.
sione, facilmente lavabili e disinfettabili,
e con spigoli interni raccordati per evitare
l’accumulo di sporcizia.
Ma pur essendo realizzate per ambienti specifici (settore ospedaliero, alimentare, chimico, farmaceutico, ecc.) onde
minimizzare i rischi di sviluppo interno di
contaminanti biologici, le nuove centrali di trattamento dell’aria dotate di uno
speciale trattamento antibatterico, sono
via via proposte come valida innovazione
anche per settori tradizionalmente meno esigenti.
Infatti accertato che se non inibito, l’impianto di climatizzazione è sempre più
coinvolto nei processi di diffusione microbica, negli ultimi anni è stata perfezionata
una metodologia basata sul processo di
ionizzazione di metalli pesanti ad azione
battericida e batteriostatica. Ad esempio,
con il trattamento mediante la ionizzazione rame e argento si è in grado di ridurre drasticamente le colonie di Legionella
Pneumophila, inattivandone fenomeni di
ricontaminazione.
Sulla stessa lunghezza d’onda è possibile parlare della disinfezione delle unità di
trattamento d’aria mediante raggi ultravioletti. Le lampade a raggi ultravioletti,
se installate in modo idoneo, possono
aiutare a mantenere sterili le batterie di
scambio termico, migliorando di conseguenza la sanità dell’aria distribuita negli ambienti dall’impianto di climatizzazione.
Di norma la sezione UVGI (Ultraviolet
Germicidal Irradiation) viene posizionata
a valle della camera di miscela della centrale di trattamento d’aria. In alternativa
è possibile una sua sistemazione direttamente sulla presa di ricircolo dell’aria,
questo soprattutto quando devono essere
trattate zone ad alto rischio di contagio
(reparti infettivi), mentre più raramente
viene inserita nei soli condotti di espulsione o di mandata dell’aria, quasi mai
sulla ripresa di aria esterna.
L’unità Air Knight di Air Control, collocata
in un’apposita sezione, unisce in un unico corpo la reazione del modulo alle le-
Maggiore igiene
Le nuove unità di trattamento dell’aria,
come l’unità l’X-CUBE di Trox conforme
alla norma DIN 1946/4 dedicata al settore
ospedaliero, al fine di evitare la proliferazione di agenti biologici, vengono realizzate con superfici interne lisce, evitando
bordi, fessure, e impiegando materiali
resistenti alla formazione di cricche, alla
scheggiatura, allo sfaldamento, all’abraLa standardizzazione delle UTA parte
da un modulo base con recuperatore
entalpico rotativo, a cui accoppiare dei
moduli batteria ad espansione diretta e
ad acqua, una camera di miscelazione a
tre vie e altri accessori. Nella foto l’UTA
Modular “plug and play” di Daikin.
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La particolare realizzazione in moduli con sportelli ispezionabili con maniglie esterne e
cerniere a 180°, telaio rivestito esternamente e superfici interne lisce, fanno dell’X-CUBE
una UTA versatile idonea anche per applicazioni critiche quali le strutture ospedaliere (Trox).
I moduli Air Knight posizionati nelle sezioni delle UTA, grazie alla produzione naturale
di ioni ossidanti sono in grado di eliminare le sostanze inquinanti nell’aria e sulle
superfici (Air Control).
Tab.1 - Classificazione Eurovent delle centrali di trattamento dell’aria.
CLASSE
Velocità
massima*
Fattore di
potenza
assorbita
Recupero di calore
(aria esterna ≤ 9 °C)
[m/s]
[fclass-Pref]
F[%]
DP[Pa]
AN / A
≤ 1,8
≤ 0,90
≥ 75
≤ 280
BN / B
≤ 2,0
≤ 0,95
≥ 67
≤ 230
CN / C
≤ 2,2
≤ 1,00
≥ 57
≤ 170
DN / D
≤ 2,5
≤ 1,06
≥ 47
≤ 125
≤ 2,8
≤ 1,12
≥ 37
≤ 100
EN / E
FN / F
Non richiesto
Legenda:
- da AN a EN per unità con il 100% di ricircolo o con temperatura dell’aria esterna > 9 °C;
- da A a E per unità con temperatura dell’aria esterna ≤ 9 °C e recupero di calore;
- *massima velocità dell’aria attraverso la sezione filtrante.
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ghe metalliche con raggi UV ottenendo
un’ossidazione ionica, in grado di produrre agenti attivi decontaminanti idonei a neutralizzare batteri, virus, muffe
allergeni e odori.
Non va poi dimenticato l’impiego di filtri elettronici (filtri al plasma) completamente automatici con efficienza non
inferiore ad H10, che consentono di abbattere le polveri sottili ed anche alcuni
tipi di virus e batteri con perdite di carico decisamente ridotte.
L’efficienza di questi filtri rimane costante durante tutto il ciclo di funzionamento, mentre la durata delle celle è
normalmente pari alla vita stessa della
macchina.
Attualmente il filtro al plasma è indiscutibilmente il metodo più efficace di filtrazione, in grado di rimuovere con efficacia particelle anche più piccole di un
micrometro.
Poiché i tradizionali filtri a tasche non
sono rigenerabili e grazie alla vita praticamente infinita dei filtri elettronici, il
costo iniziale di questi ultimi viene ammortizzato in tempi brevissimi.
Maggiore economia
Naturalmente è il settore del risparmio
economico quello che interessa a maggior ragione produttori e committenti.
La normativa europea EN 13053 definisce lo standard per valutare l’efficienza energetica delle centrali di trattamento aria. Con riferimento ad essa
la Certificazione Eurovent introduce nel
2010, 5 classi energetiche dalla A (più
elevata) alla E (tabella 1).
La classificazione energetica Eurovent
per le centrali di trattamento aria prende in considerazione parametri come la
velocità dell’aria, la potenza elettrica assorbita dal motore del ventilatore e l’efficienza del recupero di calore.
Sul fronte delle innovazioni si segnalano
due prevalenti conferme/novità: la prima
Le unità della serie Energy,
appositamente studiate per il
trattamento dell’aria primaria, sono state
dotate di un doppio sistema di recupero,
statico e attivo, in grado di consentire
una versatilità di utilizzo con importanti
risparmi energetici (Aermec).
Il rooftop WTA combina un sistema
di recupero attivo con uno statico,
sfruttando l’aria di espulsione come
sorgente energeticamente vantaggiosa
per il funzionamento del circuito
termodinamico. Studiata per impianti
ad aria primaria, la portata d’aria può
essere messa in relazione dinamica
con le sonde di qualità dell’aria
(Climaveneta).
riguardo un miglior utilizzo del
ciclo di economia (free cooling)
sulle centrali di trattamento
dell’aria, anche attraverso l’impiego di una serranda dedicata
alla sola presa di aria esterna,
l’altra riferita a nuovi sistemi di
recupero del calore attraverso
innovativi sistemi termodinamici a pompa di calore.
Free cooling
Nelle nuove centrali, il free cooling non viene più controllato solamente dalla posizione
delle serrande collegate a un
sensore di temperatura, ma
anche attraverso opportune scelte di
regolazione (valvola a tre vie della batteria fredda) e di selezione nella camera di miscela dell’unità di trattamento
aria. Inoltre nelle soluzioni più sofisticate, è presente una stazione di misura
direttamente integrata con la serranda
di regolazione. La serranda è controllata in questo caso da una sonda di pressione differenziale posta a cavallo della
serranda stessa.
Questo permette anche a basse velocità
(fino a 0.75 m/s) di ottenere misurazioni
accurate. La quantità di aria esterna in-
trodotta in questo caso può essere
controllata entro un ampio intervallo di
valori che variano tra l’apertura completa
della serranda fino alla posizione di minima, sempre di aria esterna. Il sistema
può lavorare quindi sia come serranda
principale di aria esterna sia come serranda di minima.
Con questa soluzione è inoltre possibile
comunicare alla centralina di regolazione
l’esatto valore di aria esterna introdotta,
situazione molto utile quando l’impianto è asservito ad ambienti soggetti ad
occupazione temporanea o a frequenza
variabile (ad esempio teatro/cinema dotato di un sistema di controllo del numero di biglietti venduti), in quanto diviene
possibile inviare la sola quantità di aria
esterna necessaria.
Infatti quando si verifica che la temperatura dell’aria esterna risulta inferiore a
quella degli ambienti interni, è possibile inviare una quantità superiore di aria
esterna convenientemente fredda nell’unità, risparmiando parte dell’energia frigorifera.
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Recupero energetico
I sistemi tradizionali di recupero di calore,
per la maggior parte statici, non consentono di adattare l’efficienza del sistema
alle estremamente mutevoli condizioni
climatiche ed ai differenziali tra le temperature esterne ed interne dei locali serviti.
I nuovi sistemi attivi di recupero di energia a pompa di calore reversibile, particolarmente indicati per UTA a sola aria
esterna, viceversa consentono una temperatura di uscita dal recuperatore dinamico molto più vicina al set point rispetto
alla temperatura d’uscita dal recuperatore statico, ne consegue che, nelle stagioni intermedie, si verifica con frequenza
la possibilità di sopperire ai carichi termici dei locali serviti unicamente con il
recupero, mantenendo in stand-by la/e
batteria/e principale/i.
L’unità di trattamento dell’aria Energy di
Aermec con il doppio sistema di recupero
di calore (statico ed attivo) ed umidificazione adiabatica permette di portare l’aria nelle volute condizioni di immissione
in ambiente con il minimo dispendio di
energia. Il recupero di calore termodinamico attivo si basa sull’utilizzo di un circuito frigorifero reversibile (con valvola
di inversione di ciclo a quattro vie) con
una delle due batterie (condensatore o
evaporatore a seconda della stagione) a
monte della serranda di espulsione, e la
seconda inserita in parallelo alle batterie
interne principali. Il recupero può essere anche attivato dal solo controllo della
qualità dell’aria.
Il nuovo sistema di recupero permette di
limitare la potenza dei ventilatori, particolarmente gravata invece nel caso di sistemi di recupero di calore statici.
Maggiore IAQ
Si è già detto che le nuove centrali, in
virtù delle esigenze sempre più spinte
di IAQ, vengono realizzate per soddisfare costantemente i valori stabiliti di aria
esterna negli ambienti.
Senza dunque entrare nel merito sulla architettura della macchina, se dedicata al
solo mantenimento dei ricambi esterni o
viceversa anche al fabbisogno termico,
va detto che le nuove sonde di CO2 attivano tramite una centralina di controllo
il movimento delle serrande di ripresa ed
espulsione della UTA.
A questo si aggiungono le considerazioni
di tenuta delle nuove macchine che attraverso anche il preciso accoppiamento telaio - pannellatura consentono di
raggiungere valori di trafilamento d’aria
dell’involucro rientranti almeno nei valori
della classe B della norma UNI EN 1886.
Ventilazione
Il maggior consumo di energia delle UTA
è imputato direttamente all’unità ventilante ed quindi sempre doveroso occuparsi di aumentare l’efficienza del ventilatore.
Anche per questo motivo, i nuovi ventilatori centrifughi del tipo plug-fan senza
coclea a pale rovesce azionati da motori a
corrente continua “brushless” a controllo
elettronico direttamente accoppiati, stanno diventando lo standard di riferimento
in alternativa ai classici ventilatori a trasmissione con pulegge.
L’avviamento è progressivo, senza picchi
di assorbimento allo spunto.
La camera ventilante viene dunque messa
per intero in “pressione” dal ventilatore
ed quindi possibile innestare direttamente
la canalizzazione, verticale o orizzontale,
al pannello della UTA senza preoccuparsi
di particolari collegamenti.
Si ottengono inoltre minori velocità dell’aria in uscita, con conseguente benefico
aumento della pressione statica.
Questi ventilatori garantiscono il massimo
L’utilizzo di filtri elettronici consente
al rooftop Zephir3 un efficace impiego
come unità di aria primaria. Inoltre
il recupero termodinamico attivo,
che abbatte gli sprechi eliminando le
elevate perdite di carico dei recuperatori
passivi, e il postriscaldamento gratuito
a recupero di gas caldo aumentano
ulteriormente l’efficienza (Clivet).
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rendimento aeraulico, danno la possibilità di regolare la portata senza penalizzare l’efficienza del motore, minimizzano le
vibrazioni e di fatto annullano le costose
operazioni di manutenzione.
Le innovazioni nei rooftop
I condizionatori autonomi rooftop variano in un campo di potenze che, partendo da pochi kilowatt, possono raggiungere i 500, con portate d’aria (nel
caso di solo raffreddamento) che arrivano fino a 90.000 m/h, sebbene i modelli
maggiormente utilizzati presentino limiti
sensibilmente inferiori. Nella sostanza, i
rooftop vengono considerati delle unità di trattamento d’aria a zona singola adatti per tutti quegli impieghi in cui
non vi siano particolari condizioni ambientali da soddisfare.
Sotto il profilo costruttivo, i condizionatori rooftop sono composti da due sezioni contenute in un’unica copertura che,
secondo i modelli, può essere realizzata
in lamiera semplice o in doppia pannellatura, come per le UTA:
- sezione motocondensante che comprende un compressore (o più), una
batteria di condensazione a pacco ed
elettroventilatori elicoidali per il raffreddamento della batteria stessa;
- sezione evaporante che comprende
una batteria di raffreddamento a espansione diretta, una valvola di espansione
termostatica o elettronica (o più secondo il numero di circuiti frigoriferi), uno
o due ventilatori centrifughi o plug fan
per la ripresa e mandata dell’aria clima-
tizzata, una valvola a 4 vie di inversione
del ciclo e un accumulatore sull’aspirazione del gas (per circuito) nelle unità a
pompa di calore, filtri d’aria e altri componenti minori, oltre a un quadro elettrico e a una centralina di regolazione
e controllo.
L’aria primaria e il recupero energetico
Fino a poco tempo fa una evidente limitazione di queste macchine era dovuta al fatto, che nella maggior parte
dei casi, non erano idonee ad effettuare il trattamento della sola aria esterna; viceversa oggi sono disponibili sul
mercato macchine come la nuova WTA
di Climaveneta per il trattamento, il rinnovo e la depurazione dell’aria primaria.
L’unità è in grado di integrarsi con sistemi di climatizzazione quali chiller con
terminali idronici o impianti ad espansione diretta, risultando così una soluzione
particolarmente indicata per specifiche
applicazioni quali uffici, centri direzionali, scuole, ospedali e centri commerciali.
Tra le novità più interessanti di questo rooftop risulta la combinazione di
un doppio sistema di recupero, attivo e
statico, in grado di riutilizzare tutta l’energia contenuta nell’aria ambiente di
espulsione, soluzione energeticamente
vantaggiosa in quanto questa presenta, di norma, una temperatura più favorevole.
Questo consente alla macchina di lavorare con temperature di condensazione ed evaporazione ideali aumentando
notevolmente l’efficienza del circui-
to frigorifero. Zephir3 è invece il nome
dell’analogo sistema Clivet per il rinnovo dell’aria. Il rooftop estrae l’aria viziata
ed immette aria di rinnovo climatizzata
e purificata mediante filtri elettronici ad
alta efficienza, in grado quindi di neutralizzare PM10, batteri, pollini.
Anche in questo caso, la tecnologia della pompa di calore reversibile dotata di
un compressore comandato da un inverter con regolazione continua di capacità, permette il recupero termodinamico
attivo dell’aria viziata, utilizzata dunque
come sorgente termica, con vantaggio
del ciclo termodinamico e dell’efficienza energetica.
Il sistema di ventilazione a controllo elettronico consente il funzionamento a portata costante, oppure variabile in base
alla qualità dell’aria rilevata.
Il tutto senza l’impiego di combustibili
fossili, linee gas e in ultima analisi con
una riduzione di oltre il 50% delle emissioni di CO2.
Va in questa direzione anche il rooftop
HE di Blue Box che recupera anch’esso il
carico energetico dell’aria espulsa.
Nel recupero termodinamico, l’aria espulsa viene convogliata sugli scambiatori sorgente in modo da ottimizzare le prestazioni energetiche dell’unità frigorifera,
mentre il recupero a flussi incrociati a pia-
HE è un condizionatore d’aria
autonomo solo freddo o pompa di
calore aria/aria con compressori scroll
in versione rooftop (Blue Box).
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Climatizzatore autonomo di tipo rooftop
ad espansione diretta
ad alta efficienza
per ambienti a
medio affollamento
ClivetPack CSRN-XHE2.
stre di alluminio consente di riprendere fino al 65% dell’energia dell’aria ambiente,
altrimenti sprecata in atmosfera.
Con questi nuovi rooftop la potenza termica e frigorifera generata sostituisce
gran parte della potenza prodotta dalla centrale termica e frigorifera, così da
poterne ridurre la potenza ed eliminare
l’intero circuito di distribuzione dei fluidi
caldo e freddo per l’aria primaria.
Configurazioni e efficienza energetica
La unità rooftop non sono macchine a
composizione modulare, bensì prodotti
standard, sebbene personalizzabili con i
diversi optional offerti dai rispettivi costruttori.
Al vantaggio dunque di avere macchine
collaudate in fabbrica e quindi con garanzia di prestazioni, si contrappone proprio
i limiti dei trattamenti standard dell’aria
offerti dal progetto della macchina.
Per esempio un limite significativo sta nel
fatto che non sono adatte per trattare
ambienti caratterizzati da carichi latenti
elevati come si possono produrre in alcuni
settori dell’industria.
Ciò non toglie che i condizionatori rooftop si siano affermati in applicazioni
anche molto diverse: dai supermercati ai
cinema multisale, dagli show room agli
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edifici industriali ecc. Nel campo dell’efficienza energetica, che fa il pari con quelle
delle UTA, si è già detto del doppio recupero energetico, è possibile menzionare l’innovativo doppio circuito frigorifero
con compressori scroll ottimizzato per il
funzionamento a carico parziale dei rooftop dei nuovi modelli ClivetPack CSRTXHE2 e CSRN-XHE. Le unità sono dotate di controllo automatico della qualità
dell’aria con sonda CO2 e VOC, che regola in modo dinamico, in base all’effettivo bisogno di rinnovo dell’aria, la ventilazione a portata d’aria variabile.
Analogo sistema viene adottato dalle unità KRSAY di A.C.M. Kälte Klima, composte da 2, 4 e 6 compressori distribuiti
su due circuiti frigoriferi indipendenti per
ottimizzare le rese frigorifere e portate
dell’aria ai carichi parziali, tramite l’utilizzo valvole termostatiche elettroniche.
Naturalmente, come per l’unità UTA, è
l’utilizzo del free cooling che consente
importanti vantaggi energetici all’impianto. La gestione intelligente e coordinata
del free cooling e by-pass del recuperatore statico elimina inoltre tutti gli inutili
sprechi di energia.
Nel funzionamento con by-pass del recuperatore, l’unità WTA di Climaveneta tratta l’aria esterna, che si trova a condizioni
favorevoli, per inviarla in ambiente in condizioni neutre, senza il
contributo del recupero a flussi incrociati. La
serranda di by-pass viene
aperta per ottimizzare il funzionamento dell’unità; il trattamento dell’aria viene garantito dal compressore inverter che regola la potenza erogata fino
allo spegnimento nelle condizioni di free
cooling, dove l’aria esterna viene direttamente immessa in ambiente.
Per fare un esempio in una città come
Milano, l’utilizzo di un sistema di free cooling intelligente (totale o misto), permetterebbe un risparmio energetico nell’ordine del 35%, non si sta dunque parlando
di percentuali trascurabili.
Nei costi di gestione degli impianti, un’importante voce di spesa è rappresentata
dal consumo elettrico per la ventilazione,
mentre la ricerca delle corrette condizioni
di funzionamento sugli impianti costringe a lunghe ed onerose tarature in opera dell’unità ventilante. La nuova tecnologia di ventilazione, basata come per le
UTA, su ventilatori plug fan direttamente
accoppiati a motori brushless a controllo elettronico, consente di abbattere entrambi questi costi operativi.
Tra gli optional disponibili nell’unità rooftop si ricorda: batterie di riscaldamento, filtri ad alta efficienza, ventilatore di
estrazione; sistemi di riscaldamento con
bruciatore a gas, la gestione remota da
parte di Building Automation Systems
(BMS).
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