Impianti di Climatizzazione e Impianti di Climatizzazione e

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Impianti di Climatizzazione e
Condizionamento
IMPIANTI DI CONDIZIONAMENTO:
CRITERI DI PROGETTO
Corso di Impianti Tecnici per l'edilizia - E. Moretti
1
COMPONENTI DI UN IMPIANTO DI CONDIZIONAMENTO
Impianti a tutt’aria:
− terminali di immissione dell’aria;
−rete di distribuzione ed eventualmente di ripresa dell’aria;
− condizionatore (o UTA) per trattare la portata d’aria di progetto;
−centrale termica e frigorifera.
Impianti misti aria-acqua:
−terminali di immissione dell’aria;
− rete di distribuzione dell
dell’aria;
aria;
−elemento terminale (ventilconvettore, induttore o pannello radiante);
−rete
t di distribuzione
di t ib i
d ll’
dell’acqua;
−condizionatore (o UTA) per il trattamento dell’aria primaria;
−centrale
l termica
i e frigorifera.
f i if
2
TRATTAMENTI DELL’ARIA
Per mantenere le condizioni di progetto occorre introdurre una portata
d’aria in grado di compensare il carico termico e igrometrico e garantire
un’adeguata qualità dell’aria interna.
La portata d’aria di progetto, prima di essere immessa in ambiente,
subisce dei trattamenti nell’UTA, al fine di ottenere condizioni di
immissione idonee al controllo delle variabili ambientali.
La portata d’aria di progetto, può essere in parte ricircolata; occorre
comunque garantire una portata d
d’aria
aria esterna pari almeno a quella
necessaria per le esigenze di purezza, pertanto la portata di ricircolo può
essere all massimo
i
parii a:
gr = G – g(P) (m3/h)
Negli impianti misti, la portata d
d’aria
aria primaria coincide quasi sempre con
quella necessaria a garantire il comfort, in genere non si effettua ricircolo.
3
Impianti a tutt’aria
CASO ESTIVO
Condizioni esterne di progetto (punto E): TE = 34
34°C
C e ФE = 50%;
Condizioni interne (TA = 26°C ± 1°C e ФA = 50% ± 10%)
Trasformazioni
E-RE: raffreddamento e umidità specifica costante, (batteria di raffreddamento
aria-acqua refrigerata, con RE è il punto di rugiada di E;
RE-RI: raffreddamento con deumidificazione, realizzabile nella stessa batteria di
raffreddamento, dove RI è il punto di rugiada del punto di immissione;
RI-I:
I: post-riscaldamento
post riscaldamento a umidità specifica costante
costante, realizzabile in una batteria di
riscaldamento aria-acqua calda.
Il valore minimo della temperatura di immissione dell’aria è 16°C, (valori inferiori
potrebbero indurre discomfort); ll’umidità
umidità specifica alla quale ll’aria
aria è immessa è la
minima consentita (punto K), così da compensare i contributi presenti in ambiente.
4
CASO ESTIVO
5
CASO ESTIVO
In presenza di ricircolo, l’aria è immessa nel condizionatore nelle
condizioni del punto M, la cui posizione sul segmento congiungente
le condizioni rappresentative dell’aria esterna E e dell’aria interna A
è individuata mediante la seguente relazione:
MA
=
g(P)
gr
ME
con
g(P) = portata necessaria a garantire la purezza;
gr: la portata di ricircolo.
Rispetto alla situazione con tutta aria esterna, la trasformazione E-RE
diventa M-RM, la RE-RI diventa RM-RI, con notevole risparmio energetico
nella batteria di raffreddamento
raffreddamento.
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CASO INVERNALE
Condizioni esterne di progetto
progetto, TE = 0°C
0 C e ФE = 80%;
Condizioni interne (TA = 20°C ± 1°C e ФA = 50% ± 10%)
Trasformazioni
E-P: p
pre-riscaldamento a umidità specifica
p
costante,, realizzabile in una batteria di
riscaldamento aria-acqua calda;
P RI umidificazione
P-RI:
idifi
i
adiabatica,
di b ti
realizzabile
li
bil iin un apposito
it umidificatore;
idifi t
Ri-I: post-riscaldamento a umidità specifica costante, realizzabile in una successiva
batteria di post-riscaldamento aria-acqua calda.
7
CASO INVERNALE
Miscela effettuata prima dell’ingresso nel condizionatore
8
In presenza di ricircolo si possono avere due situazioni:
a)miscela
effettuata
prima
dell’ingresso
dell
ingresso
nel
condizionatore:
la
trasformazione E-P diventa M-P’, mentre la P-RI diventa P’-RI.
In estate non è soggetto ad alcuna limitazione, in inverno può dare luogo ad
incertezze nel controllo dell
dell’umidità
umidità relativa,
relativa poiché può risultare XRI > XK (punto
M a destra della isoentalpica P’RI), anche annullando il pre-riscaldamento (il
che richiederebbe per assurdo una successiva deumidificazione).
A questo inconveniente si può ovviare aumentando la portata d’aria esterna,
esterna in
modo da riportare XM a valori tali per cui risulti XRI < XK; in inverno, pertanto, si
dovrebbe operare con una portata d’aria esterna maggiore che in estate;
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b) miscela effettuata dopo il preriscaldamento
in questo caso l’umidificazione adiabatica sarà solo parziale, non si raggiungerà
cioè la saturazione (punto RI) e la trasformazione si muoverà da P a P’, per poi
proseguire da P’ fino al punto M.
Il punto P’ risulta dalla g(P) e da gr, imponendo XM=XI e che i punti P e P’ abbiano
lo stesso valore di entalpia (hP=hP’).
I punti M e P’
P possono essere determinati considerando che:
(hP' − hM ) g(P)
=
(hM − h A )
gr
( XP' − XM ) g(P)
=
( XM − X A )
gr
Questo schema può rappresentare un’alternativa a quello precedente, per
non aumentare la portata d’aria
d aria esterna
esterna.
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CASO INVERNALE
Miscela effettuata dopo pre-riscaldamento e umidificazione
Il punto P’ risulta dalla
g(P) e da gr, imponendo
XM=XI e che i punti P e
P’ abbiano lo stesso
valore
di
entalpia
(hP=hP’).
(hP' − hM ) g(P)
=
(hM − h A )
gr
( XP' − XM ) g(P)
=
( XM − X A )
gr
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Impianti misti aria-acqua
CASO ESTIVO
L’aria primaria è trattata centralmente in un condizionatore dove nel caso
estivo è sottoposta alle seguenti trasformazioni:
p
costante;;
−E-RE: raffreddamento a umidità specifica
−RE-RI: raffreddamento con deumidificazione;
−R
RI-I:
I post-riscaldamento
t i
ld
t ad
d umidità
idità specifica
ifi costante.
t t
L’aria è distribuita nelle condizioni del punto I:
umidità specifica minima ammessa e temperatura ≥16°C.
L’aria ambiente è raffreddata a umidità specifica costante, passando
attraverso la batteria del ventilconvettore: nel passaggio all’interno di esso
la temperatura
p
dell’aria p
può essere regolata
g
agendo
g
sulla p
portata d’acqua
q
che circola nella batteria o sulla velocità del ventilatore;
le
e co
condizioni
d o d
di introduzione
odu o e posso
possono
o esse
essere
e rappresentate
app ese a e da tutti
u i pu
punti
compresi tra gli stati R1 ed A.
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CASO ESTIVO
Aria
primaria
ventilconvettore
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CASO INVERNALE
primaria subisce le seguenti
g
trasformazioni:
L’aria p
−E-P: pre-riscaldamento ad umidità specifica costante;
−P-RI: umidificazione adiabatica fino alla temperatura
p
di saturazione;
−RI-K: post-riscaldamento ad umidità specifica costante.
L’aria ambiente è riscaldata a titolo costante, attraverso la batteria del
ventilconvettore, secondo la trasformazione AN.
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CASO INVERNALE
L’introduzione di aria primaria alla
temperatura TRI in posizione diversa
da
quella
in
cui
è
posto
il
ventilconvettore, può creare problemi
di
disuniformità
all’interno
dell’ambiente
In questi casi è consigliabile il postriscaldamento
invernale
dell’aria
primaria, che viene introdotta in
condizioni
neutre,
ovvero:
ventilconvettore
TA
(trasformazione RI-K) o comunque
in I a destra di K.
K
Aria
primaria
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CALCOLO DELLA PORTATA D’ARIA DI PROGETTO
tutt aria
Portate necessarie al controllo della temperatura:
ge (T) =
Q te
(kg/s)
γ u (TAe − TIemin )
gi (T) =
−Q ti
γ u (TIimax − TAi )
(kg/s)
ge
=portata d'aria da introdurre in estate (kg/s) per il controllo della temperatura;
Qte =valore del carico termico estivo massimo contemporaneo (kW);
γu
=calore specifico a pressione costante dell'aria introdotta (kJ/kg°C);
TIemin =temperatura minima ammissibile del punto d'introduzione estivo (°C);
TAe =temperatura di progetto estiva dell
dell'ambiente
ambiente ((°C);
C);
gi
=portata d'aria da introdurre in inverno (kg/s) per il controllo della
temperatura;
p
;
Qti =valore del carico termico invernale massimo contemporaneo (kW);
TIimax =temperatura massima ammissibile del punto di introduzione invernale (°C),
generalmente 32 – 34°C;
TAi =temperatura di progetto invernale dell'ambiente (°C).
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Portate p
per il controllo dell’umidità:
gwe
ge ( φ ) =
(kg/s)
(k
/ )
(X Ae max − XIe min )
gwi
gi (φ) =
(kg/s)
(k
/ )
(X Ai max − XIi min )
ge(Φ) = portata d'aria da introdurre in estate per il controllo dell’umidità relativa;
gwe
= portata di vapore acqueo complessivamente prodotta in estate (g/s);
XAemax = umidità specifica massima dell'aria ambiente in estate (g/kg);
XIemin = umidità specifica minima dell'aria introdotta in estate (g/kg);
gi(Φ) = portata d'aria da introdurre in inverno per il controllo dell’umidità relativa (kg/s);
gwi
= portata di vapor d'acqua complessivamente prodotta in inverno (g/s).
XAimax= umidità specifica massima dell'aria ambiente in inverno (g/kg);
XIimin = umidità specifica minima dell'aria introdotta in inverno (g/kg);
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Per il controllo della purezza si adottano le metodologie di calcolo della g(P),
scegliendo tra ll’approccio
approccio prescrittivo e quello prestazionale.
prestazionale
La portata di progetto
g
dell’impianto di condizionamento è data da quella massima:
G = max (ge(T), gi(T), ge(Φ), gi(Φ), g(P)) (kg/s)
Frequentemente il valore massimo è assunto dal termine ge(T) (a volte gi(T)).
La portata
L
t t massima
i
di ricircolo
i i l è fornita
f it dalla
d ll relazione
l i
vista
i t in
i precedenza,
d
l
la
portata pari a g(P) deve essere comunque immessa dall’esterno per il rinnovo.
La p
portata d’aria gr si trova g
già nelle condizioni di temperatura
p
e umidità relativa
desiderate nell’ambiente pertanto, in miscela con l’aria esterna, consente un
considerevole risparmio energetico, specialmente nei locali poco affollati, in cui
G » g(P).
(P)
gr = 0, l’impianto si dice a tutt’aria esterna
Nel caso in cui la differenza tra ge((T)) e gi((T)) sia notevole,, si può
p p
pensare all’adozione
di un ventilatore a doppia velocità, per fornire nominalmente la portata di progetto
estiva e ridurla durante la stagione invernale.
18
aria acqua
G = max (ge(Φ),
(Φ) gi(Φ),
(Φ) g(P)) (kg/s)
Il valore massimo generalmente è assunto dalla portata g(P)
La rete di canali è progettata come per gli impianti a tutt’aria: in
questo caso, però,
ò la
l portata di ricircolo
i i l è sempre nulla
ll in
i quanto
l’aria esterna deve servire per il rinnovo; pertanto non è presente
alcuna rete di ripresa.
19
TERMINALI DI IMMISSIONE DELL’ARIA
La diffusione dell’aria deve realizzare i seguenti scopi:
p
i carichi termici estivi o invernali del singolo
g
locale;
• compensare
• rinnovare l’aria ambiente e diluire gli odori per mezzo di un corretto
apporto di aria esterna;
• mantenere i gradienti di temperatura sul piano verticale e sul piano
orizzontale entro i limiti fissati dalle norme;
• raccogliere il pulviscolo in sospensione nel locale e trascinarlo verso gli
elementi di ripresa;
• mantenere un livello sonoro entro i limiti richiesti.
I principali
i i li modelli
d lli di di
distribuzione
t ib i
d
dell’aria
ll’ i possono essere ricondotti
i
d tti a ttre:
1) distribuzione a flusso turbolento;
2) distribuzione a dislocazione;
3) distribuzione a flusso laminare orizzontale o verticale.
20
1) Terminali di distribuzione a flusso turbolento
DEFINIZIONI
velocità di uscita:
per le bocchette rettangolari tradizionali, si intende la velocità valutata sull’area
frontale lorda della bocchetta; nel caso di anemostati o comunque di dispositivi nei
qualili sia
i difficilmente
diffi il
t identificabile
id tifi bil una precisa
i
di i
direzione
nella
ll quale
l misurare
i
l
la
velocità di uscita, si fa riferimento alla velocità media sul collo.
La velocità iniziale resta costante solo in una parte centrale (indisturbata) del getto,
detta dardo, di forma pressoché piramidale nel caso di bocchette rettangolari
lancio: la distanza alla quale la velocità massima dell'aria lungo l’asse del getto, per
effetto dell'allargamento del getto stesso e del mescolamento con aria ambiente,
ambiente si è
ridotta ad un valore predefinito, Vm, in condizioni d'isotermia con l'ambiente.
−Ogni dispositivo di immissione deve coprire una certa porzione dell'ambiente,
raggiungendo con il suo lancio le zone più lontane con una velocità finale massima
q
che interessa è il lancio L0, valutato nel
V0m fissata usualmente in 0.4 m/s;quello
punto ove si raggiunge la V0m.
−In realtà questo criterio di valutazione di L0 è assai cautelativo: infatti si potrebbe
fare riferimento alla velocità limite di 0.4 m/s considerata nella zona occupata dalle
persone e non lungo l’asse del getto, che generalmente è ben più in alto.
21
DEFINIZIONI
−rapporto
rapporto di induzione: ll'aria
aria immessa con una certa velocità trascina nel suo
movimento anche parte dell'aria ambiente, così che in ogni punto del getto si ha
una portata totale in movimento Gt superiore a quella Gi della sola aria immessa;
i ognii punto
in
t del
d l getto
tt sii definisce
d fi i
il rapporto
t d'induzione
d'i d i
come:
I = Gt/Gi
L'induzione è legata alla velocità del getto ed al suo sviluppo perimetrale; pertanto i
dispositivi ad elevato rapporto di induzione possono essere del tipo ad ugelli (alta
velocità) o a sviluppo lineare (alto perimetro) o comunque conformati in modo tale
da ge
generare
eaea
ampie
p e zone
o ed
di richiamo
c a o de
dell'aria
a ac
circostante;
cos a e;
−caduta: nella realtà l'aria immessa è più calda o più fredda di quella ambiente;
tale differenza di temperatura determina nel primo caso una tendenza naturale
del getto ad innalzarsi, nel secondo ad abbassarsi.
−Ad ogni distanza dal punto d’immissione, ovvero ad ogni valore del lancio, si
può quindi definire la caduta come la distanza (positiva o negativa) fra la quota
dell’asse del getto nel punto in esame e la quota del punto d’immissione: la
quale si fa g
generalmente riferimento è comunque
q
quella
q
caduta alla q
corrispondente al lancio L0;
22
DEFINIZIONI
temperatura finale del lancio: per effetto dell
dell'induzione
induzione, in condizioni di non
isotermia, la temperatura dell'aria miscelata si avvicina a quella dell'ambiente; in
corrispondenza del lancio L0 si ha la temperatura finale del lancio T0;
−effetto soffitto (o Coanda): quando una bocchetta di immissione si trova in
vicinanza del soffitto (distanza <30 cm),
cm) il getto tende ad aderire ad esso per
depressione; tale fenomeno, provoca un allungamento del lancio e
contemporaneamente una diminuzione della caduta.
−Occorre
Occorre perciò accertarsi,
accertarsi nella consultazione dei cataloghi dei costruttori,
costruttori se lancio
e caduta sono forniti in presenza o meno di effetto soffitto.
23
Tipologia di terminale
Caratteristiche
Bocchette a parete ad alette o ugelli
gg
facilità
Presentano costi bassi e offrono una maggiore
di installazione rispetto ad altri terminali. Di contro
presentano limiti nel trattamento dei carichi termici di
alta densità e nell’uniformità di diffusione dell’aria in
locali di una certa ampiezza.
Diffusori a soffitto
Sono del tipo circolare, quadrato o rettangolare, a
coni concentrici o forellati.
forellati Presentano buone
capacità nel trattamento dei carichi termici, anche
elevati, e offrono caratteristiche apprezzabili di
diffusione dell’aria. Essi comportano spesso la
necessità di prevedere un controsoffitto, anche se
l’installazione a vista è sempre più in uso, soprattutto
nei locali commerciali.
Diffusori da pavimento
Si installano nel pavimento galleggiante e possono
essere di vari tipi: elementi rettangolari, circolari a
flusso spiraliforme, ecc..
Diffusori da sottopoltrona
Si installano al di sotto delle poltrone in sale teatrali e
assicurano un flusso d’aria dal basso verso l’alto, a
velocità molto contenute, che avvolge la persona
seduta, controllandone il microclima e asportandone
con continuità gli effluenti emessi.
24
Velocità di
uscita (m/s)
Rapporto di
induzione
Lancio (m)
2–8
2–4
1.2 – 4
Diffusori spiroidali
p
Tipologia di terminale
Posizionamento
Parete
Soffitto
Pavimento
<6
SI
SI
SI
3–8
<6
SI
SI
NO
2–6
4 – 12
<6
SI
SI
SI
Diffusori lineari
2–6
4 – 12
<2
NO
SI
NO
Ugelli
4 - 20
5 – 50
fino a 12
SI
NO
SI
Bocchette ad alette
Diffusori a coni
25
2) Terminali per la distribuzione a dislocamento
Tutti gli altri tipi di terminali funzionano sul principio della miscelazione, in
questi invece,, il flusso d’aria è continuo e realizza una zona p
q
pulita al di
sotto di un certo strato limite.
L’aria se più calda,
L’aria,
calda è spostata verso l’alto dal flusso entrante e
ulteriormente accelerata dalle correnti convettive create dalle sorgenti
termiche localizzate pertanto tende a raccogliersi nella parte prossima al
quale p
può essere aspirata
p
dai terminali di ripresa.
p
soffitto,, dalla q
Bassa velocità di introduzione dell’aria (0.2
÷ 0.4 m/s).
Differenza di temperatura modesta
(massimo 6 ÷ 7°C) rispetto alle condizioni
richieste nella zona occupata.
La zona di influenza di un terminale può
avere un raggio da 2 ÷ 3 m fino a 7 ÷ 8 m.
26
3) Terminali di distribuzione a flusso laminare orizzontale o verticale.
Con i sistemi a flusso laminare è possibile ottenere un elevato grado di
purezza dell'aria
d ll' i ambiente
bi t e quindi
i di una forte
f t riduzione
id i
d li inquinanti.
degli
i
i
ti
La riduzione è ottenuta per spostamento fisico dell'aria inquinata, alla
quale va a sostituirsi aria trattata, con un meccanismo ad effetto pistone
realizzato ricorrendo a distribuzioni del tipo a flusso unidirezionale
laminare, ovvero a bassa turbolenza.
L’ i è immessa
L’aria
i
d un'intera
da
'i t
parete,
t munita
it di elementi
l
ti filtranti
filt ti HEPA,
HEPA
con velocità uniforme di circa 0.4 - 0.5 m/s, e mantenuta tale fino alla
parete opposta, da cui avviene l'estrazione.
Applicazioni tipiche: alcune lavorazioni dell’industria farmaceutica,
elettronica
l tt i ed
d alimentare,
li
t
reparti
ti ospedalieri.
d li i
27
Travi fredde: si tratta di un sistema distributivo dell
dell’aria
aria di recente introduzione
sul mercato; si possono distinguere travi fredde a funzionamento passivo e a
funzionamento attivo.
L prime
Le
i
sii prestano
t
all solo
l regime
i
di raffreddamento,
ff dd
t sono costituite
tit it da
d una
batteria alettata, integrata in un controsoffitto ed alimentata da acqua
refrigerata a temperatura sufficientemente elevata da evitare la formazione di
condensa; si genera un moto convettivo naturale attraverso la batteria,
richiamando aria ambiente più calda dalle feritoie di cui il controsoffitto deve
essere dotato.
Le seconde, di impiego più esteso (anche per riscaldamento), sfruttano
ll’apporto
apporto di aria primaria che fuoriesce da appositi ugelli per ottenere il
trascinamento (induzione) dell’aria ambiente attraverso la batteria di scambio;
28
−Canali
C
li in
i tessuto,
t
t
permeabili
bili o forellati:
f
ll ti anche
h in
i questo
t caso sono di
introduzione recente sul mercato; la sezione dei canali, circolare o semicircolare, in
fase di alimentazione è riempita dall
dall’aria
aria in pressione mentre,
mentre a riposo,
riposo si svuota.
svuota
−I canali permeabili, non molto diffusi, realizzano un campo di moto dell’aria
sostanzialmente a dislocamento, con bassissima velocità di uscita e senza
induzione. Si prestano ad applicazioni per il raffreddamento, poiché l’introduzione di
aria
i calda
ld ne determinerebbe
d t
i
bb una stratificazione
t tifi
i
all di sopra del
d l canale.
l
−II canali forellati realizzano un campo di moto dell
dell’aria
aria turbolento,
turbolento ad elevato grado
di induzione; sono adatti all’impiego sia in regime invernale che estivo.
29
Applicazioni dei terminali di immissione dell’aria
bocchette a parete
diffusori a soffitto a coni concentrici o a effetto spiroidale
A li
Applicazioni
i i normali
li
AMBIENTI
DI
ALTEZZA
FINO A 3.5
m
diff
diffusori
i lineari
li
i
ugelli a lancio profondo
travi fredde
Applicazioni con elevati carichi termici
Sale operatorie
Camere sterili (bianche)
diffusori ad effetto spiroidale
a pavimento
diffusori a soffitto (spiroidale o a pannello forato)
terminali a flusso laminare o misto
flusso laminare da parete o da soffitto
diffusori a soffitto a effetto spiroidale
Applicazioni industriali
ugelli a lancio profondo
canali forellati
AMBIENTI
DI MEDIA
O
GRANDE
ALTEZZA
diffusori ad effetto spiroidale a pavimento e sottopoltrona
Teatri e auditorium
ugelli a lunga gittata
Impianti sportivi
ugelli a lunga gittata
canali forellati
30
Griglie ed elementi di ripresa
F
Forma:
quadrata
d t o rettangolare
tt
l
Materiali: acciaio o alluminio anodizzato
Alette: orizzontali inclinate di 45° con passo di 30, 50 o 100 mm
Dimensioni (b x h): in generale da 400 x 300 mm fino a 1000 x 800 mm.
mm
Attraverso porte: griglie di transito, con una particolare alettatura che
impedisce il passaggio della luce; sono dotate di controtelai per un'idonea
finitura e per adattarsi a diversi spessori di porta.
Materiali: alluminio, acciaio stampato e verniciato, inox.
Dimensioni standard (b x h): da 300 x 100 mm a 600 x 300 mm.
A soffitto: stesso aspetto esteriore dei diffusori, ma privi degli eventuali
dispositivi di regolazione.
regolazione
La loro posizione deve essere prevista in modo tale che essi non risultino
entro la gittata dei diffusori stessi, per evitare interferenze e
cortocircuitazione dell’aria.
31
Dimensionamento dei terminali di immissione dell’aria
Dopo aver determinato la portata d’aria di progetto in ciascun ambiente, è
necessario stabilire il numero e il tipo dei terminali di immissione (bocchette o
diff
diffusori)
i) per ciascun
i
l
locale
l o zona, ponendo
d attenzione
tt
i
ad
d alcuni
l
i fattori:
f tt i
1. velocità di mandata dell’aria, soprattutto in relazione al livello sonoro;
2. perdita di carico al terminale, in quanto perdite di carico eccessive
riducono la pressione statica disponibile al ventilatore e possono
compromettere la corretta distribuzione dell’aria;
3 posizione dei carichi termici in ambiente: il flusso di aria deve essere
3.
diretto in modo da compensare e neutralizzare fonti localizzate di calore;
4 gittata o raggio di diffusione,
4.
diffusione scegliendo terminali con gittate pari a 0.75
0 75
volte la lunghezza dell’ambiente, considerando che al termine della gittata
la velocità dell’aria è ancora sufficiente per provocare un’ulteriore diffusione,
anche per effetto dei moti convettivi;
5. posizione degli elementi di ripresa dell’aria.
32
Bocchette di mandata
Costituiscono
C
i i
il più
iù vecchio
hi sistema
i
di diff
diffusione
i
d
dell’aria.
ll’ i N
Nelle
ll prime
i
applicazioni esse erano dotate di alette per la distribuzione dell’aria di tipo
fi
fisso;
successivamente
i
t le
l alette
l tt divennero
di
mobili
bili e iin seguito
it ancora lle
bocchette furono dotate di due serie di alette mobili ortogonali tra loro, per
consentire una migliore distribuzione dell’aria
dell aria in ambiente
ambiente.
La sezione effettiva di passaggio dell
dell’aria
aria attraverso una bocchetta è
minore di quella geometrica, a causa della presenza delle alette e della
contrazione dei filetti fluidi;; è correlata alla sezione g
geometrica mediante la
seguente relazione
Aeff = Ageom · K ((m2)
Aeff =area
area della sezione effettiva (m2);
Ageom =area della sezione geometrica (m2);
K
=fattore di contrazione, funzione della forma geometrica dell’aletta, che può
assumere i valori K = 0.7 ÷ 0.9 per la mandata, K = 0.5 ÷ 0.8 per la ripresa.
33
La sezione effettiva influenza la velocità effettiva di lancio; infatti, se ci si
riferisce
if i
alla
ll sezione
i
geometrica,
ti
l velocità
la
l ità finale
fi l del
d l lancio
l
i può
ò risultare
i lt
minore anche del 25 – 30 % rispetto a quella effettiva.
Dimensionamento
A partire dalla portata d’aria che deve essere immessa in ambiente, si
definisce, un valore della velocità di efflusso mediante il quale si calcola
l sezione
la
i
effettiva
ff tti degli
d li elementi
l
ti terminali;
t
i li
dalla sezione effettiva, mediante la si determina la sezione geometrica
che,
h a seconda
d del
d l valore
l
che
h assume, potrà
t à essere assegnata
t ad
d un'unica
' i
bocchetta o suddivisa tra un congruo numero di bocchette, in modo che
ll’aria
aria introdotta sia uniformemente distribuita in ambiente.
ambiente
34
APPLICAZIONE
VELOCITA’ (m/s)
Teatri
2.5 – 3.8
Cinema
5.0 – 6.0
Uffici
2.5 – 5.0
Abitazioni,, camere d’albergo
g
2.5 – 3.8
Edifici industriali
7.5 – 10.0
Magazzini
7.5
Studi radiofonici e televisivi
1.5 – 2.5
Velocità
V
l ità (m/s)
( / ) di efflusso
ffl
raccomandate per diverse
applicazioni
Per ottenere un buon effetto soffitto: bordo superiore della bocchetta ≤300 mm dal
soffitto; per i diffusori, l’inclinazione del getto ≤40° rispetto all’orizzontale; la velocità
effettiva di lancio ≥2 m/s
m/s.
35
Quando per ragioni architettoniche o logistiche occorre prevedere una
Q
installazione delle bocchette con lancio in campo libero, senza cioè effetto
C
Coanda,
d
il dimensionamento
di
i
t deve
d
essere effettuato
ff tt t in
i base
b
aii
diagrammi (forniti dai costruttori) che riportano lo scostamento verso
ll’alto
alto e verso il basso rispetto all
all’asse
asse orizzontale teorico di lancio; dagli
stessi diagrammi è possibile trarre informazioni anche sulle effettive
velocità di efflusso e sulle relative portate.
portate
Alcuni tipi di bocchette offrono la possibilità di migliorare le condizioni di
comfort allargando l’angolo di lancio, sia in senso verticale che
orizzontale grazie alla mobilità delle alette; anche in questo caso
orizzontale,
occorre disporre di diagrammi o coefficienti di correzione per valutare la
variazione dei parametri di lancio al variare dell
dell’angolo
angolo di divergenza delle
alette.
36
Griglie di ripresa o transito
In ciascun locale o zona si deve stabilire se installare una sola o più griglie
di ripresa o transito, a seconda della portata d’aria da estrarre.
Dimensionamento
−- la velocità dell
dell’aria
aria massima ammissibile nella zona occupata dalle persone;
−- la perdita di carico massima ammissibile per il passaggio dell’aria;
−- il rumore prodotto.
p
Il dimensionamento si effettua con le stesse modalità descritte per le
bocchette di mandata.
L’aria si muove verso le griglie di ripresa da tutte le direzioni, cosicché la
velocità della stessa si riduce sensibilmente con la distanza; c’è la
possibilità che si formino correnti fastidiose, ma tale pericolo è limitato al
caso di persone in prossimità delle griglie stesse (in questo caso la velocità
di attraversamento non deve superare 1.5 m/s).
37
Griglie di ripresa o transito
Una tipica configurazione è quella di effettuare la mandata dell’aria
mediante bocchette poste in alto e la ripresa mediante bocchette
poste in basso,
basso dal lato opposto,
opposto in modo tale che il flusso d
d’aria
aria
interessi tutto l’ambiente.
APPLICAZIONE
VELOCITA’ (m/s)
Griglie di ripresa
Ambienti industriali
> 4.0
Ambienti residenziali
2.0
Ambienti commerciali:
sopra la zona occupata
entro la zona occupata, lontano da
posti a sedere
entro la zona occupata
occupata, vicino ai posti
a sedere
4.0
3.5
1.5
Griglie di transito
Pressione statica a monte di 60 Pa
1.5
Pressione statica a monte di 12.5 Pa
2.0
Pressione statica a monte di 25.0 Pa
2.5
Velocità massima dell’aria (m/s) attraverso le griglie di ripresa e di transito
38
RETE DI DISTRIBUZIONE DELL’ARIA
La rete di distribuzione dell'aria ha la funzione di convogliare l’aria negli
ambienti da climatizzare e,
e laddove sia presente il ricircolo,
ricircolo di riprenderla e
ricondurla in parte al condizionatore e in parte all'espulsione.
La progettazione del sistema aeraulico è essenziale al fine di:
−- assicurare il controllo delle condizioni termoigrometriche di progetto
e la ventilazione dei locali;
−- garantire
ti una distribuzione
di t ib i
il più
iù possibile
ibil uniforme
if
d ll’ i trattata,
dell’aria
t tt t
e limitando dispersioni di calore ed infiltrazioni lungo tutti i percorsi;
−- limitare
li i
l propagazione
la
i
di rumorii e vibrazioni
ib i i all'interno
ll'i
d i canali.
dei
li
Nel passaggio all'interno dei canali l'aria incontra una resistenza al moto
dovuta all'attrito con le pareti ed alle turbolenze che si generano in
corrispondenza
i
d
d ll discontinuità,
delle
di
ti ità qualili cambiamenti
bi
ti di direzione,
di i
di
sezione, ecc..
39
Per limitare perdite di carico, ridurre i consumi di energia, costi di
installazione e gestione,
gestione la rete aeraulica va progettata in modo da ridurre il
più possibile le resistenze al moto, scegliendo percorsi quanto più brevi e
rettilinei appropriate forme geometriche per i raccordi e le sezioni.
rettilinei,
sezioni
Un importante aspetto è la manutenzione del sistema di distribuzione: i
canali, infatti, possono essere sede di accumulo di sporcizia e fonte di
propagazione
i
b tt i l i e virale.
batteriologica
i l
Dimensionamento della rete
1. portata, sezione, velocità e perdita di carico di ogni tratto di canale;
2
2.
perdita di carico totale del circuito (somma delle perdite di carico
distribuite e concentrate);
3.
portata e prevalenza del/i ventilatore/i presente/i nel circuito.
40
Una rete di distribuzione dell’aria è tipicamente costituita dagli elementi riportati
in figura:
- canali di distribuzione e, ove presente il ricircolo, di ripresa;
- ventilatore/i di mandata e di ripresa dell’aria
dell aria (solo in caso di ricircolo).
ricircolo)
41
Classificazione dei canali di distribuzione dell’aria
I canali di distribuzione dell’aria possono essere classificati in funzione:
−- della tipologia di impiego;
−- della velocità dell'aria;
−- della pressione.
In base alla tipologia di impiego si distinguono in:
−canali di mandata (facenti capo all’unità di trattamento e veicolo di
p
dell'aria fino all'immissione in ambiente);
);
trasporto
−canali di ripresa (facenti capo all’unità di trattamento o a un ventilatore
per il ricircolo e/o ll'espulsione
espulsione dell
dell'aria
aria ripresa dall
dall'ambiente);
ambiente);
−canali di aspirazione (con flusso diretto verso un ventilatore);
−canali
li di espulsione
l i
( i qualili la
(nei
l direzione
di i
d l flusso
del
fl
va da
d un
ventilatore verso l’aria atmosferica).
42
La classificazione precedente non influisce sulla tecnologia costruttiva
In alcuni casi è necessario specificare
p
la tipologia
p g in relazione all’impiego,
p g ,
ad esempio in presenza di problematiche connesse alla coibentazione
termica o di esigenze che obbligano al raggiungimento di caratteristiche di
tenuta dell’aria particolarmente elevate.
Inoltre, le condotte di mandata dell’aria sono in sovrappressione, tutte le
altre tipologie sono in depressione.
In alcuni ambienti (ad es. ospedali) per evitare il rischio di contagio,
occorre realizzare elevati livelli di tenuta sia per i tratti in
sovrappressione sia per quelli in depressione.
43
In base alla velocità dell’aria i canali possono anche essere distinti in:
- canali a bassa velocità;
- canali ad alta velocità.
CONDOTTE DI MANDATA
p
commerciali
Impianti
e residenziali
a)) a bassa velocità
b) ad alta velocità
fino a 10 m/s ((normalmente compresa
p
tra 5 e 8))
oltre 10 m/s
Impianti industriali
a) a bassa velocità
b) ad alta velocità
fino a 12 m/s (normalmente compresa tra 7 e 12)
oltre 12 m/s
CONDOTTE DI RIPRESA
Impianti
commerciali e
residenziali
fino a 9 m/s (normalmente compresa tra 4.5 e 7)
Impianti
industriali
fino a 10 m/s (normalmente compresa tra 5 e 9)
44
Le velocità massime ammesse nei circuiti, soprattutto nei tratti più
prossimi all’ambiente da trattare, devono essere tali da non dar luogo
a forte rumorosità o ad altre cause di discomfort per l’utenza.
Residenze
Uffici
Teatri
Luoghi di riunione
Locali industriali
2.5
8
10
Condotti principali
3.5 - 4.5
5 - 6.5
6 - 12
Condotti secondari
3
4
5
B
Bocchette
h tt di mandata
d t
3-5
4-7
4-7
Bocchette di estrazione
1-2
1-2
1-5
Prese d’aria esterna
2.5
2.5
2.5
Griglie di espulsione
4
4
5
premente ventilatore
Bocca p
Velocità massime consigliate nei canali dell’aria a bassa velocità (m/s)
45
In funzione dei valori di pressione raggiungibili al loro interno,
interno i canali per
la distribuzione dell’aria possono essere classificati in:
−- bassa pressione,
pressione fino a 900 Pa (classe I);
−- media pressione, da 900 a 1700 Pa (classe II);
−- alta
lt pressione,
i
d 1700 a 3000 Pa
da
P (classe
( l
III)
III).
V l i riferiti
Valori
if iti alla
ll pressione
i
t t l (statica
totale
( t ti
e dinamica)
di
i ) necessaria
i a
vincere le perdite di carico.
Materiali
Devono possedere le seguenti caratteristiche:
- basso valore del coefficiente di scabrezza per le pareti interne, per
limitare l’entità delle perdite di carico dovute ad attrito;
- elevata resistenza meccanica;
- resistenza all’invecchiamento ed all’usura;
- basso grado di igroscopicità;
- incombustibilità
i
b tibilità ((o scarsa attitudine
ttit di alla
ll propagazione
i
d
della
ll fifiamma),
)
- inerzia chimica e scarsa attitudine alla produzione di muffe e odori.
46
Caratteristiche costruttive dei canali
−- in lamiera metallica: i più diffusi sono quelli in acciaio zincato per via
dell’elevata robustezza, rigidità e tenuta, mentre in ambienti ad elevato rischio di
corrosione si adotta,
adotta in genere,
genere ll’acciaio
acciaio inox o ll’alluminio
alluminio (quest
(quest’ultimo
ultimo è spesso
preferito in virtù della sua leggerezza o per motivi estetici);
plastiche: trovano scarso impiego,
p g , salvo nell’ambito di p
particolari
−- in materie p
applicazioni, al fine di limitare i fenomeni corrosivi, (scarsa resistenza meccanica e
al fuoco), maggiori costi; solitamente sono in cloruro di vinile o in polietilene;
−- in pannelli prefabbricati: costituiti da materiali sintetici (poliuretano espanso),
spesso a base di silicati di calcio o di fibre minerali, da materie plastiche trattate o
da alluminio preisolato; sono impiegati quando necessitano particolari forme delle
sezioni o in corrispondenza di particolari diramazioni e raccordi; hanno il vantaggio
di essere leggeri e poco rugosi internamente (sono, infatti, di solito rivestiti
internamente), ma costi notevoli;
−- in materiale flessibile: sono in genere impiegati per collegare i diffusori ai
condotti principali o in corrispondenza di particolari ostacoli o conformazioni della
struttura che va ad accogliere il circuito; problematiche legate alla scarsa
resistenza
i t
all fuoco
f
e all’insorgenza
ll’i
di maggiori
i i perdite
dit di carico
i rispetto
i
tt aii canalili
rigidi; di solito sono realizzati in alluminio o PVC.
47
Caratteristiche costruttive dei canali
Requisiti dei materiali per la coibentazione:
basso coefficiente di conducibilità;
basso valore del calore specifico;
facilità di posa in opera;
buona resistenza al fuoco e all’usura;
inorganicità e stabilità chimica.
I materiali isolanti più largamente impiegati sono quelli a base di:
gomma sintetica;;
-g
- schiume poliuretaniche;
- materiali fibrosi in lana minerale (di roccia e di vetro)
vetro).
48
I canali possono essere dimensionati secondo uno dei seguenti metodi:
−1 metodo a perdita di carico costante;
−1.
−2. metodo a riduzione di velocità;
−3. metodo a recupero di pressione statica.
1 e 2 sono applicati
pp
per il dimensionamento di canali con variazioni
p
delle velocità dell’aria che comportano trascurabili trasformazioni di
energia
g dinamica in statica: canali a bassa velocità; impiegati
p g q
quando
è richiesto un controllo rigoroso della rumorosità, strettamente
correlato al valore della velocità dell’aria.
3 è adottato nei condotti ad alta velocità, nei quali le trasformazioni di
energia dinamica in statica, notevoli per via delle maggiori variazioni
della velocità dell’aria, possono essere sfruttate per compensare le
perdite di carico per attrito a valle dei punti nei quali esse si verificano.
49
−1. Metodo a perdita di carico costante
E’ il più diffuso per gli impianti a bassa pressione, l’intera rete aeraulica è
perdita di carico distribuita p
per unità
dimensionata mantenendo costante la p
di lunghezza.
Il dimensionamento inizia dalla sezione immediatamente a valle del
ventilatore di mandata, per il quale si assume un valore delle velocità
massimo ammesso,
Mediante un diagramma, nota la portata e assegnata la velocità, sono
determinati il diametro equivalente della sezione e le perdite di carico
uniformemente distribuite.
il diametro di una sezione circolare in grado di dare luogo alle stesse
perdite di carico di una sezione rettangolare di dimensioni a e b.
50
51
Le sezioni dei canali sono di solito rettangolari, si determinano le dimensioni
della sezione impiegando la relazione seguente oppure la tabella:
b (mm)
a (mm)
150
200
250
300
250
210
244
273
300
228
266
299
328
350
245
286
322
354
362
400
260
304
343
371
408
437
450
274
321
363
399
433
463
491
500
287
337
381
426
455
488
518
546
550
299
351
397
439
476
511
543
573
600
310
365
413
457
496
533
566
598
650
321
378
428
474
515
553
588
622
700
331
390
443
490
533
573
610
644
750
340
402
456
505
550
591
630
666
800
350
413
469
520
566
610
649
686
850
359
424
482
534
582
626
667
706
900
367
434
494
548
583
643
685
725
950
375
444
505
560
611
658
702
744
1000
383
454
517
573
625
674
719
761
350
400
450
500
0.625
(
a ⋅ b)
D e = 1 .3 ⋅
(a + b)0.25
(mm)
52
Definita la perdita di carico per il primo tratto, si impone che essa si
mantenga costante su tutto il circuito; pertanto nei tratti successivi si
impiega ancora il grafico, in cui la portata è quella di progetto e la perdita
di carico è quella del primo tratto e mediante le quali velocità e diametro
equivalente
i l t risultano
i lt
automaticamente
t
ti
t determinati.
d t
i ti
Occorre verificare
erificare che i valori
alori di velocità
elocità così ottenuti
otten ti siano minori di
quelli compatibili con la destinazione d’uso e la posizione del canale
rispetto ai locali da climatizzare.
climatizzare
Il ventilatore sarà dimensionato sulla base del ramo del circuito più
sfavorito.
Al fine di assicurare in ogni tratto valori adeguati delle velocità e della
relativa portata, occorre bilanciare il circuito introducendo, se necessario,
delle perdite di carico concentrate (serrande di regolazione) per
equilibrare i vari tronchi e, più in generale, l’intero sistema.
53
−2. Metodo a riduzione di velocità
Si usa quando si impone un controllo della velocità e della rumorosità
dell’impianto
dell
impianto, degli ingombri e dei costi,
costi quando la velocità dell
dell’aria
aria è
troppo bassa oppure per facilitare la regolazione delle portate quando è
elevata.
l
t
Nota la portata d’aria in ogni tratto di canale,
canale si individua il circuito più
sfavorito; si assegna un valore della velocità dell’aria al tratto immediatamente
a valle del ventilatore di mandata e poi, empiricamente, valori via via inferiori di
questa ai tratti successivi; si determina per ogni tratto il diametro equivalente e
la perdita di carico unitaria mediante un grafico del tipo di quello precedente.
Essendo imposte le velocità, le perdite di carico determinate variano da
tratto a tratto.
tratto
54
−3. Metodo a recupero di pressione statica
Adatto per impianti ad alta velocità, si basa sul principio per il quale a
ciascuna riduzione di portata nelle diramazioni di un canale corrisponde una
riduzione di velocità, che dà luogo alla conversione di pressione
dinamica in pressione statica. L’incremento di pressione statica può essere
sfruttato per vincere le perdite di carico del tratto di canale successivo alla
diramazione.
Se tutto il circuito è dimensionato sfruttando tale principio, si può realizzare
un sistema di distribuzione dell
dell’aria
aria bilanciato,
bilanciato nel quale le perdite di carico
saranno compensate dall’aumento di pressione statica.
Si dimensiona il circuito più sfavorito, assegnando al tratto finale un valore
della velocità compatibile con le prestazioni del diffusore e con i livelli di
rumorosità e procedendo a ritroso fino al tratto iniziale del circuito,
circuito
immediatamente a valle del ventilatore.
Per i circuiti deviati si procede analogamente al metodo a perdita di carico
costante, procedendo dal tratto iniziale verso valle.
55
Calcolo delle perdite di carico totali del circuito
Per dimensionare il ventilatore occorre calcolare:
-la perdita di carico complessiva del tratto più sfavorito;
-la perdita di carico all’interno dell’UTA;
-le perdite di carico in corrispondenza dei diffusori.
Le perdite di carico complessive del circuito più sfavorito ΔPtot si calcolano
sommando le p
perdite di carico distribuite ΔPd e q
quelle concentrate ΔPc che si
originano lungo esso:
ΔP = ΔPd + ΔPc + ΔPdiff + ΔPUTA
ΔP =
ΔPd =
ΔPc =
ΔPdiff
ΔPUTA
(Pa)
perdita di carico totale del circuito più sfavorito (Pa);
perdite di carico distribuite (Pa);
perdite di carico concentrate (Pa);
= perdite di carico dovute ai diffusori (Pa);
= perdite di carico nell’unità di trattamento aria (Pa).
56
La perdita di carico distribuita si calcola diversamente a seconda del metodo di
dimensionamento adottato per il circuito.
Perdita di carico costante: si moltiplica la lunghezza del circuito più sfavorito per
perdita di carico continua unitaria ΔPd,unit
il valore costante dato alla p
d unit:
∆P = L⋅∆Pd,unit (Pa)
A riduzione di velocità: si sommano le perdite di carico continue che competono
ai singoli tratti del circuito più gravoso, ΔPd,i (tenendo conto che ΔPd,i, per il
tratto i-esimo, è pari al prodotto della lunghezza Li del tronco considerato per la
perdita di carico unitaria ricavata per esso ΔPd,unit-i):
n
ΔPd = ∑ ΔPd,unit −i ⋅ L i (Pa)
i =1
57
A recupero di pressione statica: poiché nei tratti successivi alla prima
derivazione le perdite di carico sono compensate dall’aumento della
pressione statica, la perdita di carico distribuita ΔPd lungo il circuito più
sfavorito è solo da quella che si genera nel tratto compreso tra il
ventilatore e la prima diramazione.
Si calcola moltiplicando la lunghezza di detto tratto per il valore della perdita
unitaria ad esso relativa.
Le perdite di carico concentrate ΔPc del circuito più sfavorito, si calcolano
mediante la seguente relazione:
n
v 2j
j 1
j=
2
ΔPc = ∑ ξ j ⋅ ρ ⋅
n
ξj
ρ
vj
=numero di discontinuità;
=coefficiente delle perdite localizzate della jj-esima discontinuità;
=densità dell’aria in condizioni standard (kg/m3);
=velocità dell’aria nella j-esima discontinuità (m/s).
58
Valori del coefficiente ξ delle perdite localizzate nelle canalizzazioni dell’aria
TIPO
CARATTERISTICHE
ξ
ALLARGAMENTO DI
SEZIONE
lenta variazione a mezzo divergente
0
brusca variazione di A1 e A2
*
angolo=90°, canale circolare o quadrato
1.5
angolo=90°, canale rettangolare
2
angolo=90° arrotondato
1
angolo=135°
0.5
angolo=90°, r/D<5 (r=raggio del raccordo, D=diametro equivalente)
0.3
angolo=90°,
g
, r/D>5 (r=raggio
(
gg del raccordo,, D=diametro equivalente)
q
)
0
canale deviato di diametro D con raccordo
1.5
canale non deviato di diametro d=D
1
canale non deviato di diametro d >1
>1.5
5D
07
0.7
canale non deviato di diametro d >2 D
0.4
0.2
0
confluenza o diramazione a T
3
confluenza o diramazione raccordata
1
per rango
3.5
con sezione libera uguale a quella del canale
2
rapporto sezione libera/sezione canale = 1.5
0.5
CAMBIAMENTO DI
DIREZIONE
CONFLUENZA O
DIRAMAZIONE
BATTERIE DI
SCAMBIO TERMICO
BOCCHETTE E
GRIGLIE
* in questo caso ξ dipende dalla velocità dell’aria
59
Le perdite
L
dit di carico
i localizzate
l
li
t ΔPdiff che
h sii verificano
ifi
i corrispondenza
in
i
d
d i
dei
diffusori sono fornite dai costruttori nelle schede tecniche.
Altre perdite di carico concentrate (ΔPUTA) sono riscontrate anche all
all’interno
interno
dell’UTA, per le quali in tabella si riportano alcuni valori indicativi.
Queste assumono, in genere, valori rilevanti, forniti dagli stessi costruttori dei
componenti.
DISCONTINUITA’
Valori approssimati
delle cadute di
pressione all’interno
dell’UTA
CADUTA DI PRESSIONE (Pa)
CAMERA DI MISCELA
20 Pa
FILTRI PIANI
60 Pa
FILTRI AD ANGOLO
40 Pa
FILTRI A RULLO
50 Pa
FILTRI A TASCHE
80 Pa
SEZIONE UMIDIFICANTE
20 Pa
SEPARATORE DI GOCCE
30 Pa
FILTRI ASSOLUTI
500 Pa
BATTERIE DI RISCALDAMENTO
25 Pa p
per rango
g
70 Pa (2 ranghi)
BATTERIE DI RAFFREDDAMENTO
80 Pa (3 ranghi)
100 Pa (4 ranghi)
140 Pa (6 ranghi)
60

Impianti di Climatizzazione e Impianti di Climatizzazione e

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