impianti di climatizzazione eimpianti di climatizzazione e ... · alimentazione delle batterie di...
TRANSCRIPT
Impianti di Climatizzazione eImpianti di Climatizzazione e Condizionamento
CENTRALI TECNOLOGICHE
1Corso di Impianti Tecnici per l'edilizia - E. Moretti
COMPONENTI DI UN IMPIANTO DI CONDIZIONAMENTO
Impianti a tutt’aria:
1. terminali di immissione dell’aria;2. rete di distribuzione ed eventualmente di ripresa dell’aria;3. condizionatore (o UTA) per trattare la portata d’aria di progetto;4. centrale termica e frigorifera.
Impianti misti aria-acqua:
1. terminali di immissione dell’aria;2 rete di distribuzione dell’aria;2. rete di distribuzione dell’aria;3. condizionatore (o UTA) per il trattamento dell’aria primaria;4 t l t i f i if4. centrale termica e frigorifera.5. elemento terminale (ventilconvettore, induttore o pannello radiante);6. rete di distribuzione dell’acqua;
2Corso di Impianti Tecnici per l'edilizia - E. Moretti
GENERALITA’
Le centrali tecnologiche ospitano le apparecchiature necessarie allag p pp
produzione dei fluidi che alimentano l’impianto di condizionamento. I
fluidi trattati come visto sono aria e acquafluidi trattati, come visto, sono aria e acqua.
L’acqua calda e refrigerata sono impiegate, oltre che nei circuiti di
alimentazione delle batterie di scambio termico presenti nell’UTA anchealimentazione delle batterie di scambio termico presenti nell UTA, anche
nel circuito di alimentazione degli elementi terminali negli impianti misti.
Macchina frigorifera Caldaia
Acqua refrigerata Acqua caldaAcqua refrigerata Acqua calda
3Corso di Impianti Tecnici per l'edilizia - E. Moretti
UTA
L ibilità è l tt i ti iù id t d ll UTA t t il lLa componibilità è la caratteristica più evidente delle UTA, pertanto il loroprogetto si riduce alla scelta ed al dimensionamento delle singole sezioni.
La batteria di pre-riscaldamento e l’umidificatore adiabatico sonoutilizzati soltanto in inverno, la batteria fredda soltanto in estate mentrequella di post-riscaldamento sia in inverno che in estate.
4Corso di Impianti Tecnici per l'edilizia - E. Moretti
UTA
Rispetto allo schema più generale (nel quale sono presenti tre batterie e un
umidificatore), che consente di fruire dell’impianto di climatizzazione durante
ftutte le stagioni dell’anno, le UTA possono presentare schemi semplificati, in
funzione del tipo di impiego:p p g
- sola batteria calda (o di pre-riscaldamento) limitatamente ad impieghi di
termoventilazione invernale;
batteria calda fredda ed umidificatore adiabatico per termoventilazione- batteria calda, fredda ed umidificatore adiabatico per termoventilazione
invernale e condizionamento estivo;
- sola batteria fredda limitatamente alla climatizzazione estiva.
5Corso di Impianti Tecnici per l'edilizia - E. Moretti
Dimensionamento degli elementi principali
La batteria di pre-riscaldamento (BC1) opera la trasformazione di pre-riscaldamento a umidità specifica costante dal punto E al punto P.La potenzialità della batteria di pre-riscaldamento è data dalla seguenterelazione, nel caso in cui non venga effettuato ricircolo dell’aria interna:
( ) 3600/hhGQ (kW)( ) 3600/hhGQ EP1BC −⋅ρ⋅= (kW)
dove:dove:QBC1 = potenzialità batteria di pre-riscaldamento (kW);G = portata d’aria da trattare (m3/h);G = portata d aria da trattare (m /h);ρ = densità dell’aria (kg/m3);h = entalpia dell’aria nel punto P (kJ/kg);hP = entalpia dell aria nel punto P (kJ/kg);hE = entalpia dell’aria nel punto E (kJ/kg).
6Corso di Impianti Tecnici per l'edilizia - E. Moretti
Impianti a tutt’aria
CASO INVERNALE Miscela effettuata prima dell’ingresso nel condizionatore
hI - hRI
7Corso di Impianti Tecnici per l'edilizia - E. Moretti
Dimensionamento degli elementi principali
Quando viene effettuato il ricircolo dell’aria interna, il punto di introduzionedell’aria all’unità di trattamento coincide con il punto di miscela M. Inpquesto caso, la relazione che consente di determinare la potenzialità dellabatteria di pre-riscaldamento risulta la seguente:p g
( )( ) 3600/hhGQ M'P1BC −⋅ρ⋅= (kW)
dove:
QBC1 = potenzialità batteria di pre-riscaldamento (kW);
G = portata d’aria da trattare (m3/h);
ρ = densità dell’aria (kg/m3);ρ ( g )
hP’ = entalpia dell’aria nel punto P’ (kJ/kg);
h = entalpia dell’aria nel punto M (kJ/kg)hM = entalpia dell aria nel punto M (kJ/kg).
8Corso di Impianti Tecnici per l'edilizia - E. Moretti
Dimensionamento degli elementi principali
La batteria fredda (BF) effettua il raffreddamento a umidità specifica
costante da E a RE e il raffreddamento con deumidicazione da RE a RI. La
sua potenzialità è data dalla seguente relazione, nel caso in cui non venga
ricircolata l’aria interna:
( ) 3600/hhGQ RIEBF −⋅ρ⋅= (kW)
dove:
QBF = potenzialità batteria fredda (kW);
G = portata d’aria da trattare (m3/h);
ρ = densità dell’aria (kg/m3);ρ densità dell aria (kg/m );
hE = entalpia dell’aria nel punto E (kJ/kg);
h = entalpia dell’aria nel punto RI (kJ/kg)hRI = entalpia dell aria nel punto RI (kJ/kg).
9Corso di Impianti Tecnici per l'edilizia - E. Moretti
Dimensionamento degli elementi principali
I valori di hE e hRE possono essere determinati mediante il diagramma
pscicrometrico.
Anche in questo caso, quando viene effettuato il ricircolo, il punto di
introduzione dell’aria nell’UTA coincide con il punto di miscela Mintroduzione dell aria nell UTA coincide con il punto di miscela M.
La relazione da usare per la determinazione della potenzialità della
batteria fredda è la seguente:
( ) 3600/hhGQ (kW)( ) 3600/hhGQ RIM1BF −⋅ρ⋅= (kW) dove:Q t i lità b tt i f dd (kW)QBF1 = potenzialità batteria fredda (kW);G = portata d’aria da trattare (m3/h);ρ = densità dell’aria (kg/m3);ρ = densità dell aria (kg/m3);hM = entalpia dell’aria nel punto M (kJ/kg);h = entalpia dell’aria nel punto RI (kJ/kg)hRI = entalpia dell aria nel punto RI (kJ/kg).
11Corso di Impianti Tecnici per l'edilizia - E. Moretti
Dimensionamento degli elementi principali
La potenzialità della batteria di post-riscaldamento (BC2) deve essere
calcolata nel caso estivo e in quello invernale; quale dato di progettocalcolata nel caso estivo e in quello invernale; quale dato di progetto
si assume il valore massimo dei due. La relazione che ne consente il
calcolo è la seguente:
( ) 3600/hhGQ RII2BC −⋅ρ⋅= (kW)( ) 3600/hhGQ RII2BC ρ (kW) dove:QBC2 = potenzialità batteria di post-riscaldamento (kW);QBC2 potenzialità batteria di post riscaldamento (kW);G = portata d’aria da trattare (m3/h);ρ = densità dell’aria (kg/m3);ρ ( g );hI = entalpia dell’aria nel punto di introduzione I (kJ/kg);hRI = entalpia dell’aria nel punto RI (caso estivo ed invernale) (kJ/kg).hRI entalpia dell aria nel punto RI (caso estivo ed invernale) (kJ/kg).
N l t l t i lità i hi t d ll b tt i il t i ld t iNormalmente la potenzialità richiesta dalla batteria per il post-riscaldamento in condizioni invernali è in generale maggiore rispetto al caso estivo.
12Corso di Impianti Tecnici per l'edilizia - E. Moretti
Dimensionamento degli elementi principali
P di i l’ idifi di b i bi d i lPer dimensionare l’umidificatore adiabatico bisogna determinare la portatad’acqua da somministrare all’aria in condizioni invernali (trattamento P-RI)
ti il i i t di d t t t i t iper garantire il raggiungimento di un adeguato contenuto igrometrico.Questa si determina mediante la seguente relazione:
( ) 1000/XXGG PRIW −⋅ρ⋅= (kg/h)
dove:Gw = portata d’acqua (kg/h);G = portata d’aria di progetto (m3/h);p p g ( );ρ = densità dell’acqua (kg/m3);XRI = umidità specifica dell’aria nel punto RI (g/kg);XRI umidità specifica dell aria nel punto RI (g/kg);XP = umidità specifica dell’aria nel punto P (g/kg).
13Corso di Impianti Tecnici per l'edilizia - E. Moretti
Dimensionamento degli elementi principali
Per dimensionare il ventilatore di mandata occorre definire i valori della
portata d’aria e della prevalenzaportata d aria e della prevalenza.
La portata d’aria è pari alla portata totale, determinata in fase di progetto.
L l d l til t d t l d ti di i lLa prevalenza del ventilatore, deve essere tale da consentire di vincere le
perdite di carico totali del circuito aeraulico (per il circuito più sfavorito) e
sono espresse dalla relazione già vista in precedenza:
PPPPP Δ+Δ+Δ+Δ=Δ (Pa)UTAdiffcd PPPPP Δ+Δ+Δ+Δ=Δ (Pa)
Al valore di ∆P ai fini della definizione della prevalenza del ventilatore siAl valore di ∆P, ai fini della definizione della prevalenza del ventilatore, si
applica in genere un fattore di sicurezza dell’ordine di 1.5.
G èNote G e ∆P, è possibile determinare la potenza del ventilatore di mandata :
PG ⎞⎛ Δ 3600/PGWV ⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ηΔ⋅
= (W)
14Corso di Impianti Tecnici per l'edilizia - E. Moretti
Generatori di calore: tipologie e caratteristiche costruttive
Dispositivi che realizzano la conversione dell’energia naturalmentedisponibile in termini di fonte primaria (combustibili, radiazione solare,
) ’ecc.), in energia termica con caratteristiche adeguate all’impiego che sene deve fare (acqua calda, acqua surriscaldata, vapore).
In ambito impiantistico, i generatori di calore sono indicati con il nome dicaldaie, intendendo il complesso formato dal corpo caldaia vero e proprio,dal bruciatore, da uno scambiatore di calore e da altri elementi accessori.All’interno viene generata energia termica, per mezzo della reazione delcombustibile con il comburente (aria); l’energia termica prodotta è cedutaad un fluido termovettore che scorre all’interno di uno scambiatore.
Le caldaie possono essere classificate in base a:
- tipologia costruttiva e materiali;
- tipo di combustibile;p ;
- fluido termovettore.15Corso di Impianti Tecnici per l'edilizia - E. Moretti
Generatori di calore: tipologie e caratteristiche costruttive
Una prima distinzione è effettuata in base al posizionamento delbruciatore, che può essere interno o esterno.
Si possono inoltre distinguere caldaie a tubi di fumo e caldaie a tubid’acqua, le quali, a loro volta, possono essere realizzate in acciaio, inghisa, in rame. Caldaia a tubi di fumo
S tit it d i it d’Sono costituite da un corpo riempito d’acqua; l’acqua lambisce un fascio tubiero all’interno del quale, per effetto del tiraggio della canna fumaria, scorrono i fumi della combustione.
Ghisa:più resistenti alla corrosione dovuta ai fumi acidi ed alla loro condensazione;manutenzione relativamente semplice ma sono più costose e pesanti.Acciaio: sono del tipo monoblocco, quindi hanno limitati problemi di tenutalimitati problemi di tenuta,
Potenze:100÷1000 kW 16Corso di Impianti Tecnici per l'edilizia - E. Moretti
Generatori di calore: tipologie e caratteristiche costruttive
Le caldaie a tubi d’acqua sono disponibili nel campo di potenze medio alte(>1 MW); sono costituite da uno o due collettori da cui si dipartono i tubid’acqua in modo da delimitare la zona all’interno della quale avviene lad acqua, in modo da delimitare la zona all interno della quale avviene lacombustione
Il coefficiente di scambio termico èmaggiore rispetto alle caldaie a tubi difumo ma sono maggiori anche i costi difumo, ma sono maggiori anche i costi diacquisto così come le perdite di carico.
Esistono caldaie con scambiatore in rame chepermette di realizzare scambiatori di formamolto complessa così che si possono otteneremolto complessa, così che si possono otteneregrandi superfici di scambio in poco spazio.Inoltre, se i prodotti della combustione sonoprivi di zolfo, il rame resiste alle condenseacide; è in genere impiegato nella costruzionedi piccole caldaie per il riscaldamentodi piccole caldaie per il riscaldamentoautonomo a gas naturale (8÷30 kW).
17Corso di Impianti Tecnici per l'edilizia - E. Moretti
Generatori di calore: tipologie e caratteristiche costruttive
In base alla tipologia del sistema di evacuazione dei prodotti dellacombustione, le caldaie possono essere:•a tiraggio naturale, in cui i fumi sono espulsi per convezione naturale;• a tiraggio forzato, in cui i fumi sono espulsi da un ventilatore.
Relativamente al combustibile impiegato, inoltre, si distinguono caldaie:• a biomasse;• a gasolio;• ad olio combustibile;• a gas naturale (metano);• a gas naturale (metano);• a gas di petrolio liquefatto (GPL);• di tipo misto.
−In base al fluido termovettore impiegato, si distinguono:
−ad acqua;− ad olio diatermico− ad olio diatermico.
18Corso di Impianti Tecnici per l'edilizia - E. Moretti
Generatori di calore:dimensionamento
Nota la potenza termica massima che la caldaia deve cedere alle utenze, peril suo dimensionamento bisogna tener conto delle perdite di calore lungo il
di di t ib i d l fl id t ttpercorso di distribuzione del fluido termovettore.
Il rendimento di combustione ηc è il rapporto tra la quantità di calored tt l Q il t l ifi PC d l b tibilprodotta nel processo Q e il potere calorifico PC del combustibile:
PCQ
c =ηPC
In condizioni di funzionamento a regime indicando con Qc la quantità massimadi calore generato dalla combustione e tenendo conto del calore perso alcamino Qd (calore sensibile dei fumi e dei possibili incombusti), si definiscerendimento istantaneo al focolare ηiF il seguente:
QPCIQF
iF =ηdcF QQQ −= con QF è il calore reso al focolare
Iil calore reso al fluido vettore (per esempio all'acqua) ottenibile dal calore resoIil calore reso al fluido vettore (per esempio all acqua), ottenibile dal calore resoal focolare meno le dispersioni termiche proprie della caldaia Qs; ciò porta alladefinizione di un più interessante rendimento istantaneo al fluido ηif, dato da:p ηif
PCIQf
if =η sFf QQQ −=19Corso di Impianti Tecnici per l'edilizia - E. Moretti
Generatori di calore:dimensionamento
Il rendimento istantaneo al fluido ηif fornisce utili indicazioni solo nel caso incui la caldaia abbia funzionamento stabile nel tempo alla sua massimapotenzialità mentre, come sovente accade, sono frequenti cicli d’accensionee spegnimento che portano ad una forte diminuzione del rendimento,perché si hanno ulteriori perdite di calore legate ai transitori e alledispersioni esterne della caldaia.Il rendimento a carico ridotto ηr (intendendo per carico ridotto quellocorrispondente al 20% del carico nominale), per avere indicazioni orientativeanche sul funzionamento intermittenteanche sul funzionamento intermittente.
Indicando con QA il calore prodotto aregime e con Q il calore perduto perregime e con Qi il calore perduto perfenomeni di intermittenza, il rendimento acarico ridotto è dato da:
PCIQr
r =ηiAr QQQ −=
20Corso di Impianti Tecnici per l'edilizia - E. Moretti
Generatori di calore:dimensionamento
La potenzialità deve essere calcolata considerando che, dal progettodell’impianto, risultano note le potenze termiche che devono essere forniteal fluido termovettore. Pertanto la potenza termica QfC richiesta dal fluidocaldo sarà pari a:
2BC1BCfC QQQ += impianti a tutt’aria
impianti misti:vi2BC1BCfC QQQQ ++=
La potenzialità QC della caldaia sarà quindi determinata tenendo conto delledit i t ( di t di b ti di t i t tperdite sopra menzionate (rendimento di combustione, rendimento istantaneo
al focolare ηiF , rendimento istantaneo al fluido ηif) :
ifiF
fCC
QQη⋅η⋅η
= (kW) ifiFc ηηη
21Corso di Impianti Tecnici per l'edilizia - E. Moretti
Macchine frigorifere: tipologie e caratteristiche costruttive
T i di i i t i dibiti ll d i d l f dd i i d lTra i diversi sistemi adibiti alla produzione del freddo, si ricordano lemacchine frigorifere a compressione di vapore saturo e quelle adassorbimento.assorbimento.
Pur con diverse tipologie costruttive, i componenti di cui è costituita unamacchina frigorifera a compressione sono:macchina frigorifera a compressione sono:−- compressore e relativi motori elettrici ed organi di potenza;−- condensatore;−- evaporatore;−- organi di laminazione.
A seconda del sistema meccanico impiegato per effettuare laA seconda del sistema meccanico impiegato per effettuare lacompressione, i compressori possono essere:−- a spostamento positivo;−- dinamici.
Nel condensatore il fluido termodinamico si desurriscalda e quindi condensa,viene ceduto calore ad un fluido ausiliario esterno che può essere acqua (torreevaporativa) o direttamente aria atmosferica. Si parla pertanto di:
refrigeratori raffreddati ad acqua;- refrigeratori raffreddati ad acqua;- refrigeratori raffreddati ad aria.
22Corso di Impianti Tecnici per l'edilizia - E. Moretti
Macchine frigorifere: tipologie e caratteristiche costruttive
L’evaporatore è il componente del gruppo refrigerante in cui avviene lafase utile del ciclo Le tipologie principali sono due:fase utile del ciclo. Le tipologie principali sono due:−- evaporatori a fascio tubiero;
evaporatori ad espansione diretta−- evaporatori ad espansione diretta.
Attualmente il mercato offre diverse tipologie di gruppi refrigeratoripreassemblati, che impiegano acqua come fluido di lavoro, con
t i lità t hi kW fi i li i di kWpotenzialità comprese tra pochi kW fino a migliaia di kW.
In virtù delle stringenti normative finalizzate alla diminuzione dei gasIn virtù delle stringenti normative finalizzate alla diminuzione dei gasserra, il fluido refrigerante più comunemente impiegato è ilTetrafluoroetano, conosciuto come R134a, naturale sostituto dell’R12, cheTetrafluoroetano, conosciuto come R134a, naturale sostituto dell R12, cheè stato soppresso poiché presentava notevoli problematiche come gas adeffetto serra e ad elevato potenziale di distruzione dello strato di ozonopatmosferico.
23Corso di Impianti Tecnici per l'edilizia - E. Moretti
Macchine frigorifere: tipologie e caratteristiche costruttive
Le macchine frigorifere ad assorbimento impiegano come fluidi dilavoro soluzioni liquide sature; esistono numerose coppie di refrigerante-assorbente, ma a livello commerciale le più diffuse sono Acqua-Bromuro diLitio nel campo della climatizzazione e Ammoniaca-Acqua nel campodella refrigerazione industrialedella refrigerazione industriale.
La macchina è costituita da quattro scambiatori di calore:- generatore;- condensatore;- evaporatore e assorbitore,
recuperatore di calore della soluzione- recuperatore di calore della soluzione.
Le macchine ad assorbimento attualmente reperibili sul mercato si distinguonoLe macchine ad assorbimento attualmente reperibili sul mercato si distinguonoulteriormente in base alle temperature necessarie allo sviluppo dei processiinterni alla macchina stessa.Nel caso in cui si adottino processi di combustione standard (impiegandocombustibili quali gas, gasolio, biomasse), le potenzialità vanno da un minimodi 10 kW fi d i di l d i di MWdi 10 kW fino ad un massimo di alcune decine di MW.
24Corso di Impianti Tecnici per l'edilizia - E. Moretti
Macchine frigorifere: tipologie e caratteristiche costruttive
La collocazione della centrale frigorifera è subordinata alla destinazioned’uso del sistema edificio-impianto e deve sottostare a vincoli di caratteret tt l l b i ti istrutturale, e nel caso, urbanistici.
−- esterna, in fabbricato dedicato e separato dall’edificio utente;t l t d ll’ difi i t t−- esterna, sopra la copertura dell’edificio utente;
−- interna, nella parte bassa dell’edificio utente.
Collocazione Requisiti edificio Vantaggi Svantaggi
Esternai difi i
Utenza frazionata su più difi i Manutenzione facilitata
Disponibilità area esternaEstensione retiin edificio
dedicatoedifici
Potenza elevata (>2 MW) Rumorosità ridotta Impegno energetico per il pompaggio
Verifica statica del solaio Risparmio di aree utili Manutenzione problematicaEsterna sopra
copertura
Assorbimento delle vibrazioni
Potenza contenuta (<0.7 MW)
pAdiacenza dell’utenza alla centraleNon serve ulteriore spazio per le torri evaporative
Manutenzione problematicaPossibili fumane dalle torri evaporativeRumorositàMW) per le torri evaporative
Interna parte b difi i
Verifica statica del solaioAssorbimento delle
ib i i
Manutenzione facilitata se l’accesso è indipendenteAdi d ll’ t ll
Disponibilità spazio internoManutenzione problematica se l’ è i di d tbassa edificio vibrazioni
Potenza media (<1.5 MW)Adiacenza dell’utenza alla centrale
l’accesso non è indipendenteRumorosità
25Corso di Impianti Tecnici per l'edilizia - E. Moretti
Macchine frigorifere:dimensionamento
Tenere in conto costi di installazione, esercizio, manutenzione, dimensioni esicurezza di funzionamento.Generalmente, per impianti medio-piccoli, la scelta ricade su un’unicamacchina; nel caso di impianti che richiedono potenzialità medio-alte èconsigliabile optare per più gruppi refrigeranticonsigliabile optare per più gruppi refrigeranti.
Impianti a tutt’aria: BFF QQ = (kW) BFF ( )
QF = potenza termica resa al fluido intermediario adibito al trasporto del freddo
Impianto misto, la potenzialità è fornita da: veBFF QQQ += (kW)
QBF e Qve potenze richieste dalla batteria fredda dell’UTA e dal circuito deiventilconvettori in funzionamento estivo
26Corso di Impianti Tecnici per l'edilizia - E. Moretti
Cenni sulla regolazione degli impianti
Per gran parte del tempo, l’impianto funziona a carico ridotto e il sistema diregolazione deve provvedere a ridurne la potenzialità per mantenereregolazione deve provvedere a ridurne la potenzialità, per mantenerecostanti le condizioni di comfort.
Il sistema di regolazione della temperatura e del contenuto igrometricodell’aria inviata nell’ambiente deve essere capace di adeguare lep gprestazioni dell’unità di trattamento aria alle esigenze derivanti dallavariabilità delle condizioni esterne e dei carichi interni.variabilità delle condizioni esterne e dei carichi interni.
I sistemi di regolazione sono molteplici e possono essere differenziati aI sistemi di regolazione sono molteplici e possono essere differenziati aseconda della tipologia di impianto
27Corso di Impianti Tecnici per l'edilizia - E. Moretti
Cenni sulla regolazione degli impianti
Impianti a tutt’aria a portata costante
Regolazione a punto fissoRegolazione a tutto o niente del gruppo frigoriferoControllo proporzionale della potenza frigorifera fornita alla batteria di raffreddamento
Impianti a tutt’aria a portata variabilei f if i t i i t i l d tt i i l l i è ff tt tsi fa riferimento a un impianto a singolo condotto, in cui la regolazione è effettuata
per mezzo di termostati di zona che controllano la serranda della rispettivacassetta al fine di variare la portata d’aria immessa in ambiente secondol’andamento del carico termico. La regolazione dell’umidità relativa non vieneeffettuata in modo diretto, ma indirettamente nella centrale
Impianti misti (a ventilconvettori)
Regolazione sull’acqua – velocità del ventilatore costanteRegolazione sull’aria secondaria – portata d’acqua costante attraverso la batteriaRegolazione combinata aria – acqua
28Corso di Impianti Tecnici per l'edilizia - E. Moretti