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GLI IMPIANTI DI CLIMATIZZAZIONE NEI GRANDI EDIFICI COMMERCIALI

La necessita' di climatizzare i grandi edifici commerciali dipende non solo dalle condizioni climatiche, come ad esempio il caldo o l'umidita', ma dipende anche dalla geometria dell'edificio, dalla lunghezza, dall'ampiezza e dall'altezza, dalla sua destinazione d'uso. Un ulteriore elemento da prendere in considerazione e' l'architettura: il vetro moderno, permette di guadagnare luminosita', che per comporta maggiori carichi termici che devono essere rimossi da un sistema di condizionamento piu' potente. Per avere impianti efficienti necessario mantenere le temperature di raffreddamento o di riscaldamento le piu' alte possibili. In piu' le temperature del luogo in cui si rigetta il calore o della sorgente di calore devono risultare basse nella stagione calda ed alte nella stagione fredda per ridurre i differenziali di temperatura di lavoro dell'impianto. Impiegando il suolo come ricettore del calore o sorgente di calore tali obiettivi possono essere raggiunti e l'edificio  puo' venire riscaldato solo dall'impianto di climatizzazione. La temperatura per ottenere la deumidificazione dell'aria risulta essere piu' o meno obbligata, mentre la temperatura per rimuovere il carico termico sensibile puo' risultare significativamente maggiore, condizione che consente di avere impianti piu' efficienti. Tale soluzione richiede costi iniziali maggiori, che per si riducono considerevolmente quando l'impianto entra in funzione.

Introduzione

La climatizzazione non dipende solamente dalle condizioni climatiche, ma anche dalla geometria e dalla destinazione d'uso dell'edificio; in aggiunta anche l'architettura ha la sua influenza, come ad esempio le facciate in vetro o in doppi vetri. Ma il vantaggio in termini di luminosita' comporta maggiori carichi termici che devono essere rimossi da un sistema di condizionamento piu' potente. Si possono distinguere tre tipi di condizioni climatiche che richiedono il ricorso alla climatizzazione negli edifici commerciali:

climi con temperature medie giornaliere maggiori di 24 C;

climi con umidita'  maggiore del 65%;

climi caldo-umidi, in cui il carico latente puo' risultare maggiore di quello sensibile.

Nel caso di climi temperati, abbastanza secchi, puo' risultare sufficiente far ricorso ad un impianto di raffrescamento, non provvisto di un sistema di ventilazione controllata ed una unita' di trattamento che include la funzione di deumidificazione. Comunque, tali installazioni sono impiegabili in edifici commerciali relativamente piccoli.

Negli edifici di dimensioni maggiori necessario ricorrere ad un sistema di ventilazione controllata con un'unita' di trattamento aria in grado di garantire condizioni di benessere durante tutto l'anno. Risulta necessario garantire un ricambio d'aria di 36 m3 per persona, una temperatura interna da 21 a 24 (26) C in funzione della temperatura media esterna, e una umidita'  relativa compresa tra il 35 ed il 55%. importante sottolineare che in un edificio  commerciale le condizioni di benessere permettono di ottenere migliori risultati lavorativi da parte degli occupanti.

Edifici

Per quanto riguarda la costruzione degli edifici, ormai si abbandonata la vecchia concezione legata alla funzionalit ed alle condizioni climatiche (vedi figura 1).

La progettazione dei grandi edifici commerciali cambiata significativamente durante gli ultimi decenni. Al di l della loro originale funzione di garantire spazi per la localizzazione degli uffici, dei magazzini o dei centri commerciali essi hanno assunto un significato simbolico, di immagine della citta', del marchio aziendale. Molto spesso i proprietari dei grandi edifici commerciali sono banche, compagnie d'assicurazione o quartieri generali di grandi compagnie internazionali. L'edificio  deve essere piu' alto dell'edificio  del concorrente, che puo' essere un altro paese, un'altra citta' o un'altra azienda. La funzione d'immagine talora diventa preponderante rispetto alle funzioni originali, cioe'  quelle di creare spazi per il lavoro o la vita quotidiana. In questo modo la funzionalita' originaria dell'edificio  viene persa completamente (vedi figura 2).

Tale sviluppo nel settore edile non nuovo: le chiese sono state costruite secondo questi criteri, gli imperatori hanno fatto costruire i loro palazzi e i loro castelli; le compagnie multinazionali sono gli imperatori del mondo di oggigiorno.

Un ulteriore aspetto ha interessato l'architettura. Le grandi costruzioni di una volta, come i castelli e i palazzi, erano dotate di cortili interni, mentre la profondita' degli edifici non risultava superiore a 12-15 metri. Tale soluzione permetteva di garantire una ventilazione naturale efficiente ed una altrettanto ottimale illuminazione durante il giorno. La climatizzazione non era disponibile in passato, cos l'altezza delle stanze era maggiore di oggi, le finestre avevano dimensioni tali da garantire una sufficiente illuminazione, i dispositivi di riparo dalla luce erano parte integrante dell'edificio, e talvolta risultavano perfino inseriti nella struttura dell'edificio. La massa della struttura dell'edificio  veniva impiegata come volano per stabilizzare le temperature interne e per attenuare l'influenza delle fluttuazioni della temperatura esterna, come ad esempio quelle dovute alla radiazione solare.

Oggigiorno le cose sono cambiate in maniera significativa: gli edifici sono sempre piu' alti, raggiungendo anche i 500 m, e le limitazioni per l'altezza degli edifici non derivano pi, come in passato, dai materiali da costruzione disponibili. Anche la portata degli elevatori maggiore. Dopo le facciate costruite in mattoni, cemento, pietre naturali, acciaio o alluminio, il vetro diventato il principale materiale per la copertura degli edifici.

Il vetro ha eccellenti proprieta' per quanto riguarda la corrosione e la pulizia. Il problema consiste nel fatto che il vetro non viene impiegato solamente per tamponare e cos l'intero edificio  diventa trasparente. In aggiunta alcuni architetti fanno ricorso a facciate con doppi vetri per offrire la possibilita'  di aprire le finestre per la ventilazione naturale e per incrementare  il comfort anche negli edifici molto alti situati in regioni con forti venti. La circolazione naturale che si realizza all'interno dello spazio tra la struttura dell'edificio  e la tamponatura viene sfruttata per il raffreddamento e come ulteriore isolamento termico. Inoltre anche la schermatura dai rumori ne trae vantaggio (vedi figura 3).

Il risultato di una siffatta progettualita' sono ampie superfici fredde nei periodi invernali e problemi di surriscaldamento nei periodi estivi, specialmente nelle facciate orientate a ovest. Le superfici che si trovano al di sotto del livello di un tavolo non contribuiscono ad aumentare l'illuminazione. Alcuni edifici richiedono il raffreddamento dal lato in cui sono esposti alla radiazione solare ed il riscaldamento dal lato opposto - ombreggiato -  con temperature anche inferiori a 0 C. Inoltre nei moderni edifici non esiste piu' una massa che attenua gli effetti climatici esterni.

Impianti di climatizzazione dell'aria

Un impianto di climatizzazione vero e proprio si compone di un sistema di ventilazione controllata che comprende la filtrazione dell'aria, un dispositivo per l'umidificazione durante il periodo invernale e la deumidificazione nel periodo estivo, ossia di un'unita' di trattamento dell'aria. Inoltre, poiche' in inverno necessario provvedere al riscaldamento mentre in estate necessario garantire il raffrescamento degli ambienti, vengono richiesti opportuni dispositivi che permettano di produrre caldo e freddo.

Esistono diverse possibilita'  per soddisfare tali esigenze:

impianti ad aria, dove l'aria stessa viene impiegata sia per garantire il raffrescamento sia per produrre il riscaldamento degli ambienti;

impianti ad aria-acqua, dove l'aria viene impiegata solamente per garantire il raffrescamento mentre per produrre il riscaldamento viene impiegato un sistema idronico. Questo significa che l'unita' di trattamento dell'aria, l'impianto per la rimozione del carico termico e l'impianto per la rimozione del carico di raffreddamento possono essere completamente separati.

In passato gli impianti per la produzione del caldo e del freddo erano completamente separati: il freddo era prodotto da una macchina frigorifera, solitamente un chiller che produceva acqua fredda per il raffreddamento e la deumidificazione, accoppiata ad una torre evaporativa per il rigetto in ambiente del calore di condensazione; il caldo veniva prodotto mediante un boiler, che veniva anche impiegato nel periodo invernale per riscaldare l'aria dopo la deumidificazione (vedi figura 4).

Successivamente si iniziato ad utilizzare il calore da rigettare del chiller per riscaldare l'aria, e ad impiegare chiller reversibili a pompa di calore  per trasferire il calore dai luoghi che devono essere raffreddati ai luoghi che nel contempo necessitano di essere riscaldati. Solitamente non risultava possibile soddisfare l'intera domanda di caldo mediante l'impiego del solo chiller a pompa di calore, questo per il fatto che la torre di raffreddamento era ottimizzata per il rigetto del calore, e cos non risultava un dispositivo agevolmente accessibile per garantire operazioni di recupero del calore.

Utilizzo del suolo come volano termico

Un passo successivo stato il passaggio dall'aria al suolo (vedi figura 6): il suolo svolge la funzione di volano termico stagionale. Ad una profondita' di circa 10 m. la temperatura del suolo rimane costante nell'arco di tutto l'anno. Il valore di tale temperatura corrisponde alla temperatura media annuale dell'aria ambiente. Tra il livello in cui si registra tale temperatura e la superficie, la temperatura del suolo varia in funzione delle condizioni ambientali esterne; tali variazioni vengono attenuate e differite nel tempo in funzione della profondita'; i picchi della temperatura dell'aria esterna vengono eliminati.

Le possibilita'  di utilizzare le risorse del suolo riguardano l'acqua di falda o particolari conformazioni del terreno come i fori di trivellazione della roccia, gli scambiatori di calore nei fori di trivellazione del terreno o gli acquiferi. Nel caso in cui si rendano necessari pilastri di fondazione, un'ulteriore possibilita'  viene offerta dall'utilizzo delle fondamenta degli edifici.

Sulla scorta di tali ipotesi, il suolo permette il trasferimento di calore a temperature costanti, che per possono aumentare in relazione alle infiltrazioni di calore all'interno del sottosuolo. Vi cos la possibilita'  di riscaldare un edificio  impiegando il suolo come sorgente di calore, con il vantaggio che all'inizio del periodo invernale la sua temperatura risulta maggiore in seguito al calore rigettato durante la stagione estiva. A'll'inizio della stagione estiva possibile il raffreddamento diretto senza l'impiego del chiller, grazie alla ridotta temperatura del sottosuolo provocata dall'estrazione di calore avvenuta durante la stagione invernale (vedi figura 7).

Un ulteriore vantaggio che non risulta necessario l'impiego di alcuna torre evaporativa: essa un dispositivo che presenta un significativo consumo di energia per il funzionamento dei ventilatori e delle pompe. Nel caso di impianti aperti necessario il trattamento dell'acqua ed una continua opera di manutenzione della struttura. Altro svantaggio risiede nel fatto che l'esigenza di rigettare i piu' alti carichi termici si verifica proprio quando si registrano le maggiori temperature dell'aria ambiente.

In un impianto, opportunamente progettato, che utilizza il sottosuolo come ricettore del calore tali problematiche non si verificano, con l'aggiunta che non si registrano picchi della temperatura come accade con l'aria ambiente.

Impianti a bassa energia

Ulteriori sviluppi della tecnologia della climatizzazione sono rappresentati dai cosiddetti impianti di raffreddamento ad alta temperatura e dagli impianti di riscaldamento a bassa temperatura. Talora essi vengono chiamati impianti a bassa energia.

Per ottenere impianti efficienti la temperatura dell'acqua fredda deve essere mantenuta al valore piu' alto possibile. Per la deumidificazione necessario raggiungere temperature di 6-8 C. Per il solo raffrescamento capita spesso di lavorare con le medesime temperature, quando invece sarebbero sufficienti temperature di 16 C o anche maggiori.

Per produrre freddo o per rimuovere calore sono possibili due alternative:

quella che prevede l'impiego di un chiller che produce acqua fredda e che lavora con temperature tra 6 e 8 C per la deumidificazione, dotato di ventilconvettori e di una torre evaporativa;

quella che prevede l'impiego di un chiller che produce acqua fredda con una temperatura tra 6 e 8 C per la deumidificazione e di un secondo chiller che produce acqua fredda ad una temperatura di 16-20 C per la rimozione del carico termico, entrambi abbinati ad un serbatoio termico nel terreno (vedi figura 8).

L'aumento di 1 K della temperatura dell'acqua fredda causa un aumento del COP di circa il 2% mentre l'aumento di 1 K della temperatura di evaporazione comporta un aumento della potenza frigorifera di circa il 3%. In pratica il COP migliora del 32% e la capacita' frigorifera del 48%.

Considerando che nei grandi edifici installato piu' di un chiller, il costo aggiuntivo risiede nella maggiore complessita' del sistema di tubazioni e non nel dispositivo in s. Se da un lato il costo degli investimenti iniziali risulta maggiore, dall'altro il costo operativo risulta essere estremamente vantaggioso. Tali sistemi offrono la possibilita'  di una deumidificazione diretta e di un raffrescamento diretto in funzione della temperatura della sorgente del suolo, ed il riscaldamento mediante la reversibilita' a pompa di calore del chiller.