Ventilazione meccanica in edifici energeticamente efficienti

Ventilazione meccanica

In inverno si disperde molta energia con la ventilazione naturale, soprattutto quando le finestre rimangono inclinate o dischiuse. Questo non è ammissibile in un edificio energeticamente efficiente, ma un sufficiente apporto d’aria fresca deve essere lo stesso garantito.

Negli edifici a basso consumo energetico, la ventilazione avviene pertanto tramite un impianto di ventilazione meccanica. L’impianto fornisce il ricambio d’aria necessario e recupera il calore dall’aria in uscita. 

Un impianto di ventilazione controllata è utile non solo in inverno, ma anche in estate, quando fa ovviamente molto caldo. In estate, infatti, attraverso le finestre aperte, l’aria calda penetra nell’edificio e spesso causa il surriscaldamento degli ambienti. La gente del Sud lo sa bene, e per questo motivo tiene chiuse porte e finestre durante il giorno per aprirle solo alla notte. Quando le finestre sono chiuse, l’impianto di ventilazione può fornire anche aria più fredda, presa, per esempio, dal lato nord dell’edificio, dal vespaio sotto il solaio rialzato o da uno scambiatore di calore interrato.

Non si deve però mai dimenticare che la funzione principale di un impianto di ventilazione non è quella di risparmiare energia, ma di garantire una buona qualità dell’aria interna.

L’installazione di un impianto di ventilazione controllata richiede una buonaimpermeabilità dell’involucro edilizio. Correnti d’aria causate da infiltrazioni attraverso l’involucro riducono l’efficienza dell’impianto.

Tipi di impianti di ventilazione:

1.Impianti a sola espulsione (ad un flusso)

Gli impianti di ventilazione più semplici sono quelli ad un flusso che asportano continuamente l’aria esausta e la espellono sopra il tetto. Non forniscono aria fresca, la quale affluisce dall’esterno tramite bocchette inserite nella facciata o nelle finestre (valvole, aeratori). Questo tipo di impianto si trova soprattutto in edifici residenziali a basso consumo energetico.

La ventilazione ad un flusso è però efficace solo se l’aria fresca può transitare, senza incontrare ostacoli, dai punti d’immissione a quelli d’aspirazione. A questo scopo conviene suddividere l’area da ventilare in tre zone: (1) una d’entrata, (2) una intermedia e (3) una d’uscita. Le bocchette da cui entra l’aria sono di solito disposte sul lato delle finestre e in prossimità del pavimento, per esempio nel parapetto delle finestre. Così l’aria fresca, prima di diffondersi nell’ambiente, viene riscaldata immediatamente dai radiatori, normalmente collocati nel medesimo luogo. Le bocchette d’aspirazione devono essere disposte sul lato opposto in prossimità del soffitto, come nel caso di ventilazione tramite canne di esalazione. Nelle abitazioni, le bocchette d’aspirazione si trovano di solito nelle cucine e nei bagni, cioè nei locali dove si forma la maggior parte di vapori e di odori.

Per garantire un costante flusso d’aria bisogna inserire nelle porte (o nelle pareti divisorie) delle griglie che consentono la libera transizione dell’aria da ventilare. La dimensione di queste aperture deve garantire che il flusso volumico d’aria non superi 1 m/s in nessun punto dell’area servita.

Gli impianti a sola espulsione procurano uno stabile tasso di ricambio dell’aria e mantengono le perdite di calore entro limiti sostenibili rispetto ad una ventilazione manuale e incontrollata. Il sistema è semplice, efficace ed economico, ma non consente il recupero del calore dall’aria in uscita.

Espulsione dell’aria esausta dalla cucina
L’aria esausta della cucina contiene un’elevata quantità di vapori e di grassi conviene pertanto asportarla separatamente tramite una cappa aspirante posta sopra i fornelli e collegata direttamente all’esterno. Nel caso in cui questo collegamento all’esterno non sia realizzabile, la cappa deve essere dotata di filtri che  ritengono vapori e grassi. L’aria filtrata può essere poi anche immessa nel canale dell’aria in uscita, ma solo con un collegamento (canale, tubo) che consente la periodica pulitura (apertura facilmente accessibile).

Ventilazione in uffici
Negli edifici amministrativi, le bocchette d’entrata sono disposte negli uffici stessi e i canali di asportazione sotto il soffitto dei corridoi. I canali sboccano poi in un canale verticale che conduce l’aria esausta sopra il tetto dove si trovano normalmente anche i ventilatori. Gli edifici amministrativi con un sistema di ventilazione ad un flusso sono suddivisi in settori di cui ognuno comprende un gruppo di locali che hanno lo stesso fabbisogno d’aria fresca(uffici, sale di riunione, servizi igienici). Ogni settore è servito da un ventilatore che procura il ricambio d’aria.

2.Impianti con recupero di calore (a due flussi)

I sistemi di ventilazione a due flussi, non solo asportano l’aria esausta, ma forniscono anche aria fresca e sono giustificati nel caso in cui l’aria esterna deve essere in qualche maniera trattata, ossia filtrata, riscaldata, raffreddata, umidificata o deumidificata. Sono vietati trattamenti che potrebbero comprometterne la qualità.

Questi impianti sono suddivisi in due comparti: uno che fornisce aria esterna ed un altro che asporta l’aria esausta. Il comparto di fornitura consiste in una presa d’aria posta all’esterno, in ventilatori che generano il flusso d’aria e in un sistema di canali di distribuzione. L’aria esterna deve essere prelevata in luoghi ove non vi sia alcun pericolo di inquinamento, cioè non in prossimità di strade, parcheggi o garage. Le prese d’aria devono essere inoltre munite di filtri che ritengono la polvere. Il sistema dei canali d’asportazione è uguale a quello a flusso unico. I flussi d’aria nei due comparti sono coordinati da un sistema di regolazione.

Le bocchette d’aspirazione vanno disposte come nei sistemi di sola asportazione, cioè in prossimità del soffitto; quelle d’immissione in prossimità del pavimento e del parapetto delle finestre.

Solo questi impianti consentono il recupero del calore dall’aria esausta. I due sistemi di canali (aria in uscita, aria in entrata) si incrociano in uno scambiatore di calore in cui l’aria esausta (calda) cede una parte del calore all’aria in entrata. Lo scambiatore dovrebbe recuperare almeno il 60 % del calore.

Il sistema a due flussi consente inoltre l’integrazione di uno scambiatore di calore interrato che preriscalda (o raffredda) l’aria esterna prima di entrare nel sistema di ventilazione. La temperatura dello scambiatore interrato rimane quasi costante durante tutto l’anno (10-15°C) pertanto, in inverno, l’aria esterna (-5°C) si riscalda e, in estate (> 25°C) si raffredda.

La combinazione dei sistemi a due flussi con il free cooling non è possibile se i sistemi non sono previsti per elevati flussi volumici; il flusso volumico dell’aria è normalmente prestabilito solo in funzione al normale ricambio d’aria e non in riguardo all’asportazione di elevati carichi termici.

Ventilazione in uffici
In uffici “open space”, l’immissione dell’aria può avvenire anche in prossimità dei tavoli da lavoro, per esempio, mediante colonnine o bocchette inserite nel pavimento. In questo caso, l’aria esausta viene aspirata dalle bocchette disposte sul soffitto. Un’altra soluzione ancora è quella dell’immissione di getti d’aria fresca dall’alto, tramite speciali diffusori. A questa soluzione si ricorre spesso per fornire individualmente aria riscaldata (o raffrescata) ad un singolo posto di lavoro, come, per esempio, alla reception, collocata in un ampio atrio d’albergo, o agli sportelli di un ufficio postale. L’aria gettata in questa maniera, dovrebbe avere la temperatura richiesta sul posto di lavoro. Questo sistema ha però delle implicazioni sui consumi energetici. In alcuni casi occorre l’immissione di maggiori volumi d’aria per asportare i carichi termici causati da fonti interne o per raffreddare l’aria al fine di deumidificarla.

3.Impianti con la funzione di riscaldamento

Riscaldare con la ventilazione
Negli edifici passivi, l’impianto di ventilazione riscalda anche gli ambienti e ciò consente di rinunciare ad un impianto convenzionale di riscaldamento. Il riscaldamento mediante la ventilazione è però indicato solo nel caso in cui la temperatura dell’aria insufflata non deve superare di molto i 20 °C e questo è possibile solo negli edifici passivi grazie alle esigue perdite di calore. L’aria esterna è normalmente riscaldata da scambiatori con un rendimento del 90% e il fabbisogno rimanente di calore viene coperto da un gruppo elettrico o da una piccola pompa di calore. L’aria fresca riscaldata viene insufflata in una parte dell’alloggio e quella esausta aspirata in un’altra.

Riscaldare con la ventilazione senza immettere aria troppo calda non è possibile in edifici convenzionali, mentre lo è negli edifici passivi, perché questi hanno un fabbisogno termico così esiguo che la quantità di calore necessario per compensare le perdite può essere fornita con l’aria ad una temperatura di poco superiore ai 20°C.

Riscaldare gli ambienti con il normale ricambio d’aria è possibile solo quando la potenza richiesta non supera i 10 W/m2. Con questa potenza si può alzare la temperatura di 1 m3 d’aria esterna da –10°C all’esterno a +20°C , cioè di 30 K.

Facciamo un esempio riferibile ad una casa con una superficie di 100 m2 e un volume di 270 m3: ipotizzando un tasso di ricambio di 0,4/h, la quantità d’aria da ricambiare è di 0,4 x 270 m3 = 108 m3/h ossia di 1,08 m3/m2. Per raggiungere la temperatura di 20°C quando all’esterno si registrano –5°C, la temperatura dell’aria deve essere aumentata di 25 K. Quindi si ha:

1,08 m3/m2 * 25 K * 0,33 Wh/(m3 K) = 8,9 W/m2 dove il valore 0,33 Wh/(m3 K) è la capacità termica dell’aria.

Una temperatura di –10°C è molto rara nell’Italia peninsulare. Per raggiungere i desiderati 20 °C, la temperatura dell’aria esterna, raramente si deve innalzarla di 30 K. La potenza di 10 W/m2 è dunque richiesta solo eccezionalmente e per pochi giorni.

Il buon funzionamento del riscaldamento tramite ventilazione richiede perdite minime per trasmissione e un’elevata impermeabilità dell’involucro (assenza di infiltrazioni d’aria fredda). Infatti, la trasmittanza termica U dell’involucro edilizio di questi edifici è di soli 0,15 W/(m2 K) e quella delle finestre di 0,8 W/(m2 K). L’impermeabilità garantisce un ricambio d’aria per infiltrazione n50 < 0,6. Il raggiungimento di questi valori richiede un’elevata precisione di progettazione e di costruzione. Gli errori tollerabili sono notevolmente minori di quelli ammissibili nei sistemi di riscaldamento ad acqua.

L’impianto

Un sistema di ventilazione deve avere un taglio razionale ed efficace. A questo fine è opportuno suddividere l’area servita dall’impianto in tre zone:
1)zona d’entrata  (salotto, sala da pranzo, stanze da letto, uffici),
2)zona intermedia (corridoio)
3)zona di uscita (cucina, bagno)

Con questa disposizione il flusso d’aria diventa lineare, comincia nella zona 1, attraversa la zona 2 e finisce nella zona 3. Le tre zone devono essere sempre collegate anche quando le porte sono chiuse. Il collegamento si ottiene normalmente tramite  griglie inserite nelle porte o nelle pareti. La dimensione delle aperture deve garantire che la velocità dell’aria non superi 1 m/s in nessun punto, altrimenti possono verificarsi spiacevoli correnti d’aria.

Il sistema dei canali deve essere poco esteso ed avere poche diramazioni e curve.Per motivi d’igiene, la superficie dei canali deve essere liscia e impermeabile, come quella dei tubi flessibili di metallo. La velocità dell’aria non dovrebbe superare i 3 m/s in nessun tratto dei canali.

L’impianto di ventilazione controllata deve essere accuratamente progettato. La qualità dell’aria deve avere assoluta priorità. Il riutilizzo, anche solo in parte, dell’aria consumata non è consentito. Qualsiasi forma di trattamento dell’aria (umidificazione) è da evitare, perché ne comprometterebbe la qualità. Le prese dell’aria esterne devono essere dotate di un filtro d’alta qualità, per evitare la penetrazione di polvere e di germi nell’impianto.

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