HVAC

HVAC in well-insulated buildings

In un edificio efficiente sul piano energetico il fabbisogno di riscaldamento degli ambienti è limitato e può essere quindi soddisfatto con il sistema di ventilazione. In un edificio passivo, ad esempio, la potenza massima necessaria per il riscaldamento degli ambienti è di 10–15 W/m2 , pari a 1,0–1,5 kW della potenza totale richiesta per 100 m2 di area trattata. L'impianto di riscaldamento tradizionale basato su radiatori o elementi a pavimento non è più necessario. Il calore può essere fornito mediante la ventilazione.

Sono sostanzialmente due le possibili alternative:

  • l'aria erogata può essere riscaldata in modo centralizzato subito dopo aver lasciato l'impianto di ventilazione, oppure
  • in modo separato per ciascun ambiente, in terminali di ventilazione. 

La prima alternativa produce aria di temperatura uniforme in ogni ambiente. Nel secondo caso, la temperatura dell'aria viene invece regolata in ciascuna stanza.

In un edificio a efficienza energetica dotato di un adeguato livello di isolamento termico nell'involucro edilizio, è possibile ottenere un buon comfort termico utilizzando bassi livelli di temperatura ambiente. In sede di progettazione, la temperatura ambiente viene generalmente fissata a 20–21°C.

Il riscaldamento a pavimento è utile nella sala da bagno, poiché garantisce comfort e consente una rapida asciugatura del pavimento. Per evitare il surriscaldamento, tuttavia, la temperatura del pavimento deve essere tenuta più bassa rispetto al normale riscaldamento a pavimento. La temperatura del pavimento dovrebbe essere più alta della temperatura dell'aria di soli 1-3°C. Nelle altre stanze si dovrebbero evitare ampie zone riscaldate a pavimento.

La differenza di temperatura verticale nelle stanza deve essere inferiore a 2°C tra 0,1 m e 1,1 m, ossia tra le caviglie e il collo di una persona seduta.

In una casa passiva, il riscaldamento solare passivo costituisce parte integrante del sistema di riscaldamento. Dato il variare della temperatura dei vari ambienti in funzione del carico solare e dei carichi interni, si consiglia di prevedere una regolazione della temperatura specifica per ciascuna stanza. Rispetto a quello di una normale abitazione, il tempo di riscaldamento di una casa passiva è decisamente più breve. Il carico termico solare può essere causa di surriscaldamento già dagli inizi della primavera. L'esclusione dell'immissione di calore può quindi rivelarsi utile al fine di evitare un susseguente fabbisogno di raffreddamento.

La soluzione di raffreddamento deve essere prevista dal progetto con l'ausilio di mezzi passivi: schermatura delle finestre, raffreddamento notturno mediante ventilazione e ventilazione efficiente durante le ore diurne (ved. grafico). L'aria di rinnovo per la ventilazione può essere immessa dal lato nord dell'abitazione. È possibile sfruttare il calore della terra per preriscaldare l'aria fresca in inverno e raffreddarla nella stagione estiva. Preriscaldando l'aria fresca in inverno si riduce il rischio di raffreddamento correlato all'immissione di calore da ventilazione e si migliora il tasso di utilizzazione.

I metodi passivi più efficienti sono rappresentati dai vetri a controllo termico e dalle tendine a tapparelle o avvolgibili dietro le finestre.


Riduzione di raffreddamento


Occorre prestare attenzione alle dimensioni e alla posizione del caminetto domestico: dato lo scarso fabbisogno di energia per il riscaldamento di una casa passiva, altrettanto basso dovrà essere il rilascio di calore del camino. La capacità di riserva di calore e il potere di rilascio di calore di un caminetto sono direttamente proporzionali alla sua massa.

Tassi di ventilazione e recupero di calore
Le normative edilizie impongono generalmente un tasso di ventilazione minimo compreso tra 10 e 15 l/s per persona, corrispondente approssimativamente a 1 l/s per m2 negli edifici per uso ufficio con una normale densità di occupazione e a 0,5 ricambi d'aria all'ora negli spazi abitati degli edifici residenziali.

Esempio di tassi di ventilazione per uffici in funzione del carico inquinante in tre categorie (CEN 1752)

Categoria  Solo occupanti Materiali poco inquinanti Materiali molto inquinanti
   l/sm2  l/sm2 l/sm2 
 A 1.0 2.0  3.0 
 B 0.7  1.4  2.1 
 C 0.4  0.8  1.2 


In fase di progettazione, è possibile adottare la concentrazione di biossido di carbonio in sostituzione del tasso di ventilazione. Questo metodo è tuttavia alquanto inattendibile, poiché tale concentrazione negli edifici raggiunge raramente uno stato statico, a causa del variare dell'occupazione, dei tassi di ventilazione e della concentrazione di aria esterna. I valori statici della concentrazione di biossido di carbonio possono essere calcolati in base alla generazione di CO2 di 0,00567 l/s per occupante negli edifici adibiti a ufficio.

Data l'elevata densità di energia dei flussi d'aria di scarico, il recupero di calore si propone come un modo economico per contenere il consumo di energia e il costo di esercizio della ventilazione. Il recupero di calore è praticabile soprattutto in presenza di forti flussi d'aria e di basse temperature esterne. È possibile stabilire valori limite di efficienza minima per il recupero di calore e per il dimensionamento dell'impianto di movimentazione dell'aria nel punto di applicazione del recupero di calore. Allo stato attuale, le regolamentazioni edilizie richiedono tassi di efficienza annua compresi tra il 30 e il 40%. Per gli edifici passivi si richiede un tasso di efficienza annua minimo del 75%. I moderni scambiatori di calore sono in grado di raggiungere tassi di recupero delle dispersioni termiche fino al 90%. In condizioni climatiche rigide, tuttavia, il tasso di efficienza si abbassa a causa della necessità di eliminare il ghiaccio che si accumula sullo scambiatore di calore.

L'aria di rinnovo immessa da fuori può essere preriscaldata a monte della presa di calore al fine di evitare il congelamento dello scambiatore. La richiesta di sbrinamento può essere ridotta o persino eliminata grazie a uno scambiatore di calore sotterraneo. Questo tipo di scambiatore non è tuttavia consigliato nelle condizioni climatiche rigide a causa del rischio di condensazione dell'umidità e di problemi igienici. Un impianto geotermico con scambiatore di calore per il preriscaldamento dell'aria di rinnovo è stato testato con esito positivo in un progetto pilota di costruzione passiva condotto da Paroc.

Il calore o il freddo del terreno può essere sfruttato tramite il liquido che circola all'interno delle tubature interrate, nell'ambito di un impianto composto anche da scambiatore di calore, pompa e un pozzo artesiano. L'energia richiesta per il preriscaldamento o il raffreddamento determina la lunghezza della serpentina o la profondità del pozzo. Una tubatura interrata orizzontalmente produce 10–20 W/m di potenza di riscaldamento.


Isolamento degli impianti HVAC

Negli edifici di oggigiorno, sempre più ermetici e a basso consumo, gli impianti di riscaldamento, ventilazione e aria condizionata (HVAC) stanno acquisendo importanza crescente. L'aria e l'acqua riscaldate e raffreddate devono mantenere la temperatura fino alla destinazione prevista; ogni dispersione termica indesiderata attiva infatti una necessità di ventilazione, con conseguente aumento dei consumi energetici.

È quindi importante tenere d'occhio non solo la temperatura finale, ma anche la dispersione termica. Anche in corrispondenza di una piccola variazione di temperatura finale, la dispersione termica può assumere proporzioni significative.


Esempio di calcolo:
Temperatura e dispersione termica in una condotta di ventilazione



Dimensione:   315 mm 
Lunghezza: 30 mm 
Temperatura dell'aria: 20°C 
Velocità dell'aria: 3 m/s
Temperatura ambiente: 6°C 

Spessore del materiale isolante Dispersione termica W Temperatura finale °C
Senza isolamento 2607  12.9 
80 mm 226  19.3 
150 mm  143  19.5 

Le tubazioni costituiscono parte integrante degli impianti HVAC e devono essere isolate per poter ridurre i consumi di energia e i costi di esercizio. Per mantenere la temperatura all'interno delle tubazioni entro i margini corretti è necessario un isolamento termico.

Calculation example: Dispersione termica in un tubo dell'acqua calda

Dimensione del tubo: 22 mm 
Temperatura dell'acqua: 55°C 
Temperatura ambiente: 20°C 

Isolamento Valore λ
W/m°C  
Spessore del materiale isolante Dispersione termica,
W/m
Dispersione termica,
kWh/m, anno
Senza isolamento  - 0 mm  40 350 
PAROC Hvac Section  0.035 20 mm   6.0 52
PAROC Hvac Section  0.035 40 mm  4.5 39
PAROC Hvac Section  0.035 60 mm  3.8 33

Anche gli impianti freddi necessitano di un adeguato isolamento, sia per impedire la formazione di condensa, sia per contenere i costi. In generale, è tre volte più costoso abbassare la temperatura di un grado che alzarla dello stesso valore.

Il mantenimento della temperatura ad un livello corretto comporta peraltro un chiaro beneficio sul piano sanitario. Se la temperatura dell'acqua calda si abbassa eccessivamente, si determina un rischio crescente di diffusione di malattie (ad es. febbre di Pontiac o legionellosi) attraverso l'acqua sanitaria. I batteri proliferano alle temperature comprese tra 25 e 45°C, prediligendo i 35°C.

Con il programma di calcolo Paroc (collegamento) è possibile accertare il tipo di isolamento necessario per il proprio progetto.