I sistemi di climatizzazione HVAC possono essere centralizzati o decentralizzati. I sistemi di aria centralizzati ricevono la loro energia di raffreddamento e riscaldamento da un impianto centrale remoto. I sistemi d'aria HVAC decentralizzati contengono le apparecchiature dell'impianto di riscaldamento e raffreddamento centralizzato all'interno del sistema d'aria stesso. I sistemi d'aria HVAC possono anche essere a volume d'aria costante (CAV) o a volume d'aria variabile (VAV). I sistemi CAV forniscono un flusso d'aria di mandata costante a una temperatura variabile. I sistemi VAV forniscono un flusso d'aria di mandata variabile a una temperatura costante. I sistemi ad aria CAV e VAV possono essere ulteriormente suddivisi in sistemi che condizionano una singola zona di temperatura e sistemi che condizionano più zone di temperatura.
Indipendentemente dal fatto che i sistemi dell'aria HVAC siano centralizzati o decentralizzati, CAV o VAV, servano una o più zone, le scelte per le batterie di riscaldamento e raffreddamento all'interno delle unità sono le stesse. Generalmente, la serpentina di riscaldamento nei sistemi ad aria HVAC centralizzati sarà ad acqua calda, a vapore o elettrica, mentre la serpentina di raffreddamento sarà ad acqua refrigerata. La serpentina di riscaldamento nei sistemi HVAC decentralizzati sarà elettrica, alimentata a gas diretta o indiretta o refrigerante (ciclo inverso) ad espansione diretta (DX) (solo per pompe di calore); la serpentina di raffreddamento sarà refrigerante DX.
Zona singola
Un sistema CAV monozona è costituito da un'unità di trattamento dell'aria che fornisce un flusso d'aria di mandata costante (Fig. 1). La potenza termica e/o frigorifera dell'unità viene modulata variando la temperatura del flusso d'aria di mandata per soddisfare le esigenze di un unico termostato montato in uno degli ambienti serviti dall'unità.
I sistemi CAV a zona singola possono servire più spazi; è quindi importante garantire che tutti gli ambienti serviti da un impianto CAV monozona abbiano caratteristiche di carico HVAC simili.
Riscaldamento e ventilazione
I sistemi di riscaldamento e ventilazione (H&V) vengono utilizzati per servire gli spazi che richiedono solo il riscaldamento e richiedono anche la ventilazione dell'aria esterna per la ventilazione degli occupanti o il reintegro dell'aria di scarico. Le unità H&V sono spesso configurate per fornire il 100% di aria esterna. Tuttavia, possono avere capacità di ripresa dell'aria se la portata d'aria esterna è inferiore alla portata d'aria di mandata necessaria per fornire un riscaldamento efficace degli ambienti serviti durante l'inverno. Se le unità riscaldano gli spazi che servono durante i periodi non occupati quando i sistemi di scarico sono spenti e le serrande dell'aria esterna sono chiuse, le unità H&V possono anche essere dotate di capacità di ripresa dell'aria. Le unità H&V normalmente ricircolano il 100% dell'aria durante la modalità di funzionamento non occupata.
Durante l'estate è normale che le unità H&:V posizionino le serrande dell'aria esterna e di ripresa per fornire il 100% di aria esterna agli spazi serviti al fine di mantenere la temperatura ambiente tra 5 e 10°F superiore alla temperatura esterna. Se le unità H&:V sono dotate di capacità di ripresa dell'aria, all'interno degli spazi serviti devono essere predisposti lo scarico o l'espulsione dell'aria esterna in eccesso introdotta durante la modalità di funzionamento estivo.
Il controllo della temperatura per i sistemi H&:V è lo stesso del sistema CAV monozona descritto in precedenza, tranne per il fatto che il termostato ambiente controllerà solo la capacità di riscaldamento dell'unità H&V. Alcuni esempi comuni di spazi che richiedono sistemi H&V sono palestre, spogliatoi e cucine:
Multizona
I sistemi CAV non sono adatti a fornire più zone di controllo della temperatura perché servire più zone con sistemi CAV comporta un costo energetico più elevato e, in alcuni casi, un costo iniziale più elevato rispetto alle opzioni VAV normalmente disponibili. Tuttavia, attraverso l'uso di configurazioni di postriscaldamento, doppio condotto e multizona, i sistemi CAV possono servire più zone di temperatura per determinate applicazioni, in particolare ristrutturazioni di sistemi esistenti.
Riscaldare
Un sistema di postriscaldamento CAV è costituito da un'unità CAV la cui canalizzazione dell'aria di mandata si dirama per servire più zone all'interno dell'area servita dall'unità (Fig. 2). Una serpentina di postriscaldamento è montata all'interno del condotto di diramazione verso ciascuna zona. Tipicamente, la temperatura dell'aria di mandata dall'unità CAV viene mantenuta a circa 55°F in modo che possa soddisfare le esigenze di raffreddamento delle zone di temperatura, se necessario. Un termostato di solo riscaldamento situato in ciascuna zona controlla l'uscita di riscaldamento della batteria di riscaldamento della zona associata. Questa batteria riscalda l'aria di mandata dall'unità CAV come richiesto per mantenere il setpoint del termostato di zona. Se non è richiesto alcun riscaldamento nella zona, la serpentina di riscaldamento verrà spenta. La batteria di postriscaldamento della zona deve essere dimensionata non solo per soddisfare le perdite di calore dell'involucro dell'edificio per la zona, ma anche per aumentare il flusso d'aria di mandata dalla temperatura dell'aria di mandata (tipicamente 55°F) al setpoint di raffreddamento della zona (tipicamente 75°F).
I sistemi di postriscaldamento CAV non sono efficienti dal punto di vista energetico perché si verificano simultaneamente il raffreddamento (presso l'unità CAV) e il riscaldamento (presso la batteria di postriscaldamento) del flusso d'aria di mandata. È necessario prestare attenzione durante la progettazione dei sistemi di riscaldamento CAV poiché l'International Energy Conservation Code del 2018, sezione 503.4.5, richiede che il flusso d'aria di mandata sia ridotto ad almeno il 30% del flusso d'aria di mandata massimo a ciascuna zona prima che possa avvenire il riscaldamento. Un'eccezione a questa regola è per le zone che hanno requisiti speciali per il controllo dell'umidità.
Doppio condotto
Un sistema CAV a doppio condotto comprende due condotti dell'aria di mandata separati, un condotto caldo e un condotto freddo, collegati a un'unità di trattamento aria CAV appositamente configurata (Fig. 3). Il flusso d'aria di mandata è suddiviso all'interno dell'unità a valle del ventilatore di mandata in quello che viene chiamato piano caldo e piano freddo. Una serpentina di riscaldamento è installata all'interno dell'unità nel piano caldo e una serpentina di raffreddamento è installata all'interno dell'unità nel piano freddo. Una parte del flusso d'aria di mandata viene soffiata attraverso il piano caldo e convogliata attraverso il condotto caldo principale collegato all'unità. Il flusso d'aria di alimentazione rimanente viene soffiato attraverso il piatto freddo. e scaricato attraverso il condotto freddo principale collegato all'unità. Entrambi i condotti di alimentazione calda e fredda sono instradati parallelamente l'uno all'altro attraverso l'edificio e si diramano per servire più zone all'interno dell'area servita dall'unità.
Ogni zona è dotata di una scatola di miscelazione a doppio condotto, che ha sia gli attacchi di ingresso del condotto caldo che quello freddo, ognuno dei quali è dotato di una serranda motorizzata e di un sensore di flusso d'aria in ingresso. La scatola di miscelazione a doppio condotto ha un'unica uscita del condotto attraverso la quale l'aria viene fornita alla zona. La temperatura dell'aria immessa nella zona viene controllata modulando le portate d'aria calda e fredda alla scatola di miscelazione a doppio condotto come richiesto per mantenere il setpoint del termostato di zona. Per le scatole di miscelazione a doppio condotto CAV, la portata d'aria totale di mandata alla zona rimane costante.
Tipicamente, la temperatura dell'aria fredda del ponte proveniente dall'unità di trattamento dell'aria CAV viene mantenuta a circa 85°F in modo che il raffreddamento sia disponibile se richiesto dalle zone di temperatura. La temperatura del piano caldo dall'unità CAV viene mantenuta a circa 55°F in modo che il riscaldamento sia disponibile se richiesto dalle zone di temperatura. La serpentina di riscaldamento in un'unità di trattamento dell'aria a doppio condotto può essere ad acqua calda, a vapore o elettrica. La serpentina di raffreddamento sarà normalmente acqua refrigerata. Le unità di trattamento dell'aria a doppio condotto raramente, se non mai, utilizzano una serpentina di raffreddamento del refrigerante DX.
I sistemi CAV a doppio condotto generalmente non trovano applicazione per gli edifici commerciali a causa dell'elevato costo iniziale. Pertanto, non discuteremo più in dettaglio i sistemi a doppio condotto I sistemi CAV a doppio condotto sono stati progettati anni fa principalmente per servire le aree di laboratorio all'interno degli edifici. Pertanto, è necessario che il progettista dell'impianto AT AC comprenda questo tipo di impianto qualora un progetto preveda la ristrutturazione di un edificio con impianto CAV a doppia condotta. Tuttavia, oggi sono disponibili più sistemi HVAC moderni per servire aree di laboratorio che hanno un costo iniziale inferiore e un costo operativo inferiore rispetto ai sistemi CAV a doppio condotto. Pertanto, è improbabile che un nuovo edificio richieda un sistema CAV a doppio condotto.
Multizona
I sistemi CAV multizona sono simili ai sistemi CAV a doppio condotto in quanto all'interno dell'unità di trattamento dell'aria sono presenti un piano caldo e uno freddo (Fig. 4). La differenza è che i flussi d'aria calda e fredda per ciascuna zona vengono miscelati nell'unità di trattamento dell'aria. Per ogni zona è montata una serranda motorizzata aria calda e fredda montata sullo scarico della centrale di trattamento aria; ovvero, se l'unità è un'unità a cinque zone, sullo scarico dell'unità saranno montate cinque serrande motorizzate per il piano caldo e cinque serrande motorizzate per il piano freddo. Sull'uscita combinata di ciascuna serranda calda e fredda a servizio di ciascuna zona è presente un unico raccordo per condotto attraverso il quale l'aria viene immessa nella zona. La temperatura dell'aria immessa in ciascuna zona viene controllata modulando le portate d'aria calda e fredda dell'unità di trattamento aria come richiesto per mantenere il setpoint del termostato di zona. Per i sistemi multizona CAV, il flusso d'aria di mandata totale a ciascuna zona rimane costante. Le temperature dell'impalcato caldo e freddo per i sistemi CAV multizona sono simili alle temperature dell'impalcato per i sistemi CAV a doppio condotto.
I sistemi CAV multizona non sono comunemente utilizzati negli edifici commerciali perché le opzioni VAV disponibili in genere hanno un costo iniziale inferiore e un costo operativo inferiore. Inoltre, il numero di zone che possono essere ospitate da un'unità multizona è limitato dallo spazio fisico disponibile per installare le serrande motorizzate caldo e freddo per ciascuna zona sullo scarico dell'unità di trattamento aria. Pertanto, le unità multizona non possono servire più di circa otto zone. Il numero di zone che possono essere servite da un impianto VAV non è limitato dalle apparecchiature ma è determinato dalle esigenze delle zone servite.
Manuale di progettazione HVAC - W. Larsen Angel, PE, LEED AP, è un dirigente della società di ingegneria di consulenza MEP Green Building Energy Engineers. Ha lavorato nel settore della consulenza ingegneristica MEP per più di 30 anni. Mr. Angel ha contribuito allo sviluppo di standard di progettazione e continua a trovare nuovi modi per semplificare il processo di progettazione del sistema HVAC.
