I sistemi a volume d'aria variabile (VAV) sono i tipi più utilizzati di sistemi ad aria HVAC per progetti di edifici commerciali di medie e grandi dimensioni (progetti superiori a 10.000 ft2) perché i sistemi VAV sono flessibili, efficienti dal punto di vista energetico e forniscono un ambiente interno confortevole. I sistemi VAV forniscono un flusso d'aria di mandata variabile a una temperatura costante (tipicamente 55°F) attraverso il condotto dell'aria primaria a più unità terminali VAV, ognuna delle quali serve una zona di temperatura separata. Ogni unità terminale VAV contiene una serranda motorizzata che modula la portata d'aria primaria alla zona, un sensore di portata d'aria di ripresa e, in alcuni casi, una batteria di riscaldamento e un piccolo ventilatore di ricircolo.
La portata d'aria di mandata dall'unità di trattamento aria VAV è normalmente modulata per mantenere una pressione statica costante all'interno del sistema di condotti dell'aria primaria. Questa viene misurata da un sensore di pressione statica del condotto, che in genere si trova a due terzi del sistema di condotti dell'aria primaria. La modulazione della portata d'aria di mandata risponde alle esigenze dei terminali VAV; ovvero, man mano che più serrande dell'aria primaria nelle unità terminali VAV si aprono per fornire più aria alle zone, la pressione statica nel sistema di canalizzazione dell'aria primaria diminuisce e la velocità del ventilatore nell'unità di trattamento aria VAV aumenta per aumentare la portata d'aria di mandata erogata da l'unità di trattamento aria VAV per ripristinare la pressione statica nel sistema di canalizzazione. Al contrario, quando le serrande dell'aria primaria si chiudono, la pressione statica del condotto dell'aria primaria aumenta e la velocità del ventilatore nell'unità di trattamento aria VAV diminuisce per diminuire la portata d'aria di mandata erogata dall'unità di trattamento aria VAV per compensare.
L'unità di trattamento dell'aria per un sistema VAV è la stessa che sarebbe necessaria per a sistema CAV con l'eccezione che esiste un mezzo per modulare la portata d'aria di mandata erogata dall'unità. Il modo più comune per modulare la portata d'aria di mandata dell'unità è controllare la frequenza del segnale inviato al motore del ventilatore di mandata attraverso un variatore di frequenza (VFD).
La velocità di un motore a corrente alternata (ca) è direttamente proporzionale alla frequenza del segnale di ingresso al motore. Pertanto, quando la frequenza del segnale di uscita VFD al motore viene ridotta, la velocità del motore viene ridotta e anche il flusso d'aria di alimentazione viene ridotto. Il contrario è vero all'aumentare della frequenza del segnale di uscita VFD al motore. La frequenza massima consigliata del segnale di uscita VFD è quella della frequenza di ingresso della linea VFD o 60 Hz. Il motore del ventilatore di mandata funzionerà alla massima velocità quando riceve un segnale di uscita VFD di 60 Hz. I VFD possono erogare frequenze superiori a 60 Hz, ma ciò fa sì che il motore del ventilatore funzioni al di sopra dei suoi ampere di carico di esercizio nominali [ovvero, il motore funziona nella sua gamma di fattori di servizio (in genere tra 100 e 115% degli ampere di carico di esercizio nominali), che non è raccomandato].
È necessario prestare attenzione durante la progettazione di sistemi VAV che utilizzano serpentine refrigeranti DX per il raffreddamento. A meno che il sistema di refrigerazione non sia dotato di una capacità adeguata per scaricare la capacità del sistema di refrigerazione, in condizioni di flusso d'aria ridotto potrebbe verificarsi il congelamento della serpentina di raffreddamento del refrigerante DX. Lo scarico del sistema di refrigerazione, un adeguato controllo della temperatura dell'aria di mandata e l'incorporazione di un VFD nell'armadio dell'unità sono tutti problemi che i produttori di apparecchiature HVAC hanno recentemente risolto per le apparecchiature DX con capacità inferiori a 25 tonnellate. I produttori di apparecchiature HVAC ora offrono il funzionamento VAV per i sistemi ad aria che utilizzano serpentine di raffreddamento del refrigerante DX con capacità fino a 5 tonnellate.
L'uso più comune di un sistema VAV è nel servire più zone di temperatura. Pertanto, discuteremo prima i sistemi VAV multizona e poi discuteremo l'uso di un sistema VAV per un'applicazione a zona singola.
Multizona
Unità terminali VAV
La portata d'aria primaria variabile viene inviata alle zone attraverso la modulazione della serranda aria primaria presente nelle unità terminali VAV. Quando la temperatura della zona diminuisce, la serranda dell'aria primaria viene modulata in chiusura per fornire meno aria primaria (55°F) alla zona. Una volta che la serranda dell'aria primaria raggiunge la sua posizione minima prestabilita (solitamente circa il 25% della portata d'aria massima), ad un ulteriore abbassamento della temperatura di zona, le unità terminali VAV con capacità di riscaldamento posizioneranno la serranda dell'aria primaria rispetto alla portata dell'aria di riscaldamento e moduleranno la potenza della batteria di riscaldamento per mantenere il setpoint di riscaldamento del sensore di temperatura della zona. Le unità terminali VAV ventilate sono inoltre dotate di un piccolo ventilatore che ricircola l'aria (normalmente dal plenum aria di ripresa a soffitto) attraverso la batteria di riscaldamento dell'unità terminale VAV.
La Figura 1 è un diagramma schematico di un sistema VAV che serve più unità terminali VAV.
Doppio condotto
I sistemi ad aria VAV a doppio condotto sono rari quanto i sistemi ad aria CAV a doppio condotto. Il momento più probabile in cui un progettista di sistemi HVAC si imbatterebbe in un sistema d'aria VAV a doppio condotto sarebbe nel caso di un sistema originariamente progettato come sistema CAV a doppio condotto, ma successivamente rinnovato per funzionare come sistema VAV. Il progettista del sistema HVAC può anche avere il compito di progettare le modifiche a un sistema CAV a doppio condotto per convertirlo in un sistema VAV a doppio condotto.
I sistemi VAV a doppio condotto funzionano allo stesso modo dei sistemi CAV a doppio condotto, tranne per il fatto che il flusso d'aria di mandata alle zone è variabile, non costante. Il ventilatore di mandata nell'unità di trattamento dell'aria a doppio condotto deve essere dotato di un mezzo per modulare la sua portata d'aria in risposta alla pressione statica nei condotti principale sia caldo che freddo. L'efficienza energetica di un sistema VAV a doppio condotto sarebbe all'incirca uguale a quella di un sistema VAV convenzionale che utilizza unità terminali VAV.
È necessario prestare attenzione nella conversione di un sistema CAV a doppio condotto in un sistema VAV per garantire che le zone non richiedano un flusso d'aria di alimentazione costante per compensare il flusso d'aria di scarico costante.
Zona singola
Il funzionamento di un sistema VAV a zona singola è simile al funzionamento di un sistema VAV che serve più zone, tranne per il fatto che non ci sono unità terminali VAV e il flusso d'aria di mandata è modulato per mantenere il setpoint di raffreddamento del sensore di temperatura della (singola) zona piuttosto che per mantenere costante la pressione statica nel condotto dell'aria primaria. La temperatura dell'aria di mandata viene mantenuta a 55°F fintanto che il sensore di temperatura della zona richiede il raffreddamento.
Una volta che la temperatura della zona scende al di sotto del setpoint di raffreddamento (in genere 75°F), l'unità di trattamento dell'aria funzionerà in modalità riscaldamento: il raffreddamento verrà disabilitato, la ventola di mandata funzionerà al flusso d'aria di riscaldamento predeterminato e l'uscita della batteria di riscaldamento all'interno dell'unità sarà modulato come richiesto per mantenere il setpoint di riscaldamento del sensore di temperatura della zona (tipicamente 70°F).
Una volta che la temperatura della zona sale al di sopra del setpoint di raffreddamento, l'unità di trattamento aria funzionerà in modalità raffreddamento: il riscaldamento verrà disabilitato, l'uscita della batteria di raffreddamento verrà modulata come richiesto per mantenere la temperatura dell'aria di mandata a 55°F e il il flusso d'aria di mandata sarà modulato per mantenere il setpoint di raffreddamento del sensore di temperatura della zona.
Il vantaggio di un sistema VAV a zona singola rispetto a un sistema CAV a zona singola è che durante il funzionamento in raffreddamento, la temperatura dell'aria di mandata rimarrà costante a circa 55°F. Questa temperatura dell'aria di mandata costantemente fresca si tradurrà in un'umidità relativa dello spazio inferiore rispetto alla stessa area servita da un sistema CAV in cui la temperatura dell'aria di mandata può variare ovunque tra 55°F (pieno carico di raffreddamento) e 75°F (nessun carico di raffreddamento). La maggiore umidità relativa degli ambienti derivante dall'utilizzo di un sistema CAV è aggravata dalla ventilazione dell'aria esterna nelle zone a clima umido e da un'elevata densità di occupanti nelle aree servite dall'unità.
Grazie ai recenti progressi tecnologici, i sistemi VAV a zona singola che utilizzano serpentine di raffreddamento del refrigerante DX possono servire aree con un carico di raffreddamento fino a 5 tonnellate.
Manuale di progettazione HVAC - Angelo W. Larsen, 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.
