PRINCIPI DELLA CLIMATIZZAZIONE


  1. CHE COS’E’ LA CLIMATIZZAZIONE
  2. CONDIZIONI DI BENESSERE ESTIVO
  3. CONDIZIONI DI BENESSERE INVERNALE
  4. IL CLIMATIZZATORE AUTONOMO
  5. IL CICLO FRIGORIFERO A COMPRESSIONE
  6. GRANDI IMPIANTI DI CLIMATIZZAZIONE
  7. RENDIMENTO DI UN CLIMATIZZATORE
  8. LA POMPA DI CALORE
  9. L'INVERTER
  10. CLIMATIZZARE UN LOCALE D'ABITAZIONE
  11. CLIMATIZZARE UN UFFICIO
  12. I SISTEMI A VOLUME DI REFRIGERANTE VARIABILE (VRV)
  13. LE NUOVE NORMATIVE SUI REFRIGERANTI
  14. BREVE STORIA DELLA CLIMATIZZAZIONE
  15. LINKS UTILI


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1. CHE COS’E’ LA CLIMATIZZAZIONE

CLIMATIZZARE significa modificare le condizioni climatiche di un ambiente (microclima) in modo di assicurare il comfort, cioè il benessere, degli occupanti.

I fattori  principali che determinano il benessere sono temperatura e umidità' dell'aria.  Altri fattori che contribuiscono al benessere sono purezza dell'aria (filtrazione e ricambio),distribuzione dell'aria (ventilazione) e bassa rumorosità dell’impianto di climatizzazione 

Un impianto di climatizzazione è un sistema in grado di tenere sotto controllo tutti questi fattori.

1.1 IMPIANTI DI CLIMATIZZAZIONE

Gli impianti di climatizzazione si possono così classificare:

Negli impianti autonomi l'energia frigorifera o termica necessaria per ottenere il comfort ambientale  viene prodotta direttamente negli ambienti da climatizzare, mentre negli altri tipi di impianti l'energia è prodotta esternamente e poi trasportata agli ambienti  attraverso un fluido termovettore costituito da aria (impianti a tutt'aria) o acqua (impianti ad acqua). In questo corso ci occuperemo principalmente di impianti autonomi.

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2. CONDIZIONI DI BENESSERE ESTIVO


2.1 TRATTAMENTO ESTIVO DELL’ARIA

In estate l’aria ambiente è normalmente più calda e più umida rispetto alle condizioni di benessere sopra indicate e quindi deve essere raffreddata e deumidificata per poter assicurare le condizioni di benessere. Il climatizzatore in funzionamento estivo raffredda e deumidifica contemporaneamente l’aria ambientale.

Pensiamo a quanto avviene ai vetri della nostra autovettura in una giornata di pioggia oppure ai vetri della finestra della cucina quando prepariamo da mangiare: i vetri si appannano e piccole goccioline d'acqua solcano la superficie. Ciò avviene perché il vetro freddo viene a contatto con aria calda e molto umida, quella dell'abitacolo della vettura o quella carica di vapore della cucina. L'aria cede calore al vetro, raffreddandosi, e perde anche vapore che condensa  a contatto del vetro molto freddo, passando allo stato liquido (le goccioline che vediamo).

Nel condizionatore domestico avviene lo stesso fenomeno: l'aria del locale incontra la superficie fredda dell’evaporatore dell’unità interna dell’impianto di climatizzazione ed in tal modo si raffredda e cede vapore che condensa (ed è per questa ragione che l’unità interna produce acqua).

Il trattamento di raffreddamento e deumidificazione dell'aria, appena descritto, presenta quindi due aspetti particolari. Da un lato l'aria si è raffreddata, cioè la sua temperatura si è abbassata; dato che di ciò possiamo renderci conto con i nostri sensi, questo effetto è detto sensibile e la porzione di calore scambiato con l’evaporatore dell’unità interna utilizzata per diminuire la temperatura dell'aria è detta calore sensibile.

Come secondo effetto c'è stata una riduzione del vapore d'acqua contenuto nell'aria; anche questo fenomeno è dovuto ad uno scambio di calore con l'evaporatore, calore che però non ha variato la temperatura dell'aria, ma ha permesso al vapore d'acqua di condensare, cioè di cambiare stato di aggregazione, e di abbandonare l'aria sotto forma di liquido: questo tipo di calore viene detto calore latente.

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3. CONDIZIONI DI BENESSERE INVERNALE


3.1 TRATTAMENTO INVERNALE DELL’ARIA

In inverno l'aria in genere va solamente riscaldata avendo già una umidità relativa accettabile. Un condizionatore che funziona come pompa di calore svolge proprio questa funzione.
L'aria incontra una superficie più calda e assorbe calore da questa, riscaldandosi. Dato che l'effetto è stato solo quello di aumentare la temperatura dell'aria senza alcuna azione sul contenuto di vapore d'acqua, il calore scambiato sarà di tipo sensibile.
In alcune situazioni può essere utile, per aumentare il livello di comfort, umidificare l'aria per mezzo di appositi apparecchi (umidificatori a vapore, a ultrasuoni ecc.)

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4. IL CLIMATIZZATORE AUTONOMO 

Nel climatizzatore autonomo  tutti gli elementi essenziali  di un impianto di climatizzazione (circuito frigorifero, scambiatori di calore, ventilatori, compressore,  filtri, elettronica) sono raggruppati in una o più unità installate all'interno o in vicinanza dell'ambiente da climatizzare.

Questo tipo di climatizzatore viene definito "autonomo" proprio perchè, a differenza di altri sistemi di climatizzazione, non richiede componenti aggiuntivi per il suo funzionamento, fatta eccezione per eventuali collegamenti elettrici e frigoriferi tra unità.

Nel climatizzatore autonomo monoblocco tutti i componenti sono raggruppati in una sola unità installata all'interno o nelle vicinanze del locale da climatizzare. Questo tipo di impianto, largamente diffuso in passato soprattutto nelle versioni domestiche da finestra e trasferibili, è oggi da considerare superato a causa del notevole ingombro, dell'elevata rumorosità e del  rendimento spesso modesto.
Il grande vantaggio del climatizzatore autonomo monoblocco è la facilità di installazione, che spesso non richiede interventi di personale specializzato, soprattutto nel caso dei modelli trasferibili 
I climatizzatori autonomi split, detti anche fissi, sono invece costituiti da una unità esterna (motocondensante) installata all'esterno dell'edificio  e una o più unità interne installate nei locali da climatizzare. Ogni unità interna e collegata all'unità esterna da una coppia di tubi  in rame coibentati nei quali scorre un fluido
refrigerante 
L'installazione di un climatizzatore autonomo split è più complessa e richiede sempre l'intervento di un tecnico specializzato dotato di adeguata attrezzatura.

4.1 COME FUNZIONA IL CLIMATIZZATORE AUTONOMO

In estate, quando si accende il climatizzatore, all'interno del locale viene soffiata aria fredda mentre all'esterno viene eliminata aria calda. In pratica il climatizzatore assorbe il calore contenuto nell'aria dell'ambiente da raffrescare e lo trasporta all'esterno. In questo senso possiamo dire che i climatizzatori sono "trasportatori di calore".

Il trasporto di calore è reso possibile dalle caratteristiche fisiche del refrigerante, contenuto all'interno del climatizzatore in tubazioni di rame sigillate e coibentate. Il refrigerante attualmente più diffuso negli impianti di climatizzazione domestica è il monoclorofluorometano, meglio conosciuto come R-22. Il refrigerante viene inviato alla sezione  del climatizzatore a contatto con l'aria interna sotto forma di liquido
e qui viene fatto evaporare. 

Negli ultimi anni sono comparsi sul mercato nuovi refrigeranti (es. R-407 e R-410) cosiddetti "ecologici" in quanto ritenuti meno dannosi per l'ozono atmosferico. Recentemente è stata approvata, in Italia e in Europa, una normativa che obbliga le Case produttrici a interrompere definitivamente la produzione di climatizzatori a R-22 entro il 2003 e a utlizzare esclusivamente i nuovi refrigeranti ecologici nella produzione a partire dal 2004.  La manutenzione degli impianti a R-22 sarà consentita almeno fino al 2015. Per approfondimenti si veda il par. 13 "Nuove normative sui refrigeranti"

L'evaporazione del refrigerante raffredda l'aria immediatamente circostante. Infatti, un liquido che evapora sottrae calore dagli oggetti o dall'aria con cui si trova a contatto: pensiamo all'effetto di raffreddamento provocato dall'alcool a contatto della pelle.

L'aria così raffreddata viene fatta circolare in tutto l'ambiente dal ventilatore collocato dietro l'evaporatore. In seguito il refrigerante viene trasformato nuovamente in liquido dal compressore e dal condensatore contenuti nella sezione a contatto con l'aria esterna  e riutilizzato in un ciclo continuo. Il  climatizzatore  può funzionare proprio grazie alla continua ripetizione di questo ciclo detto, per le sue caratteristiche e per il risultato a cui si perviene, CICLO FRIGORIFERO A COMPRESSIONE 
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5. IL CICLO FRIGORIFERO A COMPRESSIONE

La termodinamica insegna che il calore passa spontaneamente da un corpo più caldo a un altro corpo più freddo e nel passaggio è possibile, avendo i mezzi adatti, trasformare una parte del calore in lavoro (ad esempio nella  macchina a vapore)

Se si vuole far percorrere al calore il percorso inverso, cioè farlo passare da un corpo più freddo a uno più caldo, occorre fornire energia meccanica o termica ricavata da fonti esterne (vapore, gas, elettricità). Il ciclo frigorifero a compressione trasferisce calore da un corpo più freddo a uno più caldo consumando energia meccanica, mentre il ciclo frigorifero ad assorbimento svolge la stessa funzione consumando energia termica. In questa sezione ci occuperemo esclusivamente del ciclo a compressione.

Un sistema frigorifero ha quindi la funzione di di sottrarre calore a un ambiente e di cederlo ad un'altro ambiente a temperatura più elevata, mantenendo il più possibile costante la differenza di temperatura tra i due corpi. Il frigorifero domestico, ad esempio, trasferisce calore dal vano alimenti all'aria esterna della cucina, mantenendo costante la temperatura interna.

Il ciclo frigorifero a compressione si svolge all'interno di un sistema chiuso denominato circuito frigorifero, costituito da vari componenti collegati da tubi. Il circuito frigorifero è percorso da un fluido refrigerante che subisce una serie di cambiamenti di stato ai quali sono associate variazioni di pressione e di temperatura.

Il circuito frigorifero è formato da quattro componenti principali:

Nel ciclo frigorifero il refrigerante è soggetto a  2 cambiamenti di fase: esso passa dalla fase liquida a quella di vapore (evaporazione) e da questa ritorna liquido (condensazione).
I cambiamenti di fase sono trasformazioni fisiche che avvengono a attraverso scambi di energia termica. Così per far passare il refrigerante dalla fase liquida a quella di vapore (evaporazione) bisogna fornire energia, cioè calore
(pensiamo ad esempio al fuoco che accendiamo sotto una pentola per far bollire l'acqua).

Al contrario, bisognerà togliere calore al refrigerante in forma di vapore per farlo tornare liquido (condensazione). Per poter scambiare questo calore sarà allora necessario avere un secondo fluido che possa cedere o prendere calore dal refrigerante in trasformazione: questo fluido non è altro che l'aria che ci circonda.

Nel corso dell’evaporazione,  cioè durante il passaggio dalla fase liquida a quella di vapore, il refrigerante preleva calore dall'aria: il risultato è che quest'ultima si raffredda ed ecco l'effetto utile di raffrescamento che otteniamo dal climatizzatore.

Quando invece il refrigerante condensa, cioè passa da vapore a liquido, ha bisogno di cedere calore all'aria, che, quindi, si riscalda:  la sezione condensante del climatizzatore va posta all'esterno dell'ambiente da condizionare proprio per non immettere nel locale il calore prodotto dalla condensazione. Nel caso dei condizionatori monoblocco, la sezione condensante, situata nell'ambiente climatizzato, deve necessariamente scaricare all'esterno l'aria calda utilizzata per la condensazione attraverso un apposito foro in un serramento o in una parete.

Gli organi nei quali avviene il passaggio di calore tra refrigerante e aria sono l'evaporatore e il condensatore. Si tratta di  scambiatori di calore simili nella costruzione ai radiatori delle automobili: il refrigerante passa all'interno dei tubi, che sono alettati all'esterno per favorire lo scambio di calore con l'aria. L'aria è mossa da un ventilatore: uno centrifugo, più silenzioso, nella sezione evaporante  ed uno elicoidale, relativamente più rumoroso e con maggior portata, nella sezione condensante

Più è alta la velocità e la portata dell'aria e maggiore è il calore scambiato. Questo è esattamente quello che succede nel radiatore della nostra automobile: la temperatura dell'acqua sale quando siamo bloccati nel traffico (segno evidente che l'aria ferma scambia poco calore con l'acqua) e si abbassa solamente quando  la ventola parte rimettendo in moto l'aria.

Risulta allora evidente che nell'installare un climatizzatore occorre favorire il più possibile il movimento dell'aria che attraversa gli scambiatori,  evitando ad esempio di porre ostacoli che riducano il flusso d'aria.

Oltre ai i due radiatori che abbiamo appena descritto, il climatizzatore contiene altri due componenti indispensabili adibiti al controllo della pressione nei due scambiatori, il compressore ed il capillare.
La trasformazione vapore - liquido (condensazione) avviene infatti ad alta pressione per effetto del compressore, mentre la trasformazione liquido - vapore (evaporazione) avviene a bassa pressione, regolata dalla valvola capillare costituita in pratica da una strozzatura che riduce appunto la pressione del refrigerante.

L'energia elettrica assorbita dal climatizzatore viene quasi interamente utilizzata per azionare il compressore.

5.1 IL CICLO FRIGORIFERO IN DETTAGLIO

5.2 DUE ESEMPI DI CIRCUITO FRIGORIFERO 
 

5.3 IL CIRCUITO FRIGORIFERO DEI CLIMATIZZATORI  AUTONOMI SPLIT

In un climatizzatore autonomo di tipo split i vari elementi del circuito frigorifero sono collocati in due distinte unità, una posta all'esterno dell'edificio e una all'interno del locale da climatizzare. L’unità esterna, detta motocondensante, contiene il compressore,  il capillare, il condensatore e un ventilatore di tipo elicoidale, mentre l’unità interna contiene l’evaporatore, un ventilatore di tipo centrifugo e uno o più filtri per l'aria. Questa soluzione consente di ottenere molti vantaggi rispetto ai condizionatori monoblocco, tra i quali maggiore silenziosità, rendimenti più elevati e massima libertà di posizionamento delle unità interne.

In base al numero di unità interne collegabili alla stessa motocondensante, i climatizzatori split si distinguono in
MONOSPLIT   e   MULTISPLIT 
Le unità motocondensanti degli split di piccole dimensioni si possono installare su un balcone o possono essere fissate con apposite staffe a un parete esterna dell'edificio. Le unità di dimensioni più grandi devono essere invece installate sulla copertura dell'edificio o al suolo.

Le unità interne comprendono modelli a parete, a soffitto e a pavimento. Le versioni a soffitto possono essere fissate esternamente al plafone (sospese) o incassate in controsoffitto ("cassette"). Le versioni a pavimento comprendono modelli "fan coil" (o ventilconvettori) e a colonna.  Esistono inoltre modelli canalizzabili da installare in controsoffitto, ai quali si possono collegare condotti d'aria rigidi o flessibili che alimentano diffusori d'aria posti nei vari ambienti 

I climatizzatori split trovano la loro collocazione ideale nella fascia di mercato residenziale e in quella dei piccoli e medi edifici di tipo commerciale. Alcune Case produttrici leader di mercato (Mitsubishi, Daikin, Hitachi, Toshiba, Panasonic) producono e distribuiscono anche sistemi split modulari (da 20.000 fino a 70.000 frigorie per modulo) ad alta tecnologia adatti a impianti di climatizzazione di medie e grandi dimensioni (alberghi, palazzi uffici, ospedali ecc.)

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6.  GRANDI IMPIANTI DI CLIMATIZZAZIONE: SISTEMI AD ACQUA E A TUTT'ARIA.

Come abbiamo  visto nella sezione precedente, in un climatizzatore autonomo l'evaporatore è installato all'interno dell'ambiente da climatizzare e quindi funziona raffreddando direttamente l'aria. Sistemi di questo tipo vengono in generale definiti a espansione diretta, poichè  utilizzano direttamente l'evaporazione (espansione) del  refrigerante del circuito frigorifero per raffreddare l'aria dell'ambiente da climatizzare. I sistemi di climatizzazione a espansione diretta sono di gran lunga i più diffusi nei piccoli impianti domestici e commerciali per via del basso costo di acquisto, della facilità di installazione e della semplicità d'uso e di manutenzione.

Negli impianti di dimensioni maggiori l'energia termica o frigorifera viene invece più frequentemente generata da apposite unità esterne e trasportata agli ambienti da un fluido vettore di energia termica o frigorifera costituito da acqua o aria. Data la presenza di un fluido vettore interposto tra circuito frigorifero e ambienti da climatizzare, gli impianti di questo tipo sono  denominati sistemi a fluido intermedio. In base al tipo di fluido vettore, si distinguono due principali tipologie di sistemi a fluido intermedio:
6.1 IMPIANTI AD ACQUA    : utilizzano acqua come fluido vettore: calda in inverno o fredda in estate. L'acqua  viene inviata a unità terminali situate nei vari ambienti attraverso una apposita rete di distribuzione. Nel condizionamento estivo l'acqua viene raffreddata da  una apposita macchina frigorifera denominata  refrigeratore d'acqua o chiller. Gli impianti di questo tipo possono essere a tutt'acqua o misti acqua-aria.
6.2 IMPIANTI A TUTT'ARIA    : utilizzano aria come fluido vettore. L'aria viene riscaldata o raffreddata da apposite unità di trattamento aria (UTA) e inviata agli ambienti attraverso un sistema di canali di distribuzione.

6.3 CONDENSAZIONE AD ARIA E AD ACQUA

Mentre nei piccoli impianti a espansione diretta il condensatore del circuito frigorifero è quasi sempre raffreddato ad aria (salvo particolari applicazioni), negli  impianti ad acqua e a tutt'aria  i condensatori dei circuiti frigoriferi possono essere raffreddati ad aria o ad acqua, secondo la potenzialità e le applicazioni richieste.

In generale, il raffreddamento ad acqua permette rendimenti più elevati e costanti ma è più costoso e più complesso da progettare e da gestire. Negli impianti di grandi potenze,  il calore smaltito dall'acqua utilizzata per raffreddare l'impianto viene dissipato attraverso particolari dispositivi denominati torri di raffreddamento 

Il principale vantaggio delle torri di raffreddamento è la possibilità di ricircolare l'acqua di raffreddamento attraverso un circuito chiuso e quindi evitare sprechi e inquinamenti termici di falde acquifere e bacini idrici. Per contro, le torri di raffreddamento rappresentano un ottimo habitat per varie specie batteriche dannose per l'uomo, in particolare la temutissima Legionella pneumophila.

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7. RENDIMENTO DI UN CLIMATIZZATORE

Il rendimento di una macchina frigorifera è il rapporto tra la sua resa utile e il suo consumo elettrico. Il rendimento di una macchina frigorifera dipende dall'efficienza degli scambiatori, dalle perdite di carico del circuito frigorifero e dal rendimento del compressore. Comunemente il rendimento è espresso dal COP (Coefficient Of  Performance), dato dal rapporto kW termici resi / kW elettrici assorbiti.

I valori di COP dei climatizzatori autonomi presenti sul mercato sono compresi tra 2 (macchine a scarso rendimento) e 3,5 (macchine ad alto rendimento). Un climatizzatore con un COP pari a 3 produce 3 kW termici per ogni kW elettrico assorbito. Recentemente sono apparsi sul mercato modelli innovativi con COP estremamente elevati (anche superiori a 5), purtroppo ancora troppo costosi per l'utente medio.

La resa di un climatizzatore è strettamente legata alla quantità di refrigerante in esso contenuta. Quando la carica del refrigerante diminuisce, ad esempio quando si verifica una fuga di gas in fase di installazione dell'impianto, le prestazioni del climatizzatore si riducono  e la macchina non produce più l'energia frigorifera necessaria. Inoltre il refrigerante, passando nel compressore, lo raffredda asportando il calore prodotto e mantenendolo alla giusta temperatura per il suo corretto funzionamento. La perdita di refrigerante è perciò ancora più pericolosa in quanto può provocare la rottura per grippaggio del compressore

Il compressore è infatti, tra gli apparecchi costituenti il climatizzatore, quello più delicato e costoso e ad esso va dedicata una cura particolare perché possa funzionare al meglio. Bisognerà così stare molto attenti anche alla sistemazione dell'unità condensante esterna al fine di evitare sia installazioni sotto il sole battente senza alcuna protezione sia ostruzioni o blocchi al flusso d'aria che riducano il calore scambiato. Alla riduzione del calore scambiato corrisponde infatti un aumento della temperatura di condensazione e della pressione del refrigerante nel condensatore.
L'aumento di pressione costringe  il compressore ad un lavoro supplementare che alla lunga ne può provocare la rottura.
Analoghi danni si riscontrano quando si ottura il capillare. Anche in questo caso si registra un aumento della pressione sul lato condensatore e un corrispondente aumento del lavoro di compressione.

Per finire con l'elenco delle attenzioni richieste per garantire il. buon funzionamento del compressore, va ricordato che questo, allo spunto, assorbe una corrente che è quattro-cinque volte quella di targa: si dovranno pertanto utilizzare per il collegamento elettrico dei cavi di sezione adeguata a tale carico

Anche l'installazione dell'unità evaporante interna richiede una cura particolare per favorire lo scambio di calore con l'aria del locale da climatizzare. Se tale scambio viene impedito o ridotto, ad esempio perché davanti all'unità vengono posti degli ostacoli che riducono il flusso d'aria, la temperatura del refrigerante si abbassa rapidamente perché l'aria non cede il calore necessario ed il refrigerante, che sta comunque evaporando, è costretto a utilizzare il proprio calore interno e quindi si raffredda. 

Ne segue che anche l'unità interna si raffredda fino ad andare sotto zero e brinare con la conseguente riduzione delle prestazioni del condizionatore, ma soprattutto raffreddando a temperature molto basse la poca aria immessa in ambiente con grave disagio per gli occupanti.

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8. LA POMPA DI CALORE

8.1 CHE COS'E' UNA POMPA DI CALORE?

L'aria atmosferica, anche a temperature invernali molto rigide, contiene una notevole quantità di calore, che di solito resta inutilizzato e quindi va sprecato. Una pompa di calore non è altro che un dispositivo in grado di recuperare il calore naturale e gratuito dell'aria esterna e trasferirlo all'interno di un'abitazione 
Un climatizzatore a pompa di calore è un apparecchio che in estate funziona come un normale climatizzatore "solo freddo" (raffreddamento e deumidificazione), mentre nel periodo invernale funziona come pompa di calore ed quindi in grado di integrare o sostituire il tradizionale riscaldamento a gas.

E' importante sottolineare che il calore fornito da una pompa di calore non viene generato da resistenze elettriche o altri sistemi di produzione di calore a basso rendimento, ma viene prelevato dall'esterno attraverso lo stesso circuito frigorifero utilizzato per raffrescare l'aria in estate, quindi con alti rendimenti. Paragonata a una stufa elettrica o a un termoventilatore (generatori di calore a resistenze elettriche), la pompa di calore è enormemente più efficiente, molto più economica e assolutamente sicura. 

Per capire meglio la differenza, basti pensare che una stufa elettrica o un phon producono 1 watt termico per ogni watt elettrico assorbito, mentre una pompa di calore arriva a produrre fino a 3,5 watt termici per ogni watt elettrico consumato.

Per avere un'idea della convenienza di una pompa di calore, è sufficiente considerare che ben due terzi del calore fornito da un sistema a pompa di calore sono prelevati dall'esterno e quindi a costo zero.

8.2 COME FUNZIONA LA POMPA DI CALORE?

Il circuito frigorifero non è altro che un "trasportatore di calore", cioè un dispositivo che trasferisce  calore da un ambiente più freddo (quello a contatto con l'evaporatore)  a un ambiente più caldo (quello a contato con il condensatore) a spese di energia elettrica. Lo stesso circuito quindi è in grado sia di raffreddare ulteriormente l'ambiente freddo a contatto con l'evaporatore, sia di riscaldare ulteriormente l'ambiente caldo a contatto con il condensatore. 

Nel funzionamento estivo l'evaporatore si trova all'interno del locale abitato e il condensatore all'esterno. In questo modo il circuito frigorifero trasferisce calore dal locale abitato, che viene  così raffrescato e deumidificato, all'esterno. 

Cosa succederebbe  se l'evaporatore si trovasse  invece all'esterno e il condensatore all'interno del locale? Molto semplicemente, il circuito trasferirebbe calore dall'esterno all'interno dell'abitazione, con l'effetto di riscaldarla. Questo è esattamente ciò che la pompa di calore è in grado di fare.  Ma come è possibile raffrescare e riscaldare con uno stesso apparecchio?

In funzionamento estivo (raffrescamento e deumidificazione)  il refrigerante evapora  nell'unità interna e condensa  nell'unità esterna: in tal modo il calore passa dall'aria dell'ambiente interno all'aria esterna 

Il climatizzatore a pompa di calore non è altro che un apparecchio in grado di invertire il ciclo frigorifero, facendo così evaporare il refrigerante nell'unità esterna e condensare il refrigerante nell'unità interna: in tal modo il calore passa dall'aria esterna all'ambiente interno 

Perché la commutazione, cioè l'inversione del ciclo, sia possibile, l'unità esterna e l'unità interna devono essere progettate in modo da poter funzionare sia come condensatori che come evaporatori.

Rispetto a un comune frigorifero domestico o a un climatizzatore "solo freddo", il circuito di una pompa di calore contiene un elemento aggiuntivo, denominato "valvola di inversione" o "valvola a 4 vie" 
Se la valvola a 4 vie non fosse stata  ancora inventata, l'unico modo per ottenere la commutazione sarebbe quello di smontare, scambiare e  rimontare le due unità due volte all'anno!

8.3 VANTAGGI DELLA CLIMATIZZAZIONE A POMPA DI CALORE

Riscaldamento invernale. Mentre un climatizzatore "solo freddo" funziona solo nel periodo estivo (3-4 mesi) e resta completamente inutilizzato per tutto il resto dell'anno , un climatizzatore a pompa di calore può essere vantaggiosamente utilizzato anche nel periodo invernale come integrazione al sistema di riscaldamento già esistente o addirittura, nel caso di edifici di nuova costruzione, in sostituzione di un impianto tradizionale a caldaia. Rispetto a un impianto di riscaldamento tradizionale, un sistema a pompa di calore raggiunge la temperatura di comfort in tempi brevissimi - pochi minuti anziché varie ore - e permette di adeguare rapidamente il clima dei vari ambienti (es. soggiorno, studio, cucina, zona notte) alle personali esigenze degli occupanti.

Comfort nella mezza stagione. Nei periodi settembre-ottobre e marzo-aprile gli impianti di riscaldamento a caldaia non sono in grado di adeguarsi alle forti variazioni di temperatura ambiente tipiche delle stagioni "di mezzo", con notevoli disagi per gli utenti. Inoltre è importante sottolineare che, nel caso di sistemi di riscaldamento centralizzati, le date di accensione e spegnimento degli impianti sono sottoposte a rigide normative. Un climatizzatore a pompa di calore, al contrario, può funzionare in qualunque periodo dell'anno adattandosi con estrema facilità agli sbalzi di temperatura, garantendo in tal modo un comfort ambientale elevato e costante. Basta premere un solo tasto sul telecomando o sul pannello di controllo dell'impianto per ottener istantaneamente la commutazione caldo-freddo o per modificare la temperatura ambiente anche di un solo grado.

Risparmio energetico. A un esame superficiale, un sistema di climatizzazione a pompa di calore potrebbe sembrare economicamente svantaggioso rispetto alla combinazione "solo freddo" estivo + riscaldamento a gas invernale, molto diffusa in Italia. In realtà, la climatizzazione a pompa di calore garantisce un risparmio medio del 20-25% nell'arco dell'anno. Questo risparmio. già considerevole, è probabilmente destinato a aumentare notevolmente nei prossimi anni per effetto della liberalizzazione del mercato dell' energia elettrica.

Massima sicurezza. L'installazione di un sistema a pompa di calore in sostituzione di un impianto tradizionale permette di eliminare completamente caldaia e relative tubazioni, condotti del gas, canne fumarie e altri accessori ingombranti e potenzialmente pericolosi. Il climatizzatore a pompa di calore non contiene elementi riscaldanti elettrici ed è quindi assolutamente sicuro. Acqua e umidità non provocano pericolosi corti circuiti elettrici e non danneggiano minimamente i componenti del climatizzatore. Le unità esterne possono rimanere tranquillamente esposte a vento, pioggia, neve e basse temperature senza subire alcun tipo di danno.

Minima manutenzione. Un impianto tradizionale a caldaia deve essere ispezionato, pulito e revisionato almeno una volta all'anno, con relativi disagi e costi di manutenzione elevati. Un climatizzatore a pompa di calore funziona per anni e anni senza richiedere interventi di personale specializzato. E' sufficiente pulire periodicamente i filtri anti-polvere e anti-odori (bastano pochi minuti) o sostituirli quando necessario.

8.4 FORMAZIONE DI BRINA E SBRINAMENTO

Nel funzionamento invernale in pompa di calore, la formazione di brina sulla batteria di scambio dell'unità esterna è un fenomeno frequente, soprattutto in condizioni di elevata umidità atmosferica. In questi casi si verifica la formazione di ghiaccio sulla batteria esterna, con ovvia riduzione dello scambio termico e quindi di resa della pompa di calore.

Comportandosi il ghiaccio da isolante termico, il fenomeno di brinamento della batteria viene accelerato fino al completo blocco dello scambiatore. La formazione di ghiaccio sullo scambiatore esterno, oltre a ridurre il rendimento della macchina, comporta il rischio di danneggiamento della macchina stessa. Per evitare questi problemi, in presenza di brina il climatizzatore entra  in un ciclo di sbrinamento automatico.

Il ciclo di sbrinamento consiste nell'inversione temporanea del ciclo frigorifero (da riscaldamento a raffreddamento). In tal modo l'innalzamento della temperatura dello scambiatore esterno, che ora si comporta da condensatore, permette lo scioglimento del ghiaccio. Il controllo del ciclo di sbrinamento viene effettuato sulla base della pressione del refrigerante o più in generale in base alla temperatura della batteria esterna. Durante lo sbrinamento l'emissione d'aria dall'unità interna si arresta automaticamente per evitare il raffreddamento del locale.
 

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9. L' INVERTER

9.1 CHE COS'E' L' INVERTER?

I climatizzatori tradizionali controllano la temperatura ambiente attivandosi e disattivandosi ciclicamente (funzionamento on-off), provocando in tal modo ripetuti picchi di assorbimento di energia elettrica e, in alcuni casi, sbalzi di temperatura fastidiosi.

L'inverter è un dispositivo elettronico che controlla la temperatura ambiente aumentando o diminuendo in modo continuo la potenza erogata dal climatizzatore, garantendo così un comfort ambientale ottimale e costante e una totale assenza di picchi di assorbimento di corrente.

9.2 CONFRONTO TRA CONTROLLO "ON-OFF" E CONTROLLO INVERTER 

Ma i vantaggi della tecnologia inverter non si limitano al controllo della temperatura. Inverter infatti significa:

Comfort in tempi brevissimi. Rispetto ai climatizzatori tradizionali, il controllo inverter permette una maggiore resa in raffreddamento e in riscaldamento (fino al 120 % della potenza nominale) quando la differenza tra la temperatura ambiente e la temperatura desiderata è elevata. Questo permette un più rapido raggiungimento delle condizioni di comfort a partire dall'accensione.

Mai troppo freddo o troppo caldo. Una volta raggiunto il livello di comfort ideale, l'inverter regola automaticamente la potenza erogata dal climatizzatore in modo da evitare fastidiosi sbalzi di temperatura. Se la temperatura desiderata viene modificata, l'inverter adegua istantaneamente la resa dell'impianto alle nuove esigenze dell'utente.

Risparmio di energia. Il controllo inverter, ottimizzando automaticamente il consumo di energia elettrica in base alla differenza tra temperatura ambiente e temperatura desiderata, permette di ridurre del 30% il consumo di energia rispetto a un climatizzatore tradizionale. Questo risparmio consente un rapido ammortamento del prezzo di acquisto dell'impianto

9.3 LOGICA DI FUNZIONAMENTO DELL'INVERTER 

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10. CLIMATIZZARE UN LOCALE D'ABITAZIONE

La scelta e l'installazione di un climatizzatore split per un locale d'abitazione rappresentano il problema più frequente che installatori e progettisti termotecnici si trovano a dover affrontare. La prima e più importante cosa da stabilire è quale deve essere la POTENZIALITA'  del climatizzatore, cioè la quantità di energia frigorifera (o di calore, nel caso di una pompa di calore) che l'apparecchio deve  fornire nell'unità di tempo.
Per un climatizzatore in funzionamento estivo (raffrescamento e deumidificazione)  , vale il seguente principio:

la potenzialità del climatizzatore
deve essere uguale al carico termico complessivo del locale.

Il carico termico complessivo non è altro che la somma di tutto il calore emesso da fonti interne e esterne che influisce sulla temperatura del locale. Il calore esterno è quello che entra nel locale per radiazione attraverso le finestre e per trasmissione attraverso finestre, pareti, soffitti e pavimento, per effetto dell'elevata temperatura esterna. Il calore interno  proviene dalle apparecchiature elettriche e dalle persone. Le persone, oltre ad aumentare la temperatura del locale con il proprio calore corporeo, producono anche umidità attraverso la sudorazione (calore latente). Anche l'aria esterna di ricambio provoca variazioni di temperatura e di umidità dell'ambiente.

10.1 ANALISI DEI CARICHI TERMICI

10.2 ESEMPIO DI CALCOLO  DEI CARICHI TERMICI DI UN LOCALE 

10.3 INSTALLAZIONE  DI UN CLIMATIZZATORE MONOSPLIT

Quanto detto finora vale anche nel caso di un impianto domestico più complesso, cioè composto da più unità interne distribuite in vari locali. Ogni unità interna andrà dimensionata in funzione del carico termico  del locale corrispondente. 

Per quanto riguarda le unità esterne, si potrà scegliere tra la soluzione "monosplit" (una motocondensante esterna per ogni unità interna) o "multisplit" (due o più unità interne collegate ad una stessa motocondensante esterna). 

La scelta dipenderà dalle caratteristiche architettoniche dell'abitazione e dell'edificio, dalle esigenze degli utenti e dalla convenienza economica (di solito un multisplit è più costoso di un impianto equivalente composto da più monosplit). 

In molti casi, è possibile optare per una soluzione "mista": ad esempio, l'impianto di un moderno trilocale di 70 - 80 mq potrebbe essere composto da un monospilt per la "zona giorno" (soggiorno + angolo cottura) e un piccolo multisplit per  la "zona notte" (due  camere da letto).

10.4 DUE FATTORI DA TENERE D'OCCHIO

- TEMPERATURA

Nel calcolare i carichi termici è necessario prevedere condizioni di temperatura esterna e interna che consentano margini di compensazione sufficientemente ampi. Vari fattori concorrono infatti nel determinare variazioni dei carichi termici difficilmente prevedibili e quantificabili: il numero di persone presenti nel locale può variare, possono essere aggiunti o attivati elettrodomestici non previsti nel calcolo, possono verificarsi condizioni di temperatura esterna e/o di insolazione eccezionali.

Per le camere da letto e in genere per i locali destinati ai bambini è bene scegliere potenzialità inferiori anche del 20% a quelle calcolate, soprattutto se l'impianto dovrà funzionare soprattutto di notte.

- DISTRIBUZIONE DELL'ARIA

In un locale normale a sviluppo rettangolare è buona norma sistemare l'unità interna su un lato minore. Questo posizionamento consente una circolazione dell'aria più efficace in quanto la mandata dell'aria, anche alla massima velocità, sarà completata senza bruschi cambiamenti di direzione che possono creare talvolta correnti fastidiose.  In altri termini, la corrente dell'aria non dovrebbe mai battere contro
la parete opposta con velocità elevata.

Quando l'impianto funziona in raffrescamento estivo, occorre evitare, per quanto possibile, il lancio diretto dell'aria sulle persone. Se si utilizzano, come di solito accade, unità interne a parete o a soffitto, l'aletta direzionale di mandata dell'aria va tenuta orizzontale in modo da ottimizzare il lancio, la miscelazione e la ripresa dell'aria e evitare correnti fredde fastidiose . Se si adottano invece unità a pavimento ("fan-coil") il lancio dev'essere diretto verticalmente verso l'alto.

Nelle camere da letto è obbligatorio evitare correnti d'aria sulle persone che dormono, pena contestazioni sicure (i pochi utenti che richiedono esplicitamente "una gradevole brezza notturna" dopo una settimana cambiano idea e pretendono dall'installatore lo spostamento dell'unità interna, ovviamente...senza spese aggiuntive!)

10.5 CLIMATIZZATORI A POMPA DI CALORE: QUANDO UTiLIZZARLI

Come spiegato nella sezione 7, un climatizzatore a pompa di calore è un apparecchio equipaggiato in modo da poter riscaldare nel periodo invernale e nelle mezze stagioni, oltre che raffrescare e deumidificare in estate. Se la temperatura esterna non scende sotto i 5-6 °C, la pompa di calore è in grado di sostituire completamente e vantaggiosamente il riscaldamento tradizionale. Se invece la temperatura esterna scende sotto i 5 °C, la pompa di calore può costituire un valido supporto al riscaldamento tradizionale. Le pompe di calore moderne possono infatti funzionare fino a - 15 °C, ma occorre tenere presente che il rendimento diminuisce con la temperatura.

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11. CLIMATIZZARE UN PICCOLO UFFICIO

11.1)  CLIMATIZZAZIONE SOLO ESTIVA (RAFRESCAMENTO E DEUMIDIFICAZIONE)

In questa sezione prenderemo in esame la climatizzazione estiva  di un ufficio di tipo privato di circa 150 - 200 mq situato in un edificio commerciale dotato di impianto di riscaldamento centralizzato. L'esempio tipico è quello di uno studio professionale composto da una reception, uno o più  ambienti di lavoro destinati al personale, un ufficio professionale riservato al titolare, un locale tecnico destinato a sistemi informatici e di ufficio (fotocopiatrici, fax, server ecc.) e una piccola sala riunioni, oltre ovviamente ai servizi.

Tralasciando i servizi, che devono essere isolati dal resto del'impianto e mantenuti in depressione per mezzo di appositi estrattori, in modo che l'aria non si mescoli a quella degli altri locali, si inizia con il calcolare  i carichi termici estivi dei vari locali, ponendo particolare attenzione all'affollamento dei vari ambienti, alle fonti interne di calore (illuminazione, macchine elettriche ecc.) e all'eventuale presenza di ampie superfici vetrate, terrazzi e tetti poco isolati (ricordiamoci che si tratta di edifici commerciali). Fatto questo, si passa a dimensionare le unità interne in funzione dei carichi termici dei vari locali. La scelta delle unità interne spazia dai modelli "cassette" in controsoffito (per i quali è richiesta una adeguata controsoffittatura) ai più tradizionali "fan coil" a pavimento, fermo restando che la soluzione più pratica e spesso più economica è costituita dalle unità a parete.
E' bene che l'impianto preveda unità interne dotate di regolazioni indipendenti  (accensione, spegnimento, temperatura, velocità dell'aria) in modo da soddisfare le esigenze dei vari utenti.

A questo punto si pone il problema del tipo di impianto da adottare. Escludendo, nel caso specifico, un impianto a tutt'aria, sicuramente molto efficiente ma troppo costoso e complesso da progettare per applicazioni di questo tipo, la  scelta è tra un impianto a espansione diretta (composto da monosplit e/o multisplit) e un impianto ad acqua.

Nel ipotesi che la scelta cada su un impianto a espansione diretta, si potranno utilizzare sistemi monosplit e multisplit, anche in combinazione. I sistemi multisplit hanno il vantaggio di ridurre drasticamente il numero delle unità esterne: esistono multisplit a 2, 4, 8 e addirittura 16 unità interne collegabili. In questo caso specifico, ipotizzando un carico termico complessivo di circa 20 - 25.000 frigorie/ora, si potrà prendere in considerazione la scelta di un impianto a volume variabile Compo Multi VRF della Mitsubishi Electric o similare, costituito da un'unica unità esterna e da un sistema di distribuzione di refrigerante estremamente semplice e razionale.

Se invece si sceglie un impianto ad acqua, è necessario installare un refrigeratore d'acqua centralizzato (chiller) di adeguata potenzialità e un sistema di distribuzione dell'acqua. Per ragioni economiche, il dimensionamento del chiller andrebbe effettuato in funzione del massimo carico termico contemporaneo, che in alcuni casi può essere molto inferiore alla somma dei carichi termici dei vari locali, soprattutto nel caso di uffici provvisti di ampie superfici vetrate su diverse esposizioni. Attenzione, pertanto, a non sovradimensionare il gruppo frigorifero!

Anche la sala riunioni, che può passare da una condizione di massimo affollamento ad una di  totale inutilizzo, introduce una variabile che potrebbe portare il progettista a sovradimensionare il gruppo frigorifero. In questo caso, il problema è facilmente risolvibile dotando questo locale di un piccolo impianto indipendente a espansione diretta, che può essere rapidamente attivato o disattivato secondo le esigenze.
CALCOLO CARICHI TERMICI DI UN  EDIFICIO 

Infine, è opportuno, e in molti casi obbligatorio per legge, installare un sistema di ricambio dell'aria. Gli impianti che non prevedono aria di rinnovo e affidano il benessere degli utenti a saltuarie quanto improbabili aperture di porte e finestre sono ormai improponibili;  l'immissione in ambiente di aria esterna non trattata non è una soluzione valida in quanto aumenta in misura  notevole il consumo di energia elettrica da parte dell'impianto.

I recuperatori di calore costituiscono una valida soluzione al problema del ricambio d'aria e possono essere vantaggiosamente utilizzati sia estate che in inverno. Il principio su cui si basa il funzionamento di questi dispositivi è molto semplice. Un recuperatore è dotato di due canali, uno di immissione d'aria esterna di rinnovo in ambiente e uno di espulsione d'aria viziata. All'interno dell'apparecchio avviene uno scambio di calore sensibile e latente (umidità) tra i due flussi d'aria. In questo modo, in estate l'aria in entrata cede una parte di calore e di umidità all'aria in uscita e quindi arriva nei locali più fresca e meno umida rispetto all'aria esterna. In inverno, al contrario, l'aria in entrata "recupera" calore e umidità dall'aria in uscita e quindi arriva nei locali più calda e umida dell'aria  esterna. In entrambi i casi, il recuperatore garantisce il rinnovo d'aria senza penalizzare il rendimento dell'impianto.

11.2 CLIMATIZZAZIONE ESTIVA E INVERNALE

Supponiamo ora che il nostro ufficio non disponga di alcun tipo di impianto di riscaldamento, situazione  frequente nel caso di edifici di tipo commerciale. Realizzare due impianti completi indipendenti, uno di raffrescamento e uno di riscaldamento, non è una soluzione logica in quanto sarebbe necessario raddoppiare il numero di unità interne e installare due reti di distribuzione separate, con  costi troppo elevati.
La soluzione logica, in questo caso, è un impianto unico "caldo + freddo". Anche qui si potrà optare tra un impianto ad acqua e un impianto a espansione diretta.

Nel caso di un impianto ad acqua, utilizzeremo una rete di distribuzione a due tubi alla quale collegheremo un refrigeratore d'acqua (chiller) e una centrale termica  in grado di fornire alle unità terminali acqua calda in inverno o refrigerata in estate. In alternativa utilizzeremo un sistema centralizzato a  pompa di calore elettrica in grado di svolgere entrambe le funzioni. Alle nostre latitudini, la pompa di calore può risultare vantaggiosa rispetto alla più tradizionale accoppiata chiller + caldaia, in quanto  più economica, meno ingombrante e meno complessa da gestire.

Nel caso di un impianto a espansione diretta, utilizzeremo più semplicemente sistemi monosplit o multisplit a pompa di calore, possibilmente dotati di inverter. Le moderne pompe di calore a espansione diretta hanno raggiunto livelli di efficienza e di affidabilità elevatissimi  e consentono di ottenere un notevole risparmio energetico rispetto ai sistemi di riscaldamento tradizionali a gas.
In questo caso la scelta di un sistema Compo Multi VRF risulta ancora più vantaggiosa, in quanto gli impianti di questo tipo sono progettati e ottimizzati proprio per essere utilizzati anche in inverno a  temperature esterne molto basse
(fino a - 15 °C), con notevoli vantaggi rispetto agli impianti tradizionali a gas.

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12. I SISTEMI A VOLUME DI REFRIGERANTE VARIABILE (VRF)

SISTEMI DI CLIMATIZZAZIONE VRV-II serie RXYQ e REYQ 

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15. LINKS UTILI

 






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