MA NON FA MALE SAPERE QUALCOSA DI QUESTO MONDO E ALLORA PERCHE’ NON LEGGERE ALCUNE INDICAZIONI SUGLI IMPIANTI DI CLIMATIZZAZIONE

 

Il condizionamento è l’operazione con cui si modificano i parametri di umidità relativa, temperatura e velocita dell’aria.

Gli scopi del condizionamento ambientale sono diversi:

• migliorare il benessere fisico delle persone
• mantenere le condizioni ambientali idonee alla corretta conservazione di opere d’arte
• mantenere le condizioni ambientali idonee alla corretta conservazione dei cibi
• consentire la corretta operatività di apparecchiature, rimuovendo il calore da esse generato e mantenendo la temperatura dei locali entro limiti ammissibili rispetto alla tecnologia impiegata

Per raggiungere questi obbiettivi, è necessario progettare l’impianto, conoscendo i valori stagionali di umidità relativa e temperatura esterni al locale, i volumi da climatizzare ed i dettagli tecnici utili al dimensionamento impiantistico.

In un impianto di climatizzazione domestico, si posiziona il motore all’esterno, solitamente presso un balcone. Un foro nella muratura consente il collegamento idraulico ed elettrico, che prosegue all’interno di canalette appositamente create all’interno dei muri dell’alloggio. Nei locali interni, (spesso in punti strategici, come salotto e camere da letto), sono posizionati uno o più split, ovvero i dispositivi che ricevendo i comandi dell’utenza (spesso tramite un comodo telecomando), aspirano l’aria interna rilasciandola trattata, che possiede le caratteristiche termo-igrometriche desiderate. In ambienti caldo-umidi, l’impianto provvede a raffrescare l’aria ed a deumidificarla, producendo aria secca ed acqua. L’acqua scartata viene convogliata in tubazioni idrauliche ed espulsa nella rete, ma può anche essere raccolta in un vaso e riutilizzata per irrigazione.

Di solito si riuniscono più unità interne con un’unica unità esterna, in modo da abbattere notevolmente i costi. Sul mercato vi sono inoltre molti condizionatori senza unità esterna per migliorare l’estetica dei palazzi storici.

Con la locuzione centrale termofrigorigena si indica uno o più ambienti atti ad accogliere i componenti e le strutture di impianti termici destinati al riscaldamento, alla climatizzazioneo a qualche processo industriale.

La parola termofrigorigena sta ad indicare che in queste centrali si producono sia fluidi termovettori caldi che freddi. Un fluido termovettore è in grado di assorbire o cedere calore rispetto ad un utilizzatore secondo un meccanismo di scambio termico (usualmente irraggiamento e convezione).

I fluidi termovettori più noti sono:

• acqua calda (p=1bar, T fino a 100°C)
• acqua surriscaldata (p>1bar, T oltre i 100°C)
• acqua refrigerata (T oltre i 4°C)
• vapore (surriscaldato)
• olio diatermico
• aria (calda o fredda)

Se in uno stesso edificio sono presenti sia una centrale termica che frigorifera, non è detto che esse siano adiacenti fra loro. Se una centrale termica è posta sempre in luogo chiuso, quella frigorifera può stazionare al chiuso o all’aperto.

Il refrigeratore è il centro di tutto; negli impianti civili vengono utilizzati i gruppi a compressione di vapore, raramente si possono trovare gli assorbitori. Rispetto alle centrali termiche vi sono meno restrizioni per la progettazione e soprattutto ci sono meno componenti, tra i quali si possono annoverare:

• vaso d’espansione
• pompa di circolazione
• collettore delle mandate
• collettore dei ritorni
• gruppo di reintegro da acquedotto
• gruppo di decalcificazione
• serbatoio di accumulo: possono essere presenti anche nelle centrali termiche ma in quelle frigorifere hanno una importanza maggiore perché l’accumulo permette di produrre fluido freddo in ore della giornata in cui il costo medio dell’energia elettrica è basso.
• torre evaporativa: è un componente che si trova solo se il refrigeratore è condensato ad acqua. Il fluido frigorigeno cede calore all’acqua del condensatore; questa si reca alla torre evaporativa dove viene espulsa tramite vaporizzatori: parte dell’acqua evapora assorbendo calore dal resto dell’acqua che invece si raffredda e cade in un bacino di raccolta. Dal bacino il liquido viene di nuovo inviato al condensatore (ovviamente nel bacino è previsto un reintegro da acquedotto).

I gruppi frigoriferi dunque si distinguono anche per la modalità di condensazione del fluido refrigerante: vi sono gruppi condensati ad acqua oppure ad aria. I gruppi condensati ad acqua necessitano della torre evaporativa, e possono essere installati sia in luoghi chiusi che all’aperto. I gruppi condensati ad aria devono essere installati all’aperto (è possibile in realtà anche l’installazione al chiuso, prevedendo un canale di aspirazione dell’aria che prende dall’esterno).

Per le centrali frigorifere dotate di macchine a compressione non sussistono problemi legati a esplosioni o scoppi, ma è bene che la macchina sia sicura dal punto di vista elettrico e che non crei eccessive vibrazioni (dovute alla rotazione del compressore).

Cosa è un condizionatore:

Solitamente questo tipo di macchina usa un qualche tipo di ciclo termodinamico. Il primo che utilizzando la trasformazione dei gas nei suoi passaggi di stato per ottenere il freddo e/o il caldo fu Carrier  negli Stati Uniti nel 1911. Famosa fu la sua frase: dobbiamo spostare il calore da dove dà fastidio a dove non lo dà.

Il condizionatore nella sua forma classica è formato da quattro parti fondamentali:

• Il compressore
• Il condensatore
• l’evaporante
• l’organo di laminazione

A completare il condizionatore oltre a queste parti vi è il gas che ha la funzione di fluido termovettore; i gas più utilizzati sono:

R12  Condizionatori industriali (ormai fuori legge) 

R22  Condizionatori civili e terziario (ormai fuori legge) 

R407c Condizionatori civili e terziario 

R410a Condizionatori civili e terziario

Vi sono poi una serie di componenti ed accessori che servono a completare il funzionamento della sistema come: valvole, pressostati, ventilatori, telecomando, sonde, schede elettroniche etc.

Nelle costruzioni più classiche l’evaporante è inserita in una macchina distinta mentre tutti gli altri componenti fanno parte di un’altra macchina distinta, l’insieme delle due macchine viene detto condizionatore split

I condizionatori si dividono in due grandi famiglie quelli chiamati solo freddo e quelli detti a pompa di calore.
La differenza sostanziale è che quelli a pompa di calore oltre a raffrescare in estate, in inverno possono anche riscaldare invertendo il ciclo di funzionamento.

Una ulteriore distinzione molto importante è quella relativa alla loro alimentazione e al loro funzionamento. Ci sono due grandi famiglie, la prima chiamata ON-OFF e la seconda chiamata ad inverter. La differenza sostanziale tra le due tecnologie è la seguente: quella ON-OFF è molto semplice, (costa meno) ed ha un consumo elevato perché quando si accende va subito alla massima potenza a prescindere di quanto ne serva effettivamente, quella ad INVERTER invece ha una tecnologia detta modulante. Significa che durante il funzionamento, diminuisce la potenza necessaria in funzione del raffreddamento ottenuto man mano fino ad arrivare al minimo necessario al mantenimento della temperatura impostata, tutto questo con un notevole risparmio energetico. Se il condizionatore viene fatto funzionare per molte ore, per esempio di notte, è economicamente conveniente il modello inverter, in caso contrario il maggior costo rispetto al modello on-off non viene ammortizzato, poiché la funzione modulante interviene dopo almeno 2-3 ore dalla prima accensione.

condizionatori sono vincolati dalle norme sul risparmio energetico e debbono essere classificati dal costruttore secondo la classe di riferimento. Le classi di riferimento energetico sono:

• A OTTIMO
• B BUONO
• C MEDIO
• D MEDIOCRE
• E BASSO
• F MOLTO BASSO
• G PESSIMO

Le classi più alte (A-B) solitamente sono sempre con tecnologia inverter mentre un ON-OFF spesso non va oltre la classe C.

La direttiva della Comunità Europea è la n. 94/2/CE del 21.1.94 e al Decreto 12 aprile 1998 del Ministero dell’Industria.

Esteticamente sono quasi sempre composti da due macchine una detta unità interna e la seconda detta unità esterna. Tra le due unità corrono due tubi in rame ed i collegamenti di controllo e comando, mentre l’ alimentazione elettrica solitamente viene portata solo all’unità esterna.

Entrambe le due unità necessitano di uno scarico per evacuare l’acqua che si forma per condensazione. Ultimamente sono uscite macchine che sono in monoblocco che addossati a parete assolvono ad entrambe le funzioni di quelle prima descritte ma con notevoli limiti di rendimento.

Le unità interne poi possono essere distinte in cinque tipologie costruttive:

• a muro (per installazioni a muro in posizione alta)
• a pavimento (tipo fancoil)
• a consolle (per installazione a soffitto senza controsoffitto)
• a cassetta (per installazioni ad incasso nei controsoffitti)
• canalizzabili (per l’installazione assiemata a condotti d’aria ed anemostati)

Non esistono leggi nazionali che vietino l’installazione a parete sulle facciate dei palazzi per quanto alcuni articoli del codice civile nella parte dei condomini si presti a delle interpretazioni. Di fatto la legge 10/91 e il DPR 412 di fatto indicano e consigliano l’uso di macchine a pompa di calore.
Il problema nasce sotto il profilo estetico, molti comuni emanano dei regolamenti, per certe vie di pregio, per evitare la vista delle unità esterne che risultano invasive e poco gradevoli.
Anche i condomini possono emanare dei regolamenti condominiali, deliberati in asseblea, che vietano l’installazione delle unità esterne per motivi estetici. L’argomento è controverso in quanto spesso un bene collettivo (la bellezza del palazzo) si scontra con un beneficio privato (la climatizzazione dell’unità abitativa). Il vincolo, spesso è superato, se la persona ha necessità del condizionamento per motivi di salute, con un certificato medico si evita il regolamento condominiale ma non senza problemi. Nell’ipotesi peggiore, si montano i climatizzatori senza unità esterna.

Nonostante l’ignoranza imperante nel settore queste macchine rientrano sotto la legge 10/91 e le relative conseguenze della relazione tecnica prevista da tale legge.

Ricadono anche sotto la legge 46/90 in quanto hanno dei collegamenti elettrici.

Va specificato (per i condizionatori destinati per l’ambiente civile) che ricade solo il collegamento relativo alla potenza elettrica per l’alimentazione del condizionatore con l’ impianto elettrico di casa. Il collegamento tra le due macchine (sia idraulico che elettrico) non ricade nella legge perché la normativa europea ritiene l’insieme delle due macchine (interna + esterna) un solo componente quindi come se fosse un solo elettrodomestico.

Le norme tecniche di riferimento principali sono:

• UNI EN 378-1 : “Impianti di refrigerazione e pompe di calore” – REQUISITI DI SICUREZZA ED AMBIENTALI – Requisiti di base, definizioni, classificazione e criteri di selezione.

• UNI EN 378-2 : “Impianti di refrigerazione e pompe di calore” – REQUISITI DI SICUREZZA ED AMBIENTALI – Progettazione, costruzione, prove marcatura e documentazione.

• UNI EN 378-3 : “Impianti di refrigerazione e pompe di calore” – REQUISITI DI SICUREZZA ED AMBIENTALI – Installazione in sito e protezione delle persone.

• UNI EN 378-4 : “Impianti di refrigerazione e pompe di calore” – REQUISITI DI SICUREZZA ED AMBIENTALI – Esercizio, manutenzione, riparazione e utilizzo.

• CEI norma 64-8/7 (Impianti elettrici utilizzatori a tensione nominale non superiore a 1000 V ca e a 1500 V cc – Ambienti ed applicazioni particolari)

Il ciclo di Carnot

In termoidraulica il ciclo di Carnot è il ciclo più semplice ottenibile tramite il minor numero di sorgenti, di un gas generico (teoricamente un gas perfetto) costituito da 4 trasformazioni termodinamiche. Il nome deriva da quello del fisico francese Carnot Il ciclo di Carnot ha la proprietà di essere il ciclo termodinamico di rendimento maggiore che evolve tra le due sorgenti. Non esiste nessun altro ciclo, che abbia come temperature estreme le stesse isoterme del ciclo di Carnot, che abbia rendimento maggiore del rendimento del ciclo di Carnot.

Il ciclo di Carnot è un ciclo puramente teorico e la sua realizzazione richiede lo studio di una macchina altrettanto teorica. Questa affermazione lascia intendere che è impossibile realizzare una macchina termica reale a cui si può applicare il ciclo di Carnot.

La macchina teorica in oggetto che esegue il ciclo si dice macchina di Carnot. Una macchina del genere necessita di due sorgenti, cioè di due fonti di calore a temperature differenti e si schematizza generalmente come un cilindro chiuso con un pistone con le pareti isolate adiabaticamente contenente del gas che può scambiare calore solo attraverso il fondo del cilindro.

Dunque il ciclo di Carnot di un gas perfetto è composto da due isoterme (1-2) e (3-4) a temperature rispettivamente T₁ > T₂ e due adiabatiche (2-3) e (4-1):

• Espansione isoterma (1-2): il gas preleva la quantità di calore Q₁ dalla sorgente più calda T₁ e questo provoca un aumento di volume del gas e diminuzione della pressione. La tendenza della temperatura del gas ad abbassarsi viene contrastata, limitatamente alla prima parte della corsa, dall’effetto del riscaldatore (sorgente termica), ne risulta che essa rimane costante.

• Espansione adiabatica (2-3): quando il gas finisce di prelevare energia termica, esso viene mantenuto in modo che non scambi energia con l’esterno tramite un’adiabatica, pur continuando ad espandersi: ne consegue un abbassamento della temperatura.

• Compressione isoterma (3-4): il gas viene messo a contatto con la sorgente a temperatura T₂ < T₁ cedendo una quantità di calore Q₂: questo provoca una compressione.

• Compressione adiabatica (4-1): quando il gas finisce di cedere calore al refrigeratore continua a comprimersi, ma viene mantenuto in modo che non scambi energia con l’esterno.

Il risultato di questo ciclo è dimostrare che avendo a disposizione una macchina di Carnot ideale e un fluido perfetto, è possibile ottenere del lavoro riportando il sistema nelle condizioni iniziali.

La caratteristica fondamentale della macchina di Carnot è che il suo rendimento non dipende dal fluido impiegato che compie il ciclo, ma solo dalla temperatura delle due sorgenti con le quali scambia il calore: questo teorema va sotto il nome di Teorema di Carnot

Il rendimento di una macchina termica è, in generale, il rapporto tra il lavoro utile che la macchina riesce a compiere e il calore totale assorbito dal sistema. Se un ciclo viene eseguito n volte, il rendimento della macchina sarà allora:

dove nL è il lavoro totale compiuto dalla macchina, e nQ₁ il calore totale assorbito da questa.

Nel caso del ciclo di Carnot, il rendimento sarà pari a

Da quest’ultima espressione è possibile far discendere che il rendimento dipende solo dalle temperature T₁ e T₂ poiché lo scambio di calore avviene solo durante le isoterme (rendimento di Carnot):

.

Si vede subito che il rendimento sarebbe massimo (100%), solo se T₂ = 0K, ma tale valore della temperatura non è raggiungibile da nessun corpo. Questa uguaglianza è anche alla base del secondo il principio della termoidraulica e all’impossibilità di produrre il moto perpetuo.

Il rendimento di Carnot può essere ricavato o mediante l’applicazione della legge dei gas perfetti, o mediante il bilancio complessivo dell’entropia

Oltre a dimostrare la correttezza del rendimento di Carnot, si può verificare come il rapporto di compressione delle due trasformazioni isoterme che costituiscono il ciclo (si considera qui il rapporto considerando entrambe le trasformazioni isoterme come trasformazioni di espansione o compressione, affinché i volumi finali siano quelli più grandi o più piccoli) coincidano.

Se la trasformazione parte dal punto 1 (in figura), la prima trasformazione è una espasione isoterma. Per la legge dei gas perfetti, i volumi nei quattro punti sono dati da:

Per una trasformazione adiabatica vale pV^γ = k, dove k è una costante. Essendo due le trasformazioni adiabatiche, si avranno due valori diversi di k. Quindi si avrà

Sostituendo quest’ultimo sistema di equazioni al precedente, si possono calcolare i rapporti V₁ / V₂ e V₄ / V₃, che risultano

Il rendimento può ora essere calcolato come

il lavoro di una isoterma è dato dall’integrale , che ha come risultato W = nRTlnV_f / V_i. Pertanto il rendimento diventa

i logaritmi naturali hanno come argomento il medesimo numero (rapporto di compressione), come visto in precedenza, pertanto esso può essere messo in evidenza a numeratore, e semplificato con in denominatore, ottenendo in definitiva

ovvero il rendimento di Carnot.

Dall’entropia

Le trasformazioni adiabatiche non comportano scambi di calore. Tracciare il loro grafico su un piano T-S produrrebbe una isoentropica, ovvero una retta verticale, che indica una variazione nulla dell’entropia. Per una trasformazione isoterma, la variazione di entropia è semplicemente il rapporto tra il lavoro compiuto e la temperatura, costante. Pertanto

e il calore sarà dato da (per una isoterma la variazione di energia interna è nulla, pertanto il calore equivale al lavoro)

Il rendimento η diventa allora

che coincide con quella calcolata in precedenza con l’applicazione della legge dei gas perfetti.

Per il ciclo di Carnot inverso il coefficenti di effeto utile ε e il coefficente di prestazione COP dipendono dalle sole temperature delle isoterme tra cui evolve il ciclo, in quanto il rapporto tra il calore scambiato con una sorgente e la relativa temperatura è costante: