La rete di distribuzione negli impianti di ventilazione meccanica deve essere dimensionata in modo da garantire il corretto afflusso ed estrazione di aria dagli ambienti. Un dimensionamento errato della rete può generare perdite di carico o velocità eccessive all'interno delle condotte con conseguente diminuzione delle prestazioni del sistema, in quanto non si garantiscono le corrette portate di progetto. Inoltre, velocità eccessive dell'aria possono diminuire il comfort generando rumori, vibrazioni e flussi d'aria fastidiosi all'interno dei locali abitati. Nei paragrafi seguenti spiegheremo come calcolare le condotte aerauliche ed introdurremo i principali metodi di dimensionamento.
DIMENSIONAMENTO AERAULICO
Nei sistemi di ventilazione l'aria viene inviata agli ambienti attraverso apposite canalizzazioni. Il flusso d'aria viene generato da una differenza di pressione tra l'ingresso e l'uscita (fig. 29).
La pressione dell'aria all'interno di una condotta che trasporta un fluido è composta da tre fattori: la pressione statica, la pressione dinamica e quella di quota, come rappresentato dalla formula 2.
Nelle normali applicazioni impiantistiche, le differenze di pressione relative alla quota sono trascurabili. La pressione totale all'interno di una condotta può essere quindi considerata formata da due fattori (fig. 30):
• la pressione statica, che agisce in tutte le direzioni;
• la pressione dinamica, che varia in funzione della velocità del fluido.
Come accennato, il movimento dell'aria in un tratto di condotta avviene quando vi è una differenza di pressione statica tra l'ingresso e l'uscita (fig. 29). Questa differenza di pressione serve a vincere le perdite di energia, distinguibili tra perdite di carico distribuite e perdite di carico concentrate.
Le prime dovute all'attrito del flusso d'aria con le pareti del condotto; le seconde causate dalle turbolenze in corrispondenza di una discontinuità nella sezione della condotta, come diramazioni, curve, ostruzioni e organi meccanici.
Calcolo delle perdite di carico nei condotti aeraulici
La densità dell'aria è notevolmente minore rispetto a quella dell'acqua (circa mille volte). Ciò comporta che, a parità di portata di massa, le condotte d'aria siano di dimensioni maggiori e le velocità al loro interno risultino più alte rispetto a quelle di una tubazione idronica.
Inoltre, le differenze di pressione (o prevalenze) che trasportano l'aria nei condotti risultano decisamente minori rispetto a quelle necessarie per la movimentazione dell'acqua.
Tutti questi fattori fanno sì che la pressione dinamica nelle reti aerauliche, al contrario di quanto avviene in quelle idrauliche, sia un fattore da tenere opportunamente in considerazione (fig. 33).
Negli impianti VMC, l'aria proviene dall'ambiente esterno e viene inviata in ambienti a pressione atmosferica, nei quali la velocità dell'aria può essere considerata nulla.
La prevalenza sviluppata dai ventilatori (differenza tra la pressione a monte e a valle del ventilatore) dovrà uguagliare le perdite distribuite e localizzate dell'intero circuito.
Le perdite di carico distribuite dipendono dai seguenti fattori:
- velocità dell'aria;
- dimensioni del condotto (il condotto di diametro inferiore ha più attrito);
- rugosità del materiale;
- lunghezza del condotto.
Possono essere stimate con diagrammi come quello in fig. 31.
Questi grafici sono validi per i condotti circolari ma i risultati possono essere facilmente estesi a canali di qualsiasi forma attraverso opportune equivalenze.
[Per approfondimento si rimanda alla consultazione di Tabelle e Diagrammi perdite di carico su www.caleffi.com]
Le perdite di carico concentrate sono caratteristiche di ogni variazione puntuale del flusso (curve, cambiamenti di sezione, raccordi, serrande) e vengono calcolate attraverso la formula 3.
I coefficienti ξ invece si ricavano da tabelle come quella riportata in figura 32.
Tra le perdite concentrate è importante considerare nel computo anche la perdita di pressione dinamica, che si verifica quando l'aria entrando in ambiente, attraverso le bocchette o i diffusori, passa dalla velocità di immissione a valori pressoché nulli.
METODO DI CALCOLO A PERDITA DI CARICO COSTANTE
Con questo metodo si dimensionano i vari rami della rete aeraulica mantenendo una perdita di carico lineare costante. Una perdita di carico comunemente utilizzata per un sistema ben progettato è di 0,8 Pa/m di lunghezza del condotto. Valori ridotti a 0,4 Pa/m aumentano le dimensioni del condotto e i costi del 15 %, ma riducono del 50 % la caduta di pressione totale, con un conseguente risparmio dal 15 % al 20 % sui costi di ventilazione.
Vantaggi
- è diretto e semplice;
- riduce automaticamente la velocità dell'aria nella direzione del flusso, garantendo meno rumori;
- è il più appropriato per i sistemi a volume d'aria costante (CAV).
Svantaggi
- deve essere bilanciato;
- non è raccomandato per i sistemi a portata variabile (VAV) (a meno di utilizzare serrande indipendenti dalla pressione);
- non è flessibile e adattabile a futuri cambiamenti di layout;
- tende a sovradimensionare i canali per le alte portate.
METODO DI CALCOLO A VELOCITÀ COSTANTE
Con questo metodo, il dimensionamento delle canalizzazioni viene eseguito mantenendo a valori predefiniti e costanti la velocità del flusso nei condotti. A seconda della tipologia di canalizzazione, principale o secondaria, vengono comunemente utilizzati valori come quelli riportati in tabella 9.
Vantaggi
- metodo più semplice e rapido;
- buon controllo delle rumorosità della rete.
Svantaggi
- tende a sottodimensionare i condotti di piccola dimensione, poiché, a pari velocità dell'aria, sono caratterizzati da perdite di carico maggiori rispetto a quelle di dimensioni più grandi;
- necessita di un adeguato bilanciamento;
- sconsigliato per sistemi a portata variabile;
- non è flessibile e adattabile a futuri cambiamenti di layout.
METODO DI CALCOLO A RECUPERO DI PRESSIONE STATICA
Il recupero statico è il processo di conversione della pressione dinamica (PD) in pressione statica (PS). Come introdotto in precedenza, la pressione statica è il parametro che causa la movimentazione dei flussi d'aria, mentre la pressione dinamica ne è il fattore risultante, dato che dipende dalla velocità stessa.
Questo metodo si basa sulla conversione della pressione dinamica in pressione statica, fenomeno che avviene ogni volta che si verifica una riduzione della velocità in una canalizzazione. Le velocità all'interno del condotto vengono progressivamente ridotte lungo tutta la rete di distribuzione. Ciò consente di recuperare pressione statica, compensando le perdite di attrito tratto per tratto. Questo significa che la pressione statica in prossimità di tutte le diramazioni e tutti i diffusori e, quindi, la progettazione del sistema richiede poco o nessun bilanciamento.
Vantaggi
- bilanciamento della rete è semplificato; pressione statica uniforme su tutti i rami e le uscite;
- eccellente per i sistemi a portata variabile (VAV), grazie a perdite di carico proporzionali al variare della velocità dell'aria. Di conseguenza la rete aeraulica è sempre bilanciata.
Svantaggi
- potrebbe verificarsi una forte caduta di pressione in una sezione vicino all'uscita del ventilatore. La velocità potrebbe essere ridotta al minimo entro poche sezioni in modo tale che tutte le canalizzazioni a valle siano dimensionate utilizzando la velocità minima;
- metodo laborioso: necessita di appositi software di calcolo;
- metodo che porta ad avere alcuni tratti con velocità molto basse. I condotti tendono ad essere molto grandi e sovradimensionati alla fine di lunghe diramazioni.
DIMENSIONAMENTO DELLA DISTRIBUZIONE INTERNA NEI SISTEMI VMC RESIDENZIALI
Le condotte di distribuzione interna dell'aria a servizio degli impianti VMC ad uso residenziale rappresentano una tipologia circoscritta di impianti aeraulici. Per questi canali di distribuzione si possono fare le seguenti ipotesi:
- portate d'aria contenute (in genere da 100 a 500 m3/h);
- portata minima 30 m3/h;
- elevato comfort richiesto (solitamente non si superano velocità di 3-4 m/s all'interno delle condotte).
Sulla base delle precedenti ipotesi è possibile riferirsi ad appositi diagrammi come quelli riportati in seguito per un pratico dimensionamento delle canalizzazioni. Nota la portata di progetto e la tipologia di tubo scelta, è possibile individuare la misura della tubazione che rientra nei corretti parametri di utilizzo.
Tubazioni rettangolari
Vengono utilizzate per realizzare i tratti principali delle reti di distribuzione. Sono fabbricate in acciaio zincato, tranne per le piccole dimensioni dove vengono impiegati materiali plastici. Possono eventualmente essere realizzate in apposito materiale isolante rivestito da lamine di alluminio, in modo da non dover essere coibentate successivamente.
Tubazioni circolari rigide
Vengono utilizzate per realizzare i tratti principali delle reti di distribuzione. Sono fabbricate in materiale plastico o, più comunemente, in acciaio zincato. Possono essere anche realizzate in apposito materiale isolante così da non dover essere coibentate successivamente.
Tubazioni circolari flessibili
Le tubazioni flessibili in commercio sono disponibili in varie dimensioni e tipologie. In genere le misure di diametro più piccolo (DN 63, DN 75 e DN 90) sono di tipo “a schiacciamento” per poter essere annegate nei massetti delle pavimentazioni. Le misure più grandi, in genere utilizzate per il collegamento delle canalizzazioni primarie, sono normalmente realizzate con un’anima a spirale metallica, che permette di avere una struttura flessibile.
