I moderni edifici devono essere progettati e costruiti per garantire il benessere umano, concorrendo al mantenimento di diverse tipologie di comfort tra i quali quello termico. A tale scopo, negli edifici di nuova costruzione ed in particolare in quelli industriali, commerciali, ospedalieri e scolastici, sono largamente utilizzate le unità di trattamento aria (UTA). Le UTA sono macchine modulari che vengono composte in maniera tale da permettere il corretto trattamento dell’aria primaria, prima di inviarla all’interno dell’ambiente da climatizzare. L’aria viene controllata sia dal punto di vista termo-igrometrico (temperatura ed umidità relativa), sia dal punto di vista della purezza, mediante opportuna filtrazione.
Le varie sezioni che compongono una UTA servono ad effettuare i seguenti processi:
- riscaldamento dell’aria tramite le batterie di pre e post riscaldamento;
- raffreddamento dell’aria attraverso la batteria di raffrescamento;
- deumidificazione con l’uso della batteria di raffrescamento e quella di post-riscaldamento.
- umidificazione attraverso l’umidificatore;
- filtrazione dell’aria sia di ripresa sia esterna;
- ricambio d’aria attraverso la camera di miscela con l’uso delle serrande;
- recupero del calore ed eventualmente dell’umidità dell’aria attraverso l’inserimento di recuperatori di calore.
- serranda di regolazione
- separatore di gocce
- ventilatori
- camera di miscela
Nei paragrafi successivi approfondiremo i processi di regolazione che coinvolgono le batterie di trattamento presenti nelle UTA.
Nelle UTA più complete (fig.10) sono presenti generalmente tre batterie:
- pre-riscaldamento,
- riscaldamento/raffrescamento
- post-riscaldamento.
Nelle UTA più semplici (fig.11) invece è presente una sola batteria che funziona in riscaldamento o in raffrescamento e tratta esclusivamente l’aria ambiente.
Nella presente trattazione ci soffermeremo sulle UTA di tipo idronico, ovvero quelle in cui il fluido termovettore che alimenta le batterie di trattamento è acqua calda o refrigerata. Queste ultime, sono progettate per cedere o sottrarre calore all’aria, scambiando quindi la potenza termica di progetto. Sono tipicamente costituite da tubi con alettature più o meno fitte (“passo” della alettatura), disposti in sequenze dette “ranghi”. Il passo di alettatura ed il numero di ranghi sono i parametri principali che influenzano sia le caratteristiche di scambio termico della batteria, sia le perdite di carico generate dal passaggio dell’aria. Il loro dimensionamento viene quindi eseguito al fine di consentire il corretto trasferimento di calore tramite una superficie di scambio sufficiente, ed allo stesso tempo limitando le perdite di carico dei flussi d’aria che le attraversano.
Durante il normale funzionamento delle UTA, la potenza termica scambiata dalle batterie di trattamento deve adattarsi all’effettivo carico richiesto. Nelle pagine successive vedremo come questo sia possibile grazie ad una opportuna regolazione delle portate di alimentazione.
La regolazione della batteria di trattamento dell'aria
La batteria di trattamento dell’aria delle UTA più semplici (con un solo ventilatore) ha in genere un duplice scopo: riscaldamento e raffrescamento dell’aria. Sono regolate attraverso la modulazione della portata d’acqua con una valvola a 3 vie in impianti a portata costante, oppure a 2 vie in impianti a portata variabile. Si preferisce la regolazione modulante poiché lo scambio termico all’interno delle batterie ha una inerzia termica molto bassa. Una regolazione di tipo ON/OFF causerebbe continue accensioni e spegnimenti della batteria portando a oscillazioni eccessive della temperatura dell’aria in mandata.
La valvola di regolazione è controllata da un regolatore che generalmente riceve come input il valore della temperatura dell’aria ambiente di ripresa.
La regolazione della batteria di pre-riscaldamento dell’aria
Questa batteria, presente nelle UTA più complete, è il primo componente che viene a contatto con l’aria durante la climatizzazione invernale. Ha il compito di scaldare l’aria in modo da aumentarne la temperatura mantenendo invariata l’umidità assoluta. In uscita si ottiene aria calda ma secca e quindi non idonea per essere immessa in ambiente. La successiva sezione umidificante arricchisce l’aria di acqua nebulizzata riportando l’umidità ai livelli di comfort.
Si ricorre all’uso della batteria di preriscaldamento come funzione antigelo, quando l’aria immessa dall’esterno è molto fredda, oppure in sistemi caratterizzati da canalizzazioni ramificate in cui il post-riscaldamento è affidato a batterie periferiche.
Se la batteria è utilizzata in funzione antigelo è possibile una regolazione ON/OFF attuabile con valvola a 3 vie per mantenere la portata costante nell’impianto. Se invece la batteria è utilizzata come pre-riscaldamento è opportuno utilizzare una regolazione modulante con valvola a 2 vie. In entrambi i casi la gestione viene affidata ad un regolatore dotato di sonde di temperatura dell’aria ambiente (in uscita dalla UTA) e dell’aria esterna (aria di rinnovo).
La regolazione della batteria di raffreddamento dell’aria
Questa batteria può funzionare sia in riscaldamento sia in raffrescamento ma, di solito, viene utilizzata durante la climatizzazione estiva. È dotata inoltre di una vasca per l’eventuale raccolta dell’acqua di condensa. In uscita da questa batteria l’aria non può ancora essere immediatamente immessa in ambiente poiché presenta un’umidità relativa elevata (circa il 90 %): la formazione di condensa diminuisce l’umidità assoluta e, allo stesso tempo, a causa del raffreddamento dell’aria aumenta l’umidità relativa (vedi Approfondimento). Per questo motivo è sempre presente un deumidificatore (o separatore di gocce) in grado di riportare i valori igrometrici ai livelli di comfort.
La regolazione è effettuata modulando la portata sulla batteria fredda con una valvola a 2 o a 3 vie comandata da un regolatore. Quest’ultimo rileva l’umidità e la temperatura ambiente nel canale di mandata oppure, talvolta, sul canale di ripresa. In alcuni casi la batteria di raffreddamento può svolgere anche la funzione di riscaldamento quando non è presente la batteria di post-riscaldamento.
La regolazione della batteria di post-riscaldamento dell’aria
La batteria di post-riscaldamento è in genere utilizzata in abbinamento a quella di raffreddamento dell’aria per riportarla alle condizioni di progetto. Per ottenere, infatti, il livello di umidità ottimale si tende ad abbassare la temperatura dell’aria al di sotto della temperatura di set-point in modo che condensi parte del vapore acqueo contenuto. L’aria in ingresso alla batteria di post-riscaldamento ha un’umidità relativa alta. Occorre quindi riscaldare l’aria per aumentare la temperatura, mantenere l’umidità assoluta costante e riportare l’umidità relativa entro limiti confortevoli che si aggirano di solito intorno al 50 % o 60 %.
La regolazione avviene tramite valvola a 2 o 3 vie modulante controllata da un regolatore che riceve il valore della temperatura dell’aria ambiente e, come controllo, quella dell’aria esterna immessa.