L`efficienza della ventilazione

PROGETTAZIONE
L’efficienza della ventilazione
La denominazione generica di Indoor
Air Quality per definire le condizioni
di salubrità all’interno degli edifici
spesso non restituisce in modo
esaustivo la realtà delle situazioni
che si producono. Uno dei fattori
responsabili di questa distonia è il
valore, non sempre sufficientemente
approfondito, dell’efficienza di
ventilazione, visto anche come
conseguenza diretta dei ricambi d’aria
esterna
Luca Ferrari
Lo scopo principale di un impianto di ventilazione è di rimuovere gli agenti inquinanti che non possono essere eliminati convenientemente in qualunque altro
modo e mantenere in tal modo le condizioni di salubrità in ambiente.
In apparenza, questa che dovrebbe essere
una semplice e continua operazione di rimozione e sostituzione in ambiente della
quantità d’aria “esausta”, in realtà risulta un’operazione complessa che investe
tutta una serie di fattori nel campo della climatizzazione in generale, primi fra
tutti le condizioni di IAQ e di risparmio
energetico.
Prova ne è che a questo fine negli ultimi
anni sono state prodotte e successivamente aggiornate diverse normative rivolte a
specificare le condizioni ambiente indoor
(UNI EN 15251), in cui si osservano con
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particolare attenzione nella ventilazione
degli ambienti, i valori dei ricambi d’aria
esterna.
Nonostante ciò, risulta a tutt’oggi molto
impegnativo e difficilmente schematizzabile una valutazione sull’efficienza della
distribuzione dell’aria in ambiente.
Inoltre è bene ricordare che la presenza
degli occupanti modifica a volte in modo
sostanziale il processo di ventilazione e diluizione degli inquinanti, compromettendo spesso i risultati previsti.
Gli indici di ventilazione
Espresso in termini di disturbo, un sistema di ventilazione può assumere una caratteristica simile a quella descritta nella
figura 1.
Da qui è facile osservare che fino a un
determinata portata d’aria gli effetti po-
sitivi della ventilazione aumentano con
l’aumento della portata, in quanto viene
diminuita la concentrazione delle sostanze inquinanti. Viceversa, quando la portata d’aria raggiunge un valore ottimale, un
qualsiasi aumento supplementare arreca
soltanto un effetto marginale sulla diluizione degli agenti inquinanti o sull’abbassamento della temperatura. In compenso,
aumentano in modo più che proporzionale
gli effetti indesiderati delle correnti d’aria
e della rumorosità in ambiente.
Se a queste semplici considerazioni si aggiunge, come ormai è ampiamente noto, che non solo la quantità della portata
d’aria immessa in ambiente determina le
condizioni di IAQ, è facile definire un indice di efficienza di ventilazione che sostanzialmente contraddistingue il processo di
miscelazione dell’aria e la distribuzione di
una sostanza inquinante all’interno della
zona occupata.
Allo stesso modo, sono stati individuati
diversi altri indici idonei a valutare in maniera specifica le caratteristiche della ventilazione degli ambienti climatizzati.
E’ dunque importante conoscere e interpretare i distinti indici per avvalersi di una
buona comprensione delle caratteristiche
intrinseche del processo di ventilazione.
Efficienza di ventilazione
E’ buona cosa partire dalla definizione
dell’efficienza di ventilazione così come riportata nella norma UNI EN 15251/2008
che definisce lo standard generale delle
condizioni ambientali indoor. Essa descrive
la relazione tra la concentrazione dei contaminati nell’aria immessa, nell’aria espulsa e nell’aria ambiente nella zona occupata (o meglio nella zona di respirazione):
V =
cEHA – c SUP
cIDA – cSUP
dove
ev = efficienza di ventilazione
c EHA = concentrazione dei contaminati
nell’aria espulsa
c IDA = concentrazione dei contaminati
nell’aria ambiente
c SUP = concentrazione dei contaminati
nell’aria immessa
L’efficienza di ventilazione dipende dalla distribuzione dell’aria e dal tipo e dalla
quantità di contaminati diffusi presenti.
E’ dunque possibile avere differenti valori
per diversi contaminati.
Nel caso di completa miscelazione dei contaminanti questo valore è uguale a 1.
L’indice di efficienza di ventilazione è a sua
volta basato su una valutazione “dell’età” dell’aria e sulla distribuzione di concentrazione della sostanza inquinante in
ambiente.
Queste due funzioni vengono individuate in indici che rappresentano l’abilità
dell’impianto di operare lo scambio dell’aria in ambiente e di efficacia di rimozione
delle sostanze inquinanti.
Alcuni indici sono basati sui valori mediani
misurati sull’intero volume dell’ambiente,
mentre altri si riferiscono esattamente a
indicazioni per punti o posizioni specifiche. Ciò ha conseguenze importanti perché mentre i valori medi in ambiente forniscono una indicazione sulle prestazioni
generali di un sistema di ventilazione, i
valori spazio-specifici mostrano le regioni
dove si potrebbe realizzare una ventilazione localizzata insufficiente.
Entrambi gli indici, medi e localizzati, sono quantità misurabili con la tecnica del
gas tracciante e possono essere previsti
anche attraverso calcoli di fluidodinamica
computazionale.
Efficienza del ricambio d’aria
Come si è detto, una via per valutare l’efficacia del processo di ventilazione è quella
di osservare la frequenza con cui si ricambia l’aria nell’ambiente ventilato.
L’età dell’aria viene misurata dal momento
in cui viene immessa in ambiente.
L’età media dell’aria (t–) è un concetto statistico basato sulla somma mediana della
distribuzione dell’età dei suo componenti
in tutti punti del locale (figura 2).
È intuitivo che, tanto più breve sarà l’età
media dell’aria ambiente, tanto più efficiente risulterà la ventilazione del locale
stesso.
L’età media dell’aria nel punto di espulsione (tn ), viene espressa dalla relazione:
n =
V
qV
Il valore della costante di tempo nominale tn dipende dunque solo dal volume
dell’ambiente (V) e dalla portata di ventilazione (qv).
Il valore minimo di ricambio d’aria nell’ambiente tn, lo si ottiene con un flusso a pistone (figura 3).
Viceversa, per tutti gli altri processi di
ventilazione il tempo medio di ricambio
dell’aria tr, ossia il tempo di ricambio reale dell’intera portata d’aria in ambiente, dipende, oltre che da tali fattori (V,
qv), anche dall’andamento del flusso d’aria nel locale stesso e può dunque variare a seconda che la diffusione avvenga
per normale miscelazione o per dislocamento.
L’efficienza media del ricambio d’aria ea
può così essere determinata dal confronto
del minor tempo di ricambio possibile tn,
in relazione con il tempo medio reale con
1 Andamento
della variabile
disturbante
in ambiente
in funzione
dell’aumento
della portata d’aria
di ventilazione.
Si noti come oltre
una determinata
portata d’aria la
linea tratteggiata
dei disturbi
ricominci a
crescere.
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cui viene effettivamente ricambiata l’aria
in ambiente tr.
a =
n
⋅ 100 = n ⋅ 100 [%]
r
2
La seconda relazione mette in evidenza come l’efficienza media del ricambio d’aria
possa essere espressa anche dal rapporto
tra la minore possibile età media dell’aria
n
2
e l’età media dell’aria (t–).
Come detto, il tempo medio di ricambio
dell’aria tr può essere determinato con l’utilizzo di gas traccianti (esafloruro di zolfo SF6).
Con una miscelazione perfetta, l’efficienza
media di ricambio d’aria vale 50%.

V
 r == 2 q 
V
In pratica, l’efficienza di ricambio d’aria rivela se nell’ambiente c’è tendenza al ristagno d’aria o al dislocamento (tabella 1).
Allo stesso modo, è possibile definire
l’efficienza di ricambio aria in una zona
specifica dell’ambiente ventilato, in particolare nella zona occupata, in modo da
comprendere se il ricambio d’aria nella
zona occupata (meglio ancora nell’area
di respirazione) è più rapida che nel resto del locale.
Efficacia della rimozione
dei contaminati
Le stesse considerazioni sviluppate per l’efficienza di ricambio d’aria possono essere
trasposte per valutare la rimozione degli
inquinati dall’aria ambiente. Di solito un
agente contaminate “nasce” in ambiente
attraverso il rilascio da parte di processi,
materiali e corpi disturbanti e viene dapprima diluito attraverso l’apporto di aria
di ventilazione (esterna e non), e successivamente rimosso attraverso le prese di
espulsione.
La qualità dell’aria in termini di concentra-
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2 L’età media dell’aria in un punto del locale è il connubio dei diversi tempi di
permanenza e di contaminazione in ambiente dei suoi componenti.
L’età media dell’aria nel punto di espulsione (tn ), rappresenta il tempo minimo di
ricambio totale dell’aria nell’ambiente.
zione dell’agente inquinante dipende dai
seguenti fattori:
– il tasso di produzione dell’agente inquinante;
– la portata d’aria;
– la distribuzione dell’agente inquinante
all’interno dell’ambiente;
– la distribuzione dell’aria all’interno
dell’ambiente;
– la distribuzione dell’aria e dell’agente inquinante all’interno dell’ambiente dipende
dalla proprietà del contaminate (più leggero,
più pesante o della stessa densità dell’aria);
– temperatura dell’aria di ricambio rispetto alla temperatura ambiente;
– posizione dei diffusori di mandata e di
ripresa dell’aria;
– posizione delle fonti di calore in ambiente.
In relazione a ciò, un modo per determinare
l’efficienza di ventilazione è di confrontare
la concentrazione di un dato contaminante
prelevato nell’aria di ripresa dall’ambiente
considerato con la concentrazione media
del contaminate nel medesimo ambiente:
c
c = e
c
Tab. 1 – Efficienza media del ricambio d’aria (ea) in relazione della
tipologia di distribuzione dell’aria.
Tipo di distribuzione
Completa e perfetta miscelazione
Flusso a pistone (unidirezionale)
Dislocamento
In corto circuito
Efficienza media
50%
100%
50 - 100%
<50%
3 Nel caso di flusso
unidirezionale (a pistone), l’età
media complessiva dell’aria in
ambiente (t) è pari alla metà del
tempo minimo di ricambio totale
(tn). In questo caso l’efficienza
di ricambio d’aria raggiunge il
limite insuperabile del 100%.
4 In presenza nel locale di zone di
stagnazione, la concentrazione media
dei contaminati nell’aria in ambiente
risulta maggiore della concentrazione dei
contaminati nell’aria espulsa, diminuendo
considerevolmente l’efficienza di
ventilazione.
dove:
ce = la concentrazione dei contaminati
nell’aria espulsa;
c = la concentrazione media dei contaminati nell’aria in ambiente;
In altre parole, l’efficacia di rimozione del
contaminate misura di quanto l’aria viene “pulita”.
Similmente all’efficienza di ricambio aria,
si definisce l’indice locale di qualità dell’aria per verificare se la concentrazione della
sostanza inquinante nell’aria di espulsione è maggiore di quella nella zona di respirazione e dunque l’impianto funziona
in modo corretto.Va comunque ricordato
che i valori della portata d’aria minima di
ventilazione non dovrebbero poter variare
significativamente in funzione dei carichi
di inquinamento.
La normativa americana
La normativa americana Ansi/Ashrae 62.1
e successivi addendum si propone, tra gli
altri scopi, di determinare la minima quantità di aria esterna da inviare in ambiente attraverso l’impianto di ventilazione in
grado di garantire le migliori condizioni di
comfort, salute (e produttività) degli occupanti. In capo alla norma viene definita
Tab. 2 – Efficacia di distribuzione dell’aria nella zona occupata (Ez).
Tipo di distribuzione
Aria fredda immessa dal soffitto
Aria calda immessa dal soffitto e ripresa a pavimento
Aria calda (> 8 °C) immessa e ripresa dal soffitto
Aria calda (< 8 °C) immessa dal soffitto e ripresa. L’aria immessa ha una
velocità di almeno 0,8 m/s e raggiunge un altezza di 1,4 m dal pavimento
Aria fredda immessa dal pavimento e ripresa a soffitto. L’aria immessa ha una
velocità di almeno 0,8 m/s e raggiunge un’altezza oltre i 1,4 m dal pavimento
Aria fredda immessa dal pavimento e ripresa a soffitto. L’aria viene immessa
con il sistema a dislocamento unidirezionale e stratificazione
Aria calda immessa dal pavimento e ripresa a pavimento.
Aria di ricambio immessa in un lato opposto a quello di ripresa e/o espulsione
Aria di ricambio immessa in vicinanza alla ripresa e/o espulsione
Ez
1,0
1,0
0,8
1,0
1,0
1,2
1,0
0,8
0,5
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VRP) o attraverso la qualità dell’aria interna (Indoor Air Quality Procedure - IAQP).
Nel primo caso, la quantità di aria esterna viene predeterminata dal tipo di applicazione, dal livello di occupazione e dalla
superficie ventilata.
In particolare viene cosi definita una portata d’aria esterna circoscritta alla zona
occupata (Breathing Zone) (Vbz):
Vbz = RpPz + RaAz
dove:
Az = superficie netta del pavimento
Pz = numero massimo di persone presenti
in condizioni di normale operatività
Rp = portata d’aria esterna per persona
Ra = portata d’aria esterna per unità di superficie persona
5 Nella Ashrae 62.1, l’efficacia di distribuzione dell’aria nella zona occupata (Ez) cerca
di individuare le inefficienze della miscelazione dell’aria di ventilazione all’interno
dell’ambiente (tabella 2).
In figura, il valore scende a 0.8 in presenza di aria calda immessa dal soffitto e ripresa
complanare.
una premessa che definisce un livello accettabile di qualità dell’aria la condizione
per cui nell’aria di ventilazione non siano presenti concentrazioni ritenute nocive
degli inquinanti conosciuti e soprattutto
quando una maggioranza rilevante (80%
e più) delle persone presenti non esprime
sensazioni di insoddisfazione.
Cosi come avviene in Europa, anche lo
standard 62.1 stabilisce che vi debbano
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essere condizioni di ventilazione sufficientemente efficaci e contemporaneamente
modifica la minima quantità di aria esterna a seconda dell’efficacia del processo
di ventilazione.
In particolare, nella parte 6 della norma,
che costituisce il cuore dell’intera direttiva,
si distingue la procedura di calcolo della
minima aria esterna tra l’utilizzo del tasso
di ventilazione (Ventilation Rate Procedure,
La zona occupata, che è facilmente distinguibile, viene definita come la regione all’interno di uno spazio ben definito in cui l’aria di ventilazione deve essere
fornita. Questo concetto viene precisato
per chiarire la differenza fra l’aria immessa
attraverso le canalizzazioni del sistema di
ventilazione e, viceversa, quella che realmente raggiunge gli occupanti nell’area
occupata.
La capacità dell’impianto di ventilazione
di trasportare l’aria esterna alla zona di respirazione dello spazio occupato può essere descritta da due indicatori: l’efficacia
di distribuzione dell’aria nella zona occupata Ez e l’efficienza di ventilazione del
sistema applicato a ambienti multizona
con ricircolo dell’aria interna Ev.
E’ proprio infatti partendo dalla stima
dell’efficacia di distribuzione dell’aria (simile alla europea efficienza del ricambio
d’aria) che deve essere operata la prima selezione sulla quantità di aria esterna, in quanto importanti (e motivate)
preoccupazioni sono state lungamente
espresse circa le inefficienze della miscelazione dell’aria di ventilazione all’interno
Tab. 3 – Portata d’aria esterna da immettere nei diffusori.
Efficacia di distribuzione
nella zona occupata
Tipo di distribuzione
Portata d’aria esterna alla
zona occupata
Portata di aria esterna da
immettere nei diffusori
1,0
Aria fredda immessa dal soffitto
85
85
1,0
Aria calda immessa dal soffitto
e ripresa a pavimento
85
85
0,8
Aria calda (> 8°C) immessa e
ripresa dal soffitto
85
106
1,0
Aria calda immessa dal
pavimento e ripresa a pavimento
85
85
0,7
Aria calda immessa dal
pavimento e ripresa a soffitto
85
121
Tab. 4 – Efficienza del sistema
di ventilazione (Ev), dove Zp
rappresenta la frazione di aria
primaria esterna.
Massimo (Zp)
Ev
<0,15
1,0
<0,25
0,9
<0,35
0,8
<0,45
0,7
<0,55
0,6
<0,55
Appendice A
dell’ambiente e dunque della possibilità
che l’aria esterna di ventilazione non fosse in grado di raggiungere in modo consistente la zona occupata.
Il valore dell’efficacia di distribuzione
dell’aria viene indicato nella tabella 2 richiamando la normativa Ashrae che lo ricava in funzione del processo di climatizzazione (freddo, caldo, ventilazione,
ricircolo, ecc.) e del tipo di distribuzione
(a soffitto, pavimento, laterale, ecc.).
In generale è facilmente riscontrabile che in
regime di condizionamento il valore di Ez si
approssimi all’unità, mentre diventa minore di uno per processi di riscaldamento, in
quanto la miscelazione con l’aria ambiente e le possibili sorgenti calde comportano
probabili risalite dell’aria (figura 5).
Una volta definita l’efficacia di distribuzione dell’aria si è così in grado di risalire alla
necessaria portata di aria esterna da immettere nei diffusori con la relazione:
Voz = Vbz/Ez
Nella tabella 3 si riportano i valori della
portata d’aria esterna in funzione della
formula indicata.
Il processo di selezione della portata d’aria esterna termina distinguendo gli ambienti in:
– sistemi a zona singola, Vot = Voz;
– sistemi con una portata del 100% di aria
esterna, Vot = Sall zonesVoz;
– sistemi multizona con ricircolo, dove la
portata di aria esterna è data da Vot = Vou/Ev.
Il calcolo di Vou dipende dalla sommatoria di tutte le zone per un coefficiente
di contemporaneità (diversity) e Ev rappresenta l’efficienza del sistema di ventilazione.
Quest’ultimo indice misura l’inefficienza
di un impianto multizone con ricircolo rispetto ad uno con una portata del 100%
di aria esterna.
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