Esiste l’impianto ideale?

Da quando è scoppiata l’emergenza sanitaria, la domanda di tutti gli addetti ai lavori del nostro settore è una sola: qual è l’impianto che consente di ridurre al minimo i rischi di diffusione di virus e contaminanti ambientali?

I requisiti fondamentali che l’impianto ideale deve possedere sono tre:

  • evitare il ricircolo dell’aria (sia locale sia nelle UTA);
  • garantire elevate portate di ventilazione per diluire i contaminanti;
  • evitare la formazione di elevate velocità dell’aria nella zona occupata che possono provocare la trasmissione da persona a persona.

Questi requisiti mettono in forte discussione gli impianti basati su terminali ambiente come fan-coil e unità VRF, come pure gli impianti a tutt’aria con ricircolo. Restano validi invece gli impianti con terminali di tipo radiante, a patto però di aumentare la portata oltre i classici 2 volumi/ora.

Esiste però una soluzione ancora migliore, basata sull’integrazione tra l’impianto e la struttura dell’edificio. Per approfondire la sua conoscenza dobbiamo fare un passo indietro nel tempo.
La tecnica di utilizzare la struttura come mezzo per controllare la temperatura dell’ambiente è vecchia di 2000 anni. Il tepidarium delle terme romane, per riprendere editoriale di questo stesso numero di On Air, costituisce il primo esempio di ambiente riscaldato mediante un sistema radiante, chiamato ipocausto, basato sulla circolazione di aria calda all’interno di uno spazio vuoto ricavato sotto il pavimento. Una soluzione che è stata rivisitata in epoca moderna fino ad arrivare agli attuali pannelli radianti con tubazioni plastiche percorse da acqua calda o fredda, utilizzati quindi anche per il raffrescamento.

Ma l’evoluzione dei sistemi radianti non è finita qui. Il sistema di cui vogliamo parlare, noto con il nome di Concretcool®, si discosta decisamente dalle soluzioni radianti tradizionali e costituisce qualcosa di unico nel suo genere. Esso presenta qualche somiglianza proprio con l’ipocausto romano in quanto combinazione tra un sistema radiante e impianto di ventilazione.
Il Concretcool® consiste nell’integrazione nella struttura di serpentine di tubi in alluminio estruso che vengono utilizzati per la distribuzione dell’aria. I tubi vengono posati all’interno dell’armatura dei solai e successivamente annegati direttamente nel getto. Essi presentano un diametro di 60 oppure di 80 mm e sono dotati di un’alettatura interna a lamelle che garantisce una grande superficie di scambio termico e quindi un’elevata trasmissione di energia verso la massa termica del calcestruzzo.
Durante il periodo estivo l’impianto di trattamento dell’aria, tutta esterna, provvede al suo raffreddamento fino a 13°C per garantirne la deumidificazione. L’aria entra quindi nei tubi, distribuiti su tutta la superficie dei solai, e progressivamente cede la sua energia frigorifera alla massa in calcestruzzo, riscaldandosi fino a 21-22°C, temperatura alla quale viene immessa in ambiente con diffusori ad alta induzione posti a soffitto oppure lineari posti a parete.
In questo modo la struttura dei solai si trasforma in una superficie radiante che accumula e scambia energia frigorifera con l’ambiente occupato, garantendo elevate condizioni di benessere.
Nel funzionamento invernale l’aria esterna viene riscaldata mediante un recuperatore di calore fino a 10-15°C, temperatura alla quale viene distribuita nei tubi dove si riscalda fino a 20-21°C portandosi in equilibrio termico con l’ambiente grazie all’apporto dei carichi interni. Il sistema consente in pratica il riscaldamento passivo e gratuito dell’ambiente mediante il calore endogeno prodotto da persone e apparecchiature (luci e computer), riducendo in modo significativo il fabbisogno termico per la ventilazione. Soltanto nelle condizioni di punta può risultare necessario l’integrazione di calore con terminali alimentati con acqua calda oppure con l’immissione di aria a una temperatura superiore a quella ambiente.
Dal punto di vista del benessere e della qualità dell’aria ambiente, il grande vantaggio consiste nel fatto di immettere nell’ambiente una portata di aria esterna pari a 3 o 4 volumi orari, con la quale si garantisce sia un’efficace ventilazione (e quindi la diluizione dei contaminanti interni) sia il controllo dell’umidità relativa. La temperatura ambiente viene, invece, mantenuta esclusivamente grazie all’effetto radiante dei solai, senza movimenti d’aria fredda e senza stratificazione d’aria calda.
Sempre in termini di IAQ è inoltre da considerare il fatto che i solai sono esposti a vista per garantire l’effetto radiante e ciò consente l’eliminazione dei controsoffitti, che spesso rappresentano un fattore di rischio dal punto di igienico a causa dell’accumulo di polvere e contaminanti.
La potenza frigorifera del sistema dipende essenzialmente dalla portata d’aria utilizzata e dalla densità dei tubi ed è compresa tra 60 e 80 W/m². Il processo di scambio termico è autoregolante e presenta un’elevata stabilità della temperatura ambiente grazie alla capacità di accumulo dei solai in calcestruzzo.

Non solo IAQ

Ma l’aspetto più interessante del sistema è costituito dal fatto che queste elevate prestazioni in termini di benessere e IAQ vengono ottenute con consumi energetici molto contenuti, e ciò grazie alle caratteristiche costruttive e d‘uso degli edifici di nuova costruzione.
Le elevate prestazioni termiche dell’involucro, dettate dai vincoli di legge sul risparmio energetico, si traducono in una forte riduzione del fabbisogno per il riscaldamento invernale degli edifici, ormai diventati quasi “passivi”.
Per contro, l’ampio uso di facciate vetrate e l’elevata produzione di calore dovuta a persone e computer comporta sempre di più la necessità di raffrescare gli ambienti anche nei periodi non strettamente estivi.
La soluzione più conveniente per limitare i consumi energetici per il raffrescamento consiste nello sfruttare al massimo l’aria esterna utilizzata per la ventilazione, che risulta disponibile a bassa temperatura.
Tale concetto è ben noto con il nome di free cooling, ovvero il raffreddamento gratuito degli ambienti senza fare uso di apparecchiature frigorifere, il cui impiego può quindi essere limitato ai soli periodi di punta estivi, con un sensibile risparmio energetico.
Il sistema Concretcool® è in grado di sfruttare al massimo questa opportunità dato che utilizza una portata d’aria esterna superiore a quella dei sistemi di tipo misto con aria primaria.

Un altro vantaggio è rappresentato dal postriscaldamento gratuito in fase estiva: l’aria raffreddata e deumidificata nella UTA viene infatti portata alla temperatura neutra di immissione di 21°C scambiando calore con la massa dei solai, eliminando quindi la necessità di utilizzare batterie ad acqua calda.
Rispetto agli impianti a tutta aria, l’efficienza risulta più elevata in quanto, grazie all’effetto radiante dei solai, è possibile fornire la medesima potenza frigorifera ma con una portata d’aria inferiore, riducendo quindi i consumi dei ventilatori.
Infine, sempre d’estate è possibile abbattere ulteriormente i consumi grazie all’accumulo frigorifero nel periodo notturno: la circolazione nei tubi di aria a bassa temperatura consente infatti di raffreddare la massa che accumula così energia frigorifera da utilizzare il giorno successivo, riducendo l’utilizzo dei gruppi frigoriferi.

Nel complesso i consumi energetici su base annuale risultano intorno a 30 kWh/m², quindi inferiori a quelli di ogni altra tipologia di impianto per uffici. Di conseguenza risulta più semplice realizzare edifici passivi e nZEB, rispettando i requisiti del Decreto 28/2011 sulle fonti rinnovabili, mentre le elevate prestazioni energetiche e l’impiego di una portata d’aria esterna superiore ai valori minimi richiesti dallo Standard ASHRAE 62/2007 consentono di acquisire il massimo del punteggio nelle categorie “Energia e Atmosfera” e “Qualità Ambientale Interna” del protocollo LEED.

I vantaggi per l’architetto e investitore immobiliare

A fronte di tutti questi vantaggi per il progetto degli impianti, quali sono gli aspetti che interessano l’architetto e l’investitore, in particolare per edifici destinati a uffici?

Partiamo dalla considerazione che il sistema presuppone l’eliminazione dei controsoffitti. Oltre a evitare il relativo costo, ciò consente la possibilità di realizzare ambienti con un’altezza superiore di almeno 40cm rispetto a quelli tradizionali. Inoltre gli unici elementi tecnici a vista sono i diffusori dell’aria, se installati a soffitto.

Quando si tratta di un progetto di un edificio di grande altezza, l’eliminazione del controsoffitto presenta invece un altro vantaggio potenziale per l’investitore, ovvero la possibilità di aumentare il numero di piani e quindi della superficie costruita. Ipotizzando un’altezza dell’edificio di 40 metri, con l’altezza di interpiano di 4 metri della soluzione standard si possono realizzare 10 piani, mentre se questa si riduce a 3,6 metri i piani diventano 11.

Altro aspetto importante è la flessibilità, ovvero la capacità del sistema di adeguarsi in modo semplice a modifiche del layout. Ogni modulo di facciata è infatti dotato di un circuito di tubazioni. È quindi possibile modificare la configurazione degli spazi (ad esempio da open-space a uffici singoli) garantendo sempre il controllo del microclima per ogni modulo.

Il sistema consente inoltre la riduzione dei tempi di costruzione, dato che la realizzazione delle opere impiantistiche risulta più veloce grazie all’integrazione dei tubi nei solai.

Infine, nella fase di gestione il Concretcool® garantisce bassi costi operativi grazie non solo alle elevate prestazioni energetiche, ma anche a oneri di manutenzione decisamente inferiori a quelli di impianti che impiegano terminali ambiente dotati di filtri.

Last but not least, il sistema risulta conveniente anche dal punto di vista del costo di investimento economico in quanto integra nello stesso elemento il sistema di climatizzazione e di ventilazione, utilizzando soltanto aria per garantire il controllo di temperatura e umidità e il ricambio igienico.

Concludendo…

Forse l’impianto ideale non esiste ancora, ma sicuramente il Concretcool® rappresenta un’ottima soluzione per la climatizzazione di edifici con estese superfici a pavimento e a soffitto, quali uffici, ospedali e biblioteche e, soprattutto, si presta particolarmente alle aule scolastiche, dove l’elevato affollamento richiede l’utilizzo di un’adeguata portata di aria di ricambio in spazi relativamente ristretti. Esso garantisce infatti in ogni momento un’adeguata ventilazione e condizioni di benessere ottimali, fattori decisivi per la concentrazione, l’apprendimento e l’insegnamento.

Come abbiamo visto, il sistema combina efficienza energetica e qualità dell’aria ambiente, che rappresentano i pilastri fondamentali per realizzare edifici sostenibili in grado di garantire al tempo stesso la salute degli occupanti.

Ciò che forse desta più interesse, e rappresenta una sfida per progettisti e installatori, è il fatto che per sviluppare e adottare un concetto di questo tipo per il progetto di un edificio è necessario seguire un approccio davvero olistico, secondo il quale architettura, strutture e impianti rappresentano discipline intimamente legate ed indissolubili.

Un caso di studio

Situata nel cuore della regione industriale della Ruhr, Recklinghausen è una città di 120 mila abitanti.

Il campus delle due scuole professionali Max Born e Herwig-Blankertz, inaugurato nel 2008, presenta una superficie lorda di circa 37.000m². Destinato a 4500 allievi e 200 insegnanti questo progetto rappresenta un valido esempio di come sia possibile realizzare con successo un progetto innovativo che garantisca condizioni ambientali ottimali per insegnanti e studenti e al tempo stesso un ridotto impatto ambientale dovuto agli impianti di climatizzazione.

La caratteristica peculiare del progetto impiantistico è rappresentata dall’importanza data alla ventilazione, al punto di considerarla come vero elemento centrale. Ciò ha portato alla scelta del sistema Concretcool® in considerazione dell’effetto sinergico in base al quale l’aria necessaria per il ricambio igienico viene utilizzata allo stesso tempo per il riscaldamento o il raffrescamento degli ambienti. L’adozione del sistema si è basata anche sui risultati di accurate simulazioni energetiche. In fase estiva esso consente di sfruttare al massimo il potenziale di raffrescamento gratuito dell’aria esterna durante il periodo notturno e ciò si è rivelato sufficiente per la rimozione del calore dalla massa dell’edificio, in modo da evitare il surriscaldamento degli ambienti e garantire una temperatura ambiente confortevole il giorno seguente.
La portata di aria esterna immessa in ogni aula è pari a 4 vol/h. Essa viene trattata nelle unità poste al piano interrato (dotate di recuperatore a flussi incrociati) e distribuita attraverso canali montanti fino ai piani dove la distribuzione orizzontale avviene attraverso condotti rettangolari (posti all’interno di un’intercapedine tecnica) dai quali si staccano i tubi annegati nei solai. Questi si sviluppano fino alla facciata con un interasse di 62,5cm per terminare con diffusori lineari posti a filo soffitto. L’aria viene immessa lungo la vetrata e fluisce attraverso l’ambiente in senso trasversale fino ad essere estratta attraverso griglie poste nella parte superiore della parete divisoria interna. L’aria attraversa quindi l’intercapedine tecnica, che funge da barriera acustica, e fuoriesce nel corridoio. Da qui essa viene estratta in punti concentrati e riportata alle unità di trattamento per il recupero del calore. Il sistema di distribuzione dell’aria di ventilazione è quindi completamente integrato nella struttura.
Per il riscaldamento delle aule in condizioni di punta invernale sono stati previsti lungo la facciata convettori statici alimentati con acqua calda e nascosti alla vista mediante un mobiletto che funge anche da parapetto. Per garantire una libera circolazione dell’aria, il profilo del mobiletto termina 10cm sopra il pavimento, mentre sul lato superiore è prevista una griglia.
La fornitura di energia termica avviene tramite il collegamento alla rete di teleriscaldamento con una sottocentrale che garantisce la produzione di acqua calda. È stato inoltre previsto un gruppo frigorifero a pompa di calore in grado di produrre, se necessario, acqua calda oppure acqua refrigerata. La pompa di calore è collegata a un impianto geotermico a circuito chiuso con sonde verticali.

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