Impianti HVAC a confronto: VAV o travi fredde?

Quando si tratta di scegliere la tipologia di impianto HVAC da adottare in un edificio per uffici è necessario produrre nella fase preliminare un’analisi accurata, se possibile supportata da calcoli e simulazioni, che metta a confronto le prestazioni energetiche e di benessere, unitamente ai costi, delle varie opzioni.

Tale pratica, ancora poco praticata nel nostro paese, rappresenta l’unico modo per avvalorare la scelta che deve essere effettuata sulla base di dati numerici e non solamente sull’esperienza del progettista, che spesso non risulta sufficiente. Bisogna infatti considerare che ogni nuovo progetto è diverso dal precedente, in particolare per quanto riguarda le caratteristiche architettoniche dell’edificio, dalle quali dipende il progetto dell’impianto HVAC.

In questo articolo si riportano i risultati di un’analisi di questo tipo che ha analizzato pro e contro le tipologie di impianto che consentono di garantire le migliori performance: tutt’aria VAV e travi fredde.

L’edificio e le opzioni di impianto

Il progetto oggetto della simulazione riguarda il progetto di un edificio per uffici, ubicato in un sito dal clima temperato, con una superficie di circa 5000 m² e un layout suddiviso in uffici singoli e open-space, sale riunioni e auditorium.

Le tipologie di impianto oggetto del confronto sono state 3:

  • travi fredde;
  • tutt’aria VAV con batterie di postriscaldamento;
  • ibrido, composto da travi fredde e VAV.

Per eseguire il confronto è stata sviluppata una modellazione dei costi di esercizio utilizzando il programma di simulazione energetica EnergyPlus ed è stata eseguita una stima dettagliata dei costi di costruzione.

Travi fredde

Il progetto dell’impianto a travi fredde prevede una UTA funzionante con il 100% di aria esterna e dotata di batterie ad acqua refrigerata e ad acqua calda e ventilatore a portata variabile.

Il sistema di trattamento fornisce l’aria primaria alle travi fredde con una portata media pari a circa 3 L/s·m², quindi considerevolmente più alta del valore minimo di ventilazione richiesto da ambienti a bassa densità di occupazione, come gli uffici, ma vicina al valore minimo per spazi ad alta densità come le sale riunioni

È da considerare il fatto che in ambienti a bassa densità per soddisfare i carichi frigoriferi risulta spesso necessaria adottare una portata superiore alla ventilazione minima, dato che la resa frigorifera delle travi fredde è funzione della portata dell’aria primaria. Tale portata assicura anche che il controllo dell’umidità relativa in modo da evitare la formazione di condensa sulle travi fredde, oltre a migliorare la qualità dell’aria interna.

I fluidi caldo e freddo sono prodotti dalla centrale termofrigorifera. L’acqua refrigerata viene distribuita a 7 °C, temperatura alla quale non può alimentare direttamente le travi fredde dato che ciò provocherebbe formazione di condensa e gocciolamento. Pertanto il progetto prevede un circuito di acqua refrigerata a 7 °C per alimentare la UTA e uno scambiatore di calore separato e una pompa di circolazione per garantire alle travi fredde una temperatura dell’acqua refrigerata di 14 °C. Si è ritenuto che fosse opportuno utilizzare uno scambiatore di calore, invece di una semplice valvola di miscelazione, come ulteriore elemento di protezione contro la condensa.

Ogni trave fredda è dotata di batterie di riscaldamento e raffreddamento. L’aria primaria viene immessa nelle travi a 17 °C e la resa delle batterie è controllata da valvole di regolazione comandate dal termostato ambiente in modo da mantenere le condizioni ambientali richieste.

Tutt’aria VAV con postriscaldamento di zona

Il sistema VAV prevede una UTA funzionante con miscela di aria esterna e di ricircolo (con possibilità di free-cooling), dotata di batteria di raffreddamento e di ventilatore comandato da inverter. La UTA è dimensionata per una portata di circa 4,5 L/s·m² alle condizioni di progetto.

Le diverse zone sono servite da cassette VAV, la maggior parte delle quali dotate di batterie di postriscaldamento. Gli spazi ad alta densità di affollamento, come le sale riunioni, sono dotati di sonde di CO2. La temperatura dell’aria di mandata dell’UTA è regolata tra 13 e 18 °C in modo da soddisfare sempre la zona con la richiesta frigorifera più elevata.

Sistema ibrido

Il sistema ibrido prevede l’utilizzo di travi fredde solo nelle zone perimetrali a bassa densità dove esse consentono una significativa riduzione della portata d’aria. Le zone interne sono invece servite da cassette VAV con batterie di post, dato che l’utilizzo di travi fredde per queste zone a basso carico non ridurrebbe in modo significativo le portate di aria primaria. Allo stesso modo, anche le sale riunioni, che hanno elevate portate di ventilazione, sono servite da cassette VAV con sonde di CO2.

Nel complesso, circa il 70% dell’area totale è servita dal sistema VAV e il 30% dal sistema VAV + travi fredde.

L’UTA è dotata di sezione di miscela di aria esterna e ricircolo e batteria ad acqua refrigerata e tratta una portata di circa 3,3 L/s·m² con una temperatura di mandata di 13 °C, anche in questo caso con possibilità di reset della temperatura.

Le travi fredde sono a 2 tubi per solo raffreddamento, anziché a quattro tubi mentre il riscaldamento è fornito da cassette VAV con batterie di post che servono le travi fredde. Come previsto per il sistema a travi fredde, un circuito dell’acqua refrigerata a 7 °C serve la UTA e un circuito a 14 °C le travi fredde.

Le prestazioni energetiche

Le prestazioni energetiche dei tre impianti sono state simulate con il software EnergyPlus, l’unico che dispone di un modulo di calcolo specifico per le travi fredde. I parametri relativi al calcolo dei carichi frigoriferi (potenza di illuminazione, affollamento, carichi elettrici dei computer, orari) sono stati modellati utilizzando i requisiti prescrittivi dello Standard ASHRAE 90.1.

I risultati delle simulazioni mostrano che, rispetto al sistema a travi fredde, è possibile ottenere una riduzione del consumo di energia del 40% con il sistema VAV e del 33% con quello ibrido.

I risparmi di energia ottenibili con il sistema VAV sono generalizzati: 60% per i ventilatori, 28% per il raffreddamento, 70% per il riscaldamento.

È interessante analizzare nel dettaglio alcuni aspetti della simulazione.

Potenza di ventilazione

Il sistema VAV presenta una potenza per la ventilazione di circa il 40% più elevata alle condizioni di progetto rispetto al sistema a travi fredde. Tuttavia bisogna considerare che a carico parziale la potenza del sistema a travi fredde resta costante mentre quella del sistema VAV diminuisce molto rapidamente (grazie alla legge del cubo tra velocità e potenza del ventilatore).

Il sistema VAV utilizza meno potenza di ventilazione ogni volta che il rapporto di carico parziale (percentuale di portata d’aria necessaria per soddisfare il carico) è inferiore a circa l’83%, ovvero quasi sempre.

Su base annuale, il valore medio della portata d’aria del sistema VAV risulta pari a circa il 60% del valore di punta, il che spiega il motivo per cui il consumo di energia per la ventilazione di questo sistema è meno della metà rispetto alle travi fredde.

E’ inoltre da considerare che per gli edifici per uffici è più realistico considerare un carico parziale medio annuale vicino al 40%. Considerando questo valore, un sistema a travi fredde avrebbe un consumo di energia di sei volte superiore rispetto a un sistema VAV.

Energia di raffreddamento

In condizioni di non utilizzo del free-cooling (temperatura dell’aria esterna superiore a quella dell’aria di ripresa) il sistema a travi fredde presenta un carico di raffreddamento più elevato rispetto al sistema VAV poiché deve trattare più aria esterna.

In regime di free-cooling le travi fredde presentano carichi di raffreddamento meccanico ancora maggiori perché non sfruttano tale opzione, a differenza del sistema VAV.

Il sistema a travi fredde presenta anche carichi di raffreddamento più elevati poiché l’utilizzo di un valore fisso della portata d’aria primaria e della temperatura dell’aria di mandata (17 °C) significa che vengono forniti sempre circa 19 W/m² di raffreddamento.

Il sistema VAV non fornisce invece più di circa 9 W/m² alla portata minima, anche se la temperatura dell’aria di mandata è fissata al valore minimo di 13 °C.

Pertanto le travi fredde comportano un carico di raffreddamento più elevato in tutte le condizioni.

Il collegamento dell’impianto a travi fredde a una centrale che produce acqua refrigerata a 7 °C fa perdere tutti i benefici di efficienza dei sistemi che funzionano con acqua a media temperatura. Per sfruttare il vantaggio energetico della temperatura di mandata più elevata (14 °C), sarebbe necessario prevedere un gruppo frigorifero dedicato, preferibilmente integrato con batterie di free-cooling sul lato acqua. Ciò consente di migliorare l’efficienza energetica ma aumenta anche in modo significativo il costo di investimento e la complessità del sistema.

Energia di riscaldamento

Analogamente a quanto visto per l’energia frigorifera, le travi fredde utilizzano più energia termica rispetto al VAV dato che il carico per il postriscaldamento di zona è superiore, come descritto in precedenza, e anche quello per il riscaldamento dell’aria esterna è più elevato, essendo superiore la portata da trattare.

Costi di investimento e altri parametri di confronto

Costi di investimento

Il sistema a travi fredde presenta il costo più elevato mentre il VAV è il più economico. A fronte di una riduzione del 30% del peso dei condotti in lamiera, il sistema a travi fredde comporta maggiori costi per tubazioni (peso di 30 volte superiore per acqua refrigerata e di 5 volte superiore per acqua calda), isolamento termico, apparecchiature (travi fredde, apparecchiature di regolazione (valvole, sensori di umidità, ecc.), manodopera, test e bilanciamento.

Altezza di interpiano

L’impatto di un sistema HVAC sull’altezza di interpiano (da pavimento a pavimento) è funzione principalmente delle dimensioni dei canali di distribuzione orizzontale. Più grandi sono i canali, maggiore deve essere l’altezza. Altri componenti, come le cassette VAV, raramente hanno un’influenza dato che sono generalmente di dimensioni più piccole dei canali e possono essere posizionati tra le travi strutturali mentre la rete di alimentazione dell’aria deve scorrere al di sotto di queste.

I canali dell’aria per l’impianto a travi fredde sono più grandi poiché devono essere dimensionati per una bassa velocità (5 m/s) mentre quelli di un sistema VAV possono essere dimensionati per una velocità maggiore (10 m/s) dato che il sistema funziona a volume variabile e la portata effettiva è quasi sempre ben al di sotto del valore di progetto. La rete di alimentazione VAV può essere dimensionata con velocità fino a circa 13 m/s con un impatto minimo sul consumo annuale di energia di ventilazione o sul rischio di produzione di rumore.

Qualità dell’aria interna

In teoria le travi fredde forniscono una migliore qualità dell’aria interna perché utilizzano portate di ventilazione più elevate alle condizioni di progetto. In realtà è necessario considerare i benefici sulla IAQ forniti dalla possibilità di sfruttare il free-cooling con un sistema a tutt’aria VAV.

Il confronto andrebbe quindi effettuato su base annuale simulando le condizioni dell’aria esterna e quindi l’utilizzo del free-cooling.

Bisogna inoltre considerare che le travi fredde comportano il ricircolo dell’aria ambiente per effetto di induzione, con rischio di trascinamento di inquinanti che possono depositarsi sulla batteria, non protetta da alcun filtro.

Un altro problema è il potenziale di crescita di muffe e funghi dovuto alla condensazione sulle batterie di raffreddamento. La formazione di condensa può verificarsi a causa di malfunzionamento del sensore di umidità, di sequenze di regolazione programmate in modo errato, di elevati carichi latenti imprevisti, ecc.

Sempre a causa del rischio di condensazione, le travi fredde non sono adatte all’utilizzo in edifici con finestre apribili.

I vantaggi del tutt’aria

I sistemi a tutt’aria presentano una serie di vantaggi rispetto agli impianti di tipo misto con terminali ad acqua (travi fredde e fan-coil), che possono avere un impatto più o meno rilevante a seconda delle applicazioni.

Oltre al problema della condensa, le travi presentano anche un rischio molto più elevato di perdite di acqua calda e refrigerata dato che hanno un numero molto maggiore di tubazioni, in particolare negli spazi destinati agli occupanti.

Per quanto riguarda la manutenzione, con i sistemi VAV è possibile localizzare le cassette in corridoi o spazi al di fuori delle zone servite, in modo che la manutenzione o le riparazioni possano essere eseguite senza interrompere l’utilizzo dello spazio occupato, mentre ciò non è possibile con le travi fredde.

I diffusori d’aria di un sistema VAV occupano molto meno spazio nei controsoffitti rispetto alle travi fredde la cui presenza impone dei vincoli per il posizionamento degli apparecchi illuminanti con il rischio di ridurre l’efficienza del sistema di illuminazione.

Un aspetto sempre più importante è inoltre la flessibilità in caso di future modifiche da parte dei tenant. Le travi fredde, essendo fissate rigidamente alle tubazioni, sono molto più costose da spostare rispetto ai diffusori VAV, che non richiedono rinforzi sismici e sono generalmente collegati con un condotto flessibile. In caso di modifica, con le travi fredde sono quindi più elevati non solo i costi per l’impianto HVAC, ma anche quelli per la modifica di altri impianti a causa della presenza dei rinforzi sismici a supporto delle travi fredde.

Last but not least il sistema VAV vince anche dal punto di vista del comfort. Come visto in precedenza le travi fredde hanno una potenza minima di raffreddamento di zona superiore rispetto al sistema VAV che quindi risulta più confortevole in quanto si riduce il rischio di sottoraffreddamento in condizioni di basso carico frigorifero. Inoltre con i sistemi VAV è possibile utilizzare specifici e idonei diffusori d’aria ad alta induzione o a dislocamento che garantiscono un migliore controllo dei flussi d’aria nell’ambiente rispetto alle travi fredde che immettono l’aria con effetto Coanda.

Conclusioni

Gli impianti a travi fredde si sono imposti negli ultimi anni come valida alternativa a quelli a ventilconvettori grazie alle migliori prestazioni dal punto di vista energetico, manutentivo e, soprattutto, di qualità delle condizioni ambientali. In realtà, come dimostrano i risultati del confronto, la tipologia di impianto ottimale è quella a tutt’aria VAV, purtroppo ancora poco utilizzata nel nostro paese.

È ora di riscoprirla e di utilizzarla per sfruttare tutti i suoi vantaggi, in particolare nel progetto di edifici per uffici con grandi superfici trasparenti e quindi con elevati carichi di raffreddamento nei mesi freddi durante i quali è possibile sfruttare il free-cooling.

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