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Manuale sulla climatizzazione
autore ing. M.Collantin per gentile concessione di CARRIER

Parametri di base:
Che cos'è la climatizzazione

Fin d'ora è utile anticipare che la climatizzazione consiste nel controllo simultaneo e interdipendente di quattro condizioni fondamentali che si realizzano in ambiente: la temperatura, l'umidità, il movimento e la qualità dell'aria.Il successo di ogni impianto di climatizzazione, piccolo o grande che sia, consiste nel mantenere il controllo di queste variabili attraverso le quali si realizza il benessere termoigrometrico delle persone. La climatizzazione è basata in gran parte sugli scambi di calore che intervengono tra il corpo umano e l'ambiente ad esso circostante, ecco quindi il primo "fattore" da considerare: il calore.

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Calore e temperatura

Tutti i corpi solidi, liquidi, aeriformi, sono costituiti da molecole, soggette a dei moti continui tra loro. Fornendo calore ad un corpo se ne aumenta l'agitazione molecolare; sottraendo calore invece l'agitazione molecolare viene rallentata, fino ad arrestarsi del tutto alla temperatura dello "zero assoluto" (circa -273° C). Per ogni corpo il calore è perciò un effetto determinato dalla velocità media delle molecole e dal numero delle molecole di cui il corpo stesso è costituito. Il calore e l'energia che fa agitare le molecole (le particelle che costituiscono un corpo) mentre la temperatura è l'indice dell'intensità di questo movimento. L'unità di misura delle temperature è il grado centigrado °C e la differenza tra due temperature si chiama ∆T (Delta T).

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La quantità di calore

L'energia termica, si indica in genere con Q che è contenuta in un oggetto e quindi può essere sfruttata o trasferita (almeno in parte), dipende da vari fattori:

-la massa del corpo; tanto più grande è il corpo tanto maggiore sarà l'energia in esso contenuta.

-la sostanza di cui il corpo è costituito; ad esempio l'aria, a parità di massa è capace di immagazzinare meno calore dell'identica quantità di acqua; si parla cioè del calore specifico.

-l'unità di misura del calore nel sistema internazionale è il Joule, ma è anche usata la Kcal;

1 Kcal= Calore necessario per innalzare di un grado Centigrado la temperatura di 1 Kg di acqua

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L'energia corrispondente a 1 Kcal può essere somministrata al nostro litro di acqua in 1 secondo o in 1 ora. E qui introduciamo un altro concetto cioè quello di Potenza. Se somministriamo 1 Kcal in 1 secondo abbiamo una potenza elevata e lo stesso calore lo somministriamo in un'ora avremo una potenza bassa.
Quindi: Potenza= Energia/Tempo
P= 1 kcal/1 s= 3600 Kcal/h
La capacità di un climatizzatore è proprio espressa come Potenza refrigerante. Ci sono alcuni modi per misurare la stessa cosa, così la potenza:
Watt = W   Sistema internazionale
Chilocalorie/h = Kcal/h   Sistema pratico
British Thermal Unit/h = Btu/h   Sistema inglese 

Le compensazioni sono le seguenti:

Da\A

WATT Kcal/h BTU/h
WATT 1 0,860 3,4
Kcal/h 1,163 1 3,95
BTU/h 0,293 0,25 1

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La trasmissione del calore

Il calore si trasmette sempre da un corpo più caldo ad uno meno caldo. Esso cioè passa da un corpo a temperatura maggiore ad un altro (o altri) a temperatura minore. Non si verifica mai il contrario. La quantità di calore che passa nella unità di tempo dal corpo più caldo a quello più freddo, è tanto più grande quanto più grande è la differenza di temperatura tra due corpi (∆T). La quantità di calore che passa nella unità di tempo è tanto più grande quanto maggiore è la conducibilità termica della parete che separa i due corpi stessi, ossia tanto minore è la resistenza che detta parete oppone al passaggio del calore. La unità di misura della Conducibilità Termica di una parete si indica generalmente con il simbolo K (Kcal/m2.h.°C).
La quantità di calore è tanto più grande quanto maggiore è la superficie attraverso cui avviene il passaggio. La unità di misura della superficie si indica generalmente con S (m2) Metri quadri.
Riassumendo le osservazioni fatte si può affermare che la quantità di calore (Q) che passa da un corpo caldo ad uno più freddo nella unità di tempo è:

1-tanto più grande quanto maggiore è la differenza di temperatura tra i due corpi;

2-tanto più grande quanto maggiore è la conducibilità della parete che sta tra i due;

3-tanto maggiore quanto più grande è la superficie di contatto; tutto ciò è espresso in forma matematica dalla seguente relazione:

Q=∆T×K ×S   dove i simboli hanno il significato appena descritto.

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Il calore latente

Parliamo ora del CALORE LATENTE perchè questo concetto è indispensabile alla comprensione dei fenomeni che sono alla base del ciclo frigorifero e della climatizzazione. Per comprendere questo fenomeno si deve tornare ai concetti base della fisica dei corpi ed in particolare al fatto che un corpo può esistere in tre stati:

-solido        -liquido     -gassoso

Ogni sostanza è costituita da molecole unite tra loro con dei legami fisici che ne determinano lo stato. Tanto maggiore è la forza di questi legami, tanto minore sarà la libertà di movimento di una molecola rispetto alle vicine, e quindi che lo stato solido sarà caratterizzato dai legami più forti mentre lo stato liquido da legami meno forti e lo stato gassoso da legami pressoché nulli.
Somministrando e sottraendo energia ad una sostanza si provoca rispettivamente l'indebolimento o il rafforzamento di questi legami consentendo così il passaggio da uno stato fisico all'altro. Durante queste trasformazioni la temperatura rimane costante.
Questa energia usata per trasformare una sostanza da uno stato fisico ad un altro si chiama CALORE LATENTE.
Siccome in natura nulla si crea e nulla si distrugge è ovvio che l'energia impiegata per far passare un liquido allo stato gassoso non va distrutta, ma rimane immagazzinata nel gas (in modo per così dire nascosto) e viene restituita integralmente nel processo inverso. Infatti avendo una sostanza allo stato gassoso e sottraendole calore (ossia raffreddandola, cioè riscaldando un corpo più freddo con cui si mette a contatto), piano piano e rimanendo alla stessa temperatura, (che è la stessa alla quale era avvenuta la evaporazione) il gas torna liquido. Dunque l'energia che rea stata spesa all'inizio viene tutta restituita e, sia in un caso che nell'altro, sottoforma di calore.Praticamente come si fa a dare calore ad un corpo? E' semplice, ricordando quanto detto prima, mettendolo a contatto con uno più caldo; e per raffreddarlo? Basterà metterlo a contatto con uno più freddo.

Dopo questa introduzione si potrà affermare che il calore latente di una sostanza è la quantità di energia necessaria a farle cambiare stato e che questo processo comporta cedere o ricevere delle quantità di calore, il che avviene mediante i fenomeni di trasmissione del calore prima esaminati.

Il CALORE LATENTE è un qualcosa che è caratteristico della sostanza ed anche intuitivamente si potrà affermare che le quantità di calore in gioco saranno tanto più grandi quanto maggiore sarà la quantità di materia che cambia stato. Meno intuitivo è ricordare che la temperatura a cui avviene il cambiamento di stato varia al variare della pressione. Chi ha provato a cucinare gli spaghetti in un rifugio ad alta quota avrà notato che è necessario un tempo di cottura insolitamente lungo, in quanto la temperatura dell'acqua in ebollizione è scesa di parecchi gradi rispetto alla pianura e la pressione atmosferica è tanto più bassa quanto più si sale in montagna (per es. a quota 5.000 mt. la pressione è praticamente la metà di quella al livello del mare).
Questa influenza della pressione sulla temperatura a cui avviene il fenomeno del cambiamento di stato è estremamente utile nel momento in cui si deve realizzare il circuito frigorifero.

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Umidità dell'aria

E' necessario ora parlare dell'aria perché è l'elemento principale su cui si interviene per ottenere le condizioni di benessere.Delle molte caratteristiche dell'aria è opportuno fissare l'attenzione su due di queste, che sono poi quelle principali:

-la temperatura     -l'umidità relativa

La temperatura può essere variata facendo passare l'aria a contatto con un corpo più freddo o più caldo. Per l'umidità relativa di discorso non è così semplice.Nell'aria, in determinate condizioni di temperatura e pressione (trascurando la pressione e facendo finta che non cambi, per cui non sarà più nominata) c'è posto solo per una determinata quantità di acqua sotto forma gassosa di vapore. Si pensi, per esempio, ad una sala cinematografica formata da 50 poltrone, in cui possono essere raccolte le molecole di vapore di acqua, una per ogni poltrona. Allora a seconda di quanti sono i posti occupati rispetto alla capienza massima si può affermare che la sala è riempita per il 30-40-70%.  

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Umidità relativa

Si definisce Umidità relativa il rapporto tra la quantità di vapore presente nell'aria e la quantità di vapore massima che l'aria, alle medesime condizioni di temperatura e pressione, può contenere.
L'umidità relativa viene sempre espressa in valore percentuale (%).

UR = Q presente/Q massima %

L'Umidità assoluta esprime in valore numerico la quantità di vapore presente nell'ambiente. Nell'esempio della sala cinematografica, se diciamo che l'umidità relativa è al 70% rispetto ad un massimo di posti disponibili di 50, per umidità assoluta si intende che i posti occupati sono 35, ovvero:

UA = Q presente/Q massima

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Il punto di saturazione

L'aria secca può assorbire vapore d'acqua fino al punto di saturazione; l'aggiunta di una ulteriore quantità di vapore alla miscela provoca la condensazione e la formazione di nebbia. Nell'esempio della sala cinematografica, se dopo essere entrate 50 molecole, inseriamo la 51esima molecola, allora è come se una delle molecole uscisse dalla sala cinematografica.

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Il ciclo di deumidificazione

Questo ciclo, in cui si raffredda l'aria al di sotto del punto di saturazione e si riporta successivamente alle condizioni iniziali di temperatura, ha l'effetto pratico di ridurre l'U.R. (umidità relativa).

Il calore sensibile

Si definisce "CALORE SENSIBILE" il calore necessario a variare la temperatura, e "CALORE LATENTE" quello necessario a variare l'umidità.
Allora è chiaro che ogni volta che si effettua un raffrescamento dell'aria ci saranno in gioco tutti e due questi CALORI e solo occasionalmente potrebbe capitare che il secondo sia uguale a zero o totalmente piccolo da essere trascurabile. Esattamente il contrario avverrà quando si riscalda l'aria, ma in questo caso non ci si dovrà preoccupare del CALORE LATENTE perché, come sopra osservato, aumentando la temperatura aumenta la capacità di ricezione dell'aria, quindi non ci sono fenomeni di cambiamento di stato, ma solo variazioni in diminuzione dell'umidità relativa.
La descrizione sul calore latente serve per poter capire cosa succede quando si mette in funzione il climatizzatore in un ambiente.
Quando l'aria calda e solitamente umida della stanza passa attraverso la così detta batteria fredda succede che la temperatura dell'aria scende fino al limite in cui c'è saturazione, poi comincia a formarsi la condensa sulle pareti della batteria, in quantità tanto maggiore quanto più bassa scende la temperatura. A questo punto l'aria avrà ceduto alla batteria fredda il CALORE SENSIBILE più il CALORE LATENTE necessario alla condensazione della quantità di acqua raccolta. L'aria in uscita sarà dunque fredda, però la quantità di vapore d'acqua in essa contenuto sarà minore di quello che aveva in ingresso; a contatto con l'ambiente questa aria si riscalda raffrescando il locale e avrà un grado di umidità relativa inferiore a quello di partenza.

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Sono immediate a questo punto almeno due osservazioni:
-La prima è che per raffrescare un ambiente si devono compiere due lavori.
-La seconda è che se si vuole raffrescare si dovrà necessariamente effettuare anche un certo grado di deumidificazione.

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Le condizioni di benessere

Il fine per cui viene costruito un impianto di climatizzazione è di creare le condizioni di benessere per gli occupanti di un certo spazio, ma la sensazione di benessere è un fatto assolutamente personale e cambia da persona a persona, a seconda di condizioni oggettive come i vestiti (leggeri o pesanti), del tipo di attività (lavoro sedentario o pesante), delle condizioni psicofisiche (agitato o rilassato).
Com'è possibile allora dare una risposta a così tante e diverse esigenze?
Si è deciso di fare un approccio di tipo statistico, ossia definire quelle condizioni di benessere in cui la maggioranza delle persone coinvolte dichiara di sentirsi a proprio agio. Sono state fatte moltissime prove utilizzando persone di diverso sesso, età, ecc. e registrando le loro dichiarazioni in diverse condizioni; è emerso che la maggior parte di esse afferma di sentirsi a proprio agio, anche a seconda dei vestiti indossati (leggeri o pesanti), nel seguente intervallo:

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Dunque se almeno l'80% delle persone che sono in un locale dichiarano di sentirsi in condizioni di benessere, le condizioni sono accettabili secondo quanto previsto dalle normative internazionali.
Non si è parlato, nelle condizioni di benessere sopra descritte, del rumore anche se questo è un elemento sempre più considerato dagli utenti degli impianti di climatizzazione. Il rumore comunque creato all'interno del locale climatizzato non costituisce un problema per l'utente, ma in qualche caso possono sorgere dei problemi per le unità esterne.
Ulteriore elemento di rilevante importanza nelle condizioni di benessere è la qualità dell'aria che costituisce da qualche tempo oggetto di forte attenzione da parte del pubblico. Ecco perché nasce l'esigenza di una migliore qualità dell'aria negli ambienti in cui viviamo, determinata dalla migliore purezza dell'aria con opportuna filtrazione.

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Alcuni prodotti della vasta gamma di climatizzatori che offre il mercato sono dotati, oltre che del filtro standard ad ampia superficie, del filtro a carboni attivi per assorbire gli odori e trattenere le particelle di impurità e del filtro elettrostatico passivo per l'eliminazione dei polloni e dei batteri.
A chiusura di questi brevissimi cenni sulle condizioni di benessere è importante ricordare che al di la delle condizioni formali sancite dalle norme, un impianto di climatizzazione viene acquistato dal Cliente per incrementare il proprio benessere. E' fondamentale quindi capire e scoprire quali siano la sue esigenze e le sue aspettative per esaudirle. 

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