Centri commerciali, il progetto dell’impianto HVAC

Progettazione impianti clima in centri commercialiPer una corretta scelta dell’impianto HVAC nei centri commerciali normalmente bisogna prendere in considerazione le dimensioni, la geometria, la ripartizione degli spazi da climatizzare, il loro uso e occupazione durante l’arco della giornata, i fattori di illuminazione naturale e non ultimo le caratteristiche termofisiche delle strutture opache e riflettenti. Si possono dunque delineare alcuni punti focali da definire, quali:

La potenzialità impegnata dagli impianti HVAC.

L’utilizzo di diversi fluidi vettori per i servizi di riscaldamento e raffreddamento, oltre alla disponibilità di diverse fonti di energia primaria.

Gli apporti gratuiti di calore negli ambienti interni.

L’ubicazione, la funzionalità e l’ergonomia delle apparecchiature HVAC.

La ventilazione degli spazi, comprensivi delle forometrie per il passaggio delle canalizzazioni.

Le normative e le leggi attualmente in vigore.

A queste specifiche bisogna aggiungere un considerevole aumento della portata di aria esterna necessaria per la ventilazione delle aree di ristoro (food court), cosi come definito dalla prUNI 10339:2014. L’eventuale presenza di locali fumatori implica inoltre un ulteriore attenzione ai ricambi d’aria esterna.

I criteri progettuali e i fabbisogni di energia termica, invernale ed estiva, vengono definiti dalle recenti UNI TS 11300:2014. Dagli Stati Uniti invece è possibile ottenere un utile benchmark per gli edifici commerciali dallo Standard 90.1:2013 dell’Ashrae.

Risulta poi quasi sempre necessario un riscontro con i regolamenti locali al fine di stabilire con correttezza i requisiti di isolamento delle strutture e di efficienza delle apparecchiature, oltre alle consuete verifiche d’igiene (ASL) e sulla sicurezza antincendio.

In ultimo non vanno certamente dimenticate le valutazioni ambientali degli impianti con particolare attenzione al rumore, allo smaltimento dei reflui e dell’acqua utilizzata e all’inquinamento dell’aria

Condizioni climatiche ambientali

La coesistenza di esercizi e di attività anche molto diverse all’interno dei centri commerciali comporta la  necessità di  assicurare condizioni termoigrometriche altrettanto differenti: food  court (fast food, tavole calde, ecc.), supermercati  alimentari (con zone dai diversi requisiti quali gli spazi dei banchi frigoriferi e quelli dei prodotti non deperibili), negozi  generici, ecc. presentano esigenze  ben  differenziate  e spesso non convergenti, anche per gli stessi orari di attività, di  chiusura, ecc. Uno dei primi requisiti che emerge da parte degli utenti è, sotto tale aspetto, la precisa contabilizzazione dei costi del riscaldamento e del condizionamento.

Ulteriori specifiche condizioni di progettazione possono essere ottenute dalle norme UNI EN ISO 7730:2005, Ansi/Ashrae 55:2013 e Ashrae Standard 62.1:2013.

Dati pratici professionali possono inoltre essere ricavati dall’Ashrae Handbook HVAC Applications 2011 – Cap. 2 Retail Facilities e Cap. 3 Commercial and Public Buildings, e in parte pure dal Cap. 5 Places of Assembly. Informazioni più specializzate possono invece risultare necessarie per gli atrii, che rappresentano per buona parte dei casi una caratteristica distintiva e tipica dei centri commerciali. Gli atrii devono essere visti sempre in una doppia luce: come ambienti ad alto rischio per la propagazione dei fumi nei casi di incendio e come zone da ventilare scegliendo le soluzioni che producano i minori   consumi di energia (ventilazione, riscaldamento, climatizzazione).

Va ricordato inoltre che, almeno nei centri di un certo livello, vi è la tendenza alla piantumazione di determinati spazi, anche con alberi di alto fusto e altre specie pregiate. Queste aree richiedono condizioni termoigrometriche e di illuminamento specifiche, come pure una velocità dell’aria entro limiti ben precisi, onde evitare un decadimento e/o morte prematura della vegetazione presente.

Temperatura e umidità

Le temperature dell’aria esterna di progetto invernale vengono indicate nella norma UNI EN 12831, con un umidità relativa fissata all’80%. La temperatura dell’aria esterna e umidità relativa di progetto estive sono invece dedotte dall’apposita appendice C della norma prUNI 10339:2014. Per quanto riguarda le condizioni indoor, viene introdotto il concetto di temperatura operativa, come risultato dalla media tra la temperatura dell’aria interna e la temperatura media radiante delle pareti rispetto all’occupante.

Per le condizioni invernali ambiente di progetto prevedono un valore medio della temperatura operativa di 20 °C, accettando escursioni di -/+ 1 °C.

La temperatura media operativa estiva viene indicata sui 25-26 °C, anch’essa con un escursione di -/+ 0,5/1 °C,

Le prescrizioni riportate nell’Ashrae Handbook “2011 HVAC Applications” indicano per le condizioni di progetto indoor un intervallo di temperatura fino ai 27 °C in estate e temperature tra i 21 – 23 °C in inverno (dipende dalla tipologia del negozio).

Viene comunque consigliata una certa flessibilità operativa, in quanto la clientela indossa un abbigliamento corrispondente alla stagione in corso e può darsi dunque, che per determinati condizioni ambientali, possa “soffrire” condizioni di stress termico all’interno del centro commerciale.

Nei supermercati le condizioni di benessere vanno spesso in contrasto con l’efficienza energetica dei banchi frigo, modo per cui soprattutto in estate si consiglia di limitare la differenza di temperatura tra esterno ed interno entro i 7 °C. D’inverno si consiglia di non scendere sotto i valori indoor di 16-18 °C, temperature oltre le quali si rischia il congelamento dei banchi frigo per assenza di carico. I valori di umidità relativa sono compresi in estate tra il 55 e 65 per cento (45 – 60 ASHRAE) e tra il 35 e 45 per cento in inverno (25 – 30 Ashrae).

 Qualità dell’aria interna

Vengono considerate tre classi di qualità dell’aria interna (elevata, media, bassa) corrispondenti a quelle indicate dalla UNI EN 13779:2005. I valori di concentrazione di CO2 distinguono la classe di qualità dell’aria interna (tabella 1). Per garantirsi economie di funzionamento è bene dotarsi di soluzioni impiantistiche che attraverso la misurazione degli indici di qualità dell’aria (CO2) assicurino la sola quantità minima di aria esterna necessaria.

Tab. 1 – Classe di qualità dell’aria interna.

Classe di qualità dell’aria CorrispondenzaUNI EN 13779:2008 Differenza di concentrazione di CO2 tra aria interna e aria esterna (ppm)
Elevata IDA 1 ≤ 400
Media IDA 2 400 – 600
Basse IDA 3 601 – 1000
IDA 4 > 1000

Fonte: Appendice A – prUNI 10339:2014, “Impianti aeraulici per la climatizzazione – Classificazione, prescrizione e requisiti prestazionali per la progettazione e la fornitura”.

 

Portata d’aria di rinnovo

La portata d’aria esterna nella nuova prUNI 10339:2014 viene ridotta a 7 L/s (10-3 m3 s-1) per persona per tutte le attività commerciali in genere (tabella 2).

Il valore minimo pro capite consigliato dallo Ansi/Ashrae Standard 62.1:2013, anch’esso in diminuzione, viene addirittura indicato in soli 2.5/3.5 L/s per persona.

 

Tab. 2 – Portate volumetriche di aria esterna qv,o,p (10-3 m3 s-1 per persona).

Ambiente Classe di qualità dell’aria interna
Elevata Media Bassa
Grandi magazzini – piano interrato 8,75 7 5,25
Negozi o reparti grandi magazzini 8,75 7 5,25
Abbigliamento, calzature, mobili, ottici, fioristi 8,75 7 5,25
Alimentari, farmacie 8,75 7 5,25

Fonte: prUNI 10339:2014

 

Velocità dell’aria

La velocità media dell’aria, misurata nella zona occupata, deve essere compresa tra 0,05 e 0,20 m/s durante la climatizzazione estiva e tra 0,05 e 0,15 m/s in regime di riscaldamento (tabella 3).

 

Tab. 3 – Valori della velocità dell’aria, va (m s-1).

Ambiente Riscaldamento Raffrescamento
Grandi magazzini, negozi in genere, zona pubblica da 0,05 a 0,15 da 0,05 a 0,20

Fonte: prUNI 10339:2014

 

Filtrazione

La filtrazione dell’aria viene messa in relazione con la classe dell’aria interna desiderata (eccellente/media/bassa) e la relativa classe dell’aria esterna (eccellente/media/bassa). In questo modo è possibile utilizzare filtri con efficienza minima da M5 fino a F8 (tabella 4). Lo stadio di filtrazione può essere anche unico o proceduto dal altri filtri di efficienza inferiore. Si consiglia inoltre di consultare anche il regolamento locale di igiene, che a volte, prescrive valutazioni diverse e più variegate. Quasi sempre per le aree ristornanti, fast food, ecc. risulta necessario inserire anche a filtri a carbone attivo per la rimozione di odori e degli effluenti gassosi.

 

Tab. 4 – Classe della filtrazione minima finale prevista.

Ambiente Classe qualità aria esterna Classe dei filtri finali
Classe di qualità dell’aria interna
Elevata Media Bassa
Grandi magazzini – piano interratoNegozi o reparti grandi magazzini

Abbigliamento, calzature, mobili, ottici, fioristi

Elevata F7 M6 M5
Media F8 F7 M6
Bassa F8 F7 M6

Fonte: prUNI 10339:2014

 

Livello sonoro

Il fatto che i centri commerciali sorgano il più delle volte fuori città e in aree a distanza da abitazioni comporta che il livello sonoro emesso dalle macchine HVAC possa rientrare in una fascia più alta di quanto non sarebbe tollerato in aree residenziali. I limiti di livello sonoro restano perciò individuati dai valori limite di emissione in funzione della classe di destinazione del territorio, con riferimento alla Legge quadro 447:1995.

Carichi termici

I rapporti tra forma e orientazione dell’edificio devono essere studiati attentamente in fase di progetto, poiché i carichi di condizionamento di origine esterna possono rappresentare dal 30% al 60% del totale, a seconda l’estensione delle superfici vetrate sia tra il 25% e il 75% della superficie perimetrale totale, rispettivamente. In ragione di ciò, conviene quasi sempre mantenere al minimo la superficie perimetrale dell’edificio. Chiaramente, queste caratteristiche sono di competenza dell’architetto e al di fuori del controllo del progettista HVAC, ma esse dovrebbero essere fatte presenti tutte le volte che ciò sia possibile fin dalle fasi iniziali del progetto.

Altra componente importante del carico è l’aria esterna di ventilazione, in relazione all’affollamento (tabella 5).

 

Tab. 5 – Indice di affollamento per unità di superficie ns (persone/m2).

Grandi magazzini – piano interrato 0,2
Negozi o reparti grandi magazzini 0,2
Abbigliamento, calzature, mobili, ottici, fioristi 0,2
Alimentari, farmacie 0,2

Fonte: prUNI 10339:2014

 

In inverno essa deve venire preriscaldata e umidificata, mentre in estate, necessita di essere raffreddata e deumidificata. L’uso di recuperatori di calore aria ­ aria a flussi incrociati, o a tamburo rotante, rappresenta quasi sempre un mezzo per ridurre sensibilmente i consumi di energia degli impianti. In certe aree, dedicate alla vendita di elettronica di consumo e computer, i carichi termici di natura sensibile dovuti all’illuminazione, ai TV ecc. possono raggiungere valori rilevanti. In tali aree l’umidificazione invernale dovrebbe sempre essere assicurata. Una peculiarità dei centri commerciali riguarda la stima dei carichi termici dovuti alle persone: esse vanno considerate in leggero movimento e quindi devono venire attribuiti dei valori di emissione   termica (met) superiori a quelli tipici di attività sedentaria di ufficio e similari. Anche la velocità dell’aria, soprattutto nelle gallerie, può essere mantenuta più alta rispetto alle tipiche applicazioni di benessere.  Sotto tali aspetti i centri commerciali sono caratterizzati   da un comportamento più attivo delle persone, quindi con maggiori emissioni di calore ed esigenze di ventilazione. La tabella 6 riporta alcuni elementi di stima dei valori unitari dei carichi termici per tali strutture.

 

Tab. 6 – Carico termici stimato delle apparecchiature illuminanti e stima della richiesta di potenza frigorifera unitaria nei centri commerciali .

Ambiente Carico Basso (W m-2) Carico Medio (W m-2) Carico Alto (W m-2)
  Luci Potenza frigorifera Luci Potenza frigorifera† Luci Potenza frigorifera
Centri commerciali 32* 159 54* 238 97* 357
Grandi magazzini – piano terreno 38* 109 65* 154 67* 250
Negozi generici (non alimentari) 11 110 22 135 43 204
Ristoranti 16 250/278 18 313/385 22 385/476
* La potenza elettrica indicata per le luci comprende anche gli altri carichi elettrici normalmente presenti.
† Le potenze frigorifere unitarie riportate sono per l’intero sistema.

Fonte: Ashrae Pocket Guide

 

Gli impianti di climatizzazione

L’esigenza di ventilazione detta nella gran parte dei casi la scelta del tipo di impianto, almeno per le gallerie e gli atri. In questi spazi i sistemi a tutta aria risultano senza alternative. Essi possono tuttavia venire sviluppati in varie soluzioni, come segue:

– unità di trattamento d’aria alimentate da sistemi idronici, con acqua refrigerata e acqua calda;

– condizionatori autonomi roof top, opportunamente dimensionati  per  poter  trattare anche  ampie  percentuali  di aria esterna;

– sistemi separati  composti da unità  per il pretrattamento dell’aria esterna e da altre per il trattamento di una parte dell’aria  di ricircolo. I due flussi d’aria quasi sempre vengono miscelati in queste seconde unità, anche se comincia ad emergere una tendenza a mantenerli separati fino ad avere due distinte immissioni in ambiente.

Queste soluzioni, soprattutto le prime due, vengono altresì applicate correntemente al servizio di grandi spazi di vendita, quali supermercati e altri spazi analoghi. L’aria viene estratta di solito dagli atrii e così facendo si ottiene di temperarne le condizioni e di ventilarli, cosa tanto più necessaria quanto spesso negli atrii sono situate le food court, i bar e o ristoranti.

Con gli impianti di ventilazione vanno previsti i sistemi per l’estrazione dei fumi, a meno che tale servizio non venga demandato ad evacuatori di fumi e calore sulla copertura dell’edificio.

Differenti invece le soluzioni adottate per i negozi, che offrono ulteriori alternative in aggiunta all’aria primaria, comunque indispensabile:

– sistemi VRF;

– sistemi ad anello d’acqua chiuso;

– sistemi a ventilconvettori.

In relazione ai sistemi di produzione di freddo per gli impianti idronici, vi sono diverse strategie possibili per contenere il consumo di energia nei centri commerciali:

Impianti ad accumulo di ghiaccio. Questi sono tanto più importanti poiché offrono il vantaggio di non richiedere, o richiedere solo parzialmente, il funzionamento del gruppo frigorifero durante il giorno e di essere così quasi a prova di black­out dell’energia elettrica, essendo sufficienti gruppi elettrogeni di potenza modesta per mantenere la continuità di funzionamento dell’impianto, per le sole necessità di pompe e ventilatori. In aggiunta, i sistemi ad accumulo di ghiaccio permettono di ridurre la potenza elettrica totale installata con i noti vantaggi che ne derivano (minore quota fissa mensile e riduzione del costo della cabina elettrica).

Gruppi termofrigoriferi polivalenti, capaci di fornire acqua refrigerata e acqua calda simultaneamente con il controllo individuale della temperatura. Queste macchine   funzionano con dei COP totali (raffreddamento + riscaldamento) molto elevati che ne rendono l’uso particolarmente attraente.

Sistemi a recupero di calore tra aria espulsa e aria immessa nelle tre tipologie oggi comunemente utilizzate: aria – aria a flussi incrociati, a tamburo rotante, a batterie separate (closed loop).

Le possibilità di recupero del calore dovrebbero venire attentamente esplorate negli impianti per i centri commerciali, poiché molto spesso esistono al loro interno zone quasi costantemente calde, nelle stagioni intermedie e in inverno. Sotto tale aspetto gli impianti ad anello d’acqua e quelli VRF a recupero di calore rappresentano delle soluzioni di effettivo interesse. Essi inoltre consentono una contabilizzazione diretta dei consumi di energia elettrica, a differenza di altri sistemi.

Tuttora controverso e comunque privo di esperienze significative è l’utilizzo degli impianti di cogenerazione, o meglio di trigenerazione, in queste strutture. Certamente le opportunità offerte dalle microturbine rappresentano un potenziale da considerare seriamente che potrebbe sovvertire le attuali concezioni impiantistiche, offrendo   maggiore spazio ai gruppi frigoriferi ad assorbimento, alimentati dai gas esausti di tali macchine.

Ventilazione, IAQ e distribuzione dell’aria

Occorre distinguere tra i diversi utilizzi al fine di stabilire le caratteristiche della distribuzione dell’aria all’interno dei centri commerciali. Le gallerie presentano    ovviamente requisiti diversi da quelli dei negozi e delle food court e dei fast food. Mentre nelle prime, in America, appare frequente l’utilizzo di elementi lineari a parete installati al di sopra dei negozi, sui due lati delle gallerie stesse, in Europa si sono applicate varie   tipologie di terminali: ugelli a media/lunga gittata, diffusori di tipo twist (in qualche caso del tipo verticale a parete) e altri più tradizionali. Tuttavia, nelle gallerie dei centri commerciali, al piano terreno, i sistemi a dislocamento possono rappresentare una soluzione   altamente consigliabile. L’aria viene poi veicolata verso gli elementi di ricircolo e di espulsione, sovente disposti in prossimità della copertura, con la funzione anche di lambirne le superfici trasparenti per neutralizzare l’effetto della radiazione solare in estate. La posizione degli elementi di prelievo deve essere studiata in modo da favorire i percorsi dell’aria e i suoi effetti di ventilazione e raffrescamento secondario delle superfici investite dal sole. Negli atrii sono stati applicati ventilatori idonei per l’espulsione dei fumi, fatti funzionare per la sola ventilazione, ma idonei a gestire gli eventi di incendio. Altrimenti si prevedono i più tradizionali lucernari apribili automaticamente.

Vani tecnici

I centri commerciali devono ridurre al minimo la necessità di spazi non vendibili, trattandosi di investimenti di carattere speculativo. Questo costringe a dislocare tutti gli impianti i sulla copertura dell’edificio. Le unità interne al servizio dei negozi, delle tavole calde e delle altre attività sono generalmente sistemate al di sopra del controsoffitto o nei locali di servizio. Un caso particolare è rappresentato dagli impianti frigoriferi dei supermercati   alimentari, ai quali sono destinati opportuni spazi per le centrali di refrigerazione, anche se i condensatori sono normalmente installati sulla copertura.

Le altre aree

I magazzini e gli altri locali di servizio annessi ai supermercati e ai grandi negozi vengono trattati di solito con la sola ventilazione o secondo le caratteristiche da rispettare per le merci e i prodotti contenuti.

Le cucine di fast food e tavole calde richiedono una ventilazione adeguata e gli effluenti devono il più delle volte venire abbattuti, prima di essere immessi nell’atmosfera. Le food court richiedono a propria volta una ventilazione dedicata con espulsione. In tali aree è da escludere il ricircolo e le unità di trattamento devono lavorare con sola aria esterna.

Una nota a parte richiedono gli accorgimenti di protezione antincendio nelle cucine che possono produrre vapori carichi di particelle d’olio e grassi infiammabili. I due principali accorgimenti consistono nell’uso di impianti che prevedano l’emissione di agenti estinguenti la fiamma non appena essa si produce, e di accorgimenti per prevenire la diffusione della fiamma da, o al, sistema di espulsione dei fumi oleosi. Lo Standard NFPA 96 richiede che gli impianti di espulsione al servizio di elementi di cottura che producono fumi con particelle grasse o oleose devono comprendere un sistema di estinzione della fiamma, eccetto dove sono previsti particolari elementi per la rimozione dei grassi. I sistemi estinguenti della fiamma devono proteggere la superficie di cottura, l’interno della cappa, i filtri o i separatori di grasso, i condotti e ogni altro elemento di rimozione dei grassi dell’impianto. I sistemi estinguenti più comuni utilizzano sostanze chimiche liquide o spruzzamento d’acqua. Il Cap. 33 Kitchen ventilation, dell’Ashrae Handbook “2011 HVAC Applications”, contiene una estesa trattazione dei sistemi di ventilazione e antincendio   per le cucine professionali. I bagni e servizi igienici sono solitamente soltanto ventilati, prelevando parte dell’aria di ritorno della quale poi viene effettuata l’espulsione. Di solito, l’aria di ritorno è sufficiente   per temperare le condizioni all’interno di questi locali rendendo non necessari sistemi di riscaldamento.

La protezione antincendio

Uno dei principali accorgimenti da tenere presenti nel progetto dei centri commerciali è la protezione antincendio. Queste strutture hanno dimostrato una elevata vulnerabilità durante gli anni ’60 e ’70 del Novecento (soprattutto in America e in Inghilterra) di fronte al fuoco, con pesanti perdite di vite umane e ingenti danni alle proprietà. Le strategie correntemente applicate nei normali edifici hanno richiesto di essere riesaminate e riconfermate nei centri commerciali. Il problema è insito nella stessa concezione di tali strutture: vaste, senza interruzioni di continuità e con grandi atri, caratteristiche queste che favoriscono la propagazione dell’incendio, una volta che sia innescato, e dei fumi, di gran lunga la maggiore minaccia per l’incolumità delle persone. Infatti, quasi ogni altro tipo di edificio può essere compartimentato o suddiviso in zone di protezione, ma non i centri commerciali. Questo problema è soprattutto acuto negli spazi di vendita, dove non esistono né sono possibili separazioni fisiche resistenti al fuoco tra i vari esercizi   commerciali. Il fumo rappresenta il pericolo maggiore nel caso di incendio, per la sua rapidità a diffondersi e per gli ostacoli che crea alla fuga delle persone e allo stesso intervento delle squadre di soccorso. Il suo contenimento, e in generale la protezione contro gli incendi, rappresenta perciò uno dei principali requisiti al quale deve fare riferimento la progettazione architettonica e impiantistica dei centri commerciali. (articolo di Luca Ferrari).

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