L’utilizzo dell’aria come fluido termovettore o per scopi di ventilazione, in virtù dei suoi principi energetici e fluidodinamici, risulta in molte situazioni l’unica soluzione percorribile per garantire comfort, qualità dell’aria e risparmio energetico. A volte, purtroppo, nascono inconvenienti riconducibili al campo termofluidodinamico che si stabilisce all’interno dei locali. Nella quasi totalità dei casi la metodologia di diffusione dell’aria in ambiente avviene secondo il modello della miscelazione dell’aria immessa con quella presente (l’altra tecnica di ventilazione viene definita “a dislocamento”).
Ventilazione a miscela
La diffusione a miscela è caratterizzata da una velocità relativamente alta dell’aria di mandata (primaria), allo scopo di generare un alto tasso di induzione dell’aria presente in ambiente (secondaria) e cosi una miscelazione più intensa e una maggior uniformità di temperatura. In questo modo si ottiene una distribuzione uniforme in tutto il locale sia della temperatura, sia degli agenti inquinanti presenti in ambiente. Questo consente infatti di ridurre le stratificazioni, eliminare zone stagnanti e contrastare correnti convettive calde e fredde derivanti dalla presenza di pareti a temperatura superficiale diversa da quella dell’ambiente. Una mirata circolazione dell’aria è inoltre essenziale sia per la corretta miscelazione dell’aria esterna all’interno dello spazio ventilato, sia per il prelievo e la veicolazione dei contaminanti dall’ambiente ai filtri dell’unità di trattamento o di espulsione, attraverso i condotti di ripresa. L’aria viene fornita normalmente a livello del soffitto, a filo soffitto o più in basso, sotto forma di vene fluide orizzontali che penetrano nel locale e che sviluppano la miscelazione con l’aria ambiente in senso inverso alla direzione del flusso. Normalmente, le vene d’aria immesse dalle unità terminali di mandata (UTM) danno origine a una ventilazione a miscela. L’aria si diffonde in aree del locale al di fuori della zona occupata (ad esempio, lungo il soffitto o adiacenti a una parete). La zona occupata risulta ventilata da moti turbolenti secondari indotti dall’aria immessa nel locale. La geometria della UTM è determinante per la forma della vena d’aria uscente e a seconda del tipo si avranno vene d’aria coniche, piane, radiali e tridimensionali (swirl/turbolenza) a media-alta induzione. Mentre il getto tridimensionale è sempre libero, le altre tre tipologie di vene, conica, piana e radiale, possono presentarsi sotto forma di vena libera o vena aderente. La distribuzione tridimensionale è responsabile del fenomeno dell’alta induzione attraverso lo sviluppo di getti rotazionali liberi, ad elevato moto vorticoso.
Vene tridimensionali
Una vena d’aria tridimensionale si presenta in uscita da diffusori denominati a turbolenza o ad effetto elicoidale (swirl), caratterizzati per l’appunto da un flusso d’aria a moto turbolento, con elevato effetto induttivo e limitato valore di lancio. La forma dell’UTM può essere lineare, per installazione a soffitto o a parete, e circolare o quadrata, per applicazioni a soffitto o a pavimento. In tutti questi casi, la vena d’aria è essenzialmente libera, caratterizzata da un movimento rotatorio attorno al proprio asse. Le caratteristiche del flusso d’aria del sistema di distribuzione tridimensionale sono:
- generazione di getti liberi;
- alta induttività dei getti;
- nessuna formazione di fenomeni d’aria interna circolare che penetri nella zona occupata;
- il getto dell’aria di mandata riduce la sua velocità a tal punto, quando penetra nella zona occupata, da creare all’interno della stessa un effetto attivo diffuso tridimensionale.
Considerate le più ampie e migliori possibilità di miscelazione dell’aria interna, è possibile, con questo sistema di distribuzione dell’aria, immettere una quantità d’aria più elevata in ambiente senza dar luogo a correnti.
Il fenomeno dell’induzione
Il fenomeno dell’induzione per i diffusori consiste nel trascinamento di un certo numero di parti di aria ambiente per ciascuna parte di aria primaria distribuita. Il rapporto tra queste due quantità costituisce il rapporto di induzione esterna del diffusore. Come si può intuire, il rapporto di induzione aumenta con l’aumentare della distanza dal diffusore e con la distanza dal soffitto. In queste condizioni, il numero di parti d’aria ambiente indotte diviene progressivamente maggiore. Per tale motivo i rapporti di induzione di ciascun diffusore devono essere riferiti a ben definite distanze dal diffusore stesso e dal soffitto. Per la determinazione del rapporto di induzione Ri di un diffusore può essere utilizzata l’equazione:
Tm – Ts
Ri = ————–
Ta – Tm
dove:
Tm = temperatura media dell’aria miscelata in un punto di riferimento
Ts = temperatura dell’aria di mandata
Ta = temperatura media dell’aria ambiente entro la zona occupata
Velocità dell’aria
Il valore della velocità dell’aria in ambiente (e in generale del suo movimento) è un indice importante di benessere ed è strettamente correlato alla sensazione di comfort delle persone presenti. L’intensità della turbolenza dell’aria presenta anch’essa una grande importanza per quanto riguarda la sensazione di correnti d’aria. L’intensità della turbolenza viene espressa come rapporto fra la deviazione standard e la velocità media (si suppone che la prova venga effettuata con un sensore rapido con costante di tempo di circa un secondo), indipendentemente dalla direzione della corrente. La misurazione deve essere effettuata per un periodo di tre minuti.
L’alta induzione
Per superare le limitazioni dei diffusori tradizionali, sono stati sviluppati terminali per la diffusione dell’aria caratterizzati dal principio dell’alta induzione, che basano il proprio funzionamento su due diversi presupposti:
- suddividere l’aria in uscita in una serie di getti vorticosi, perciò ad andamento elicoidale/spiraliforme (i cosiddetti diffusori “twist”);
- suddividere il flusso d’aria in uscita in tanti getti separati.
In entrambi i casi, la portata d’aria totale risulta ripartita in un insieme di getti, ciascuno dei quali esercita un certo effetto di induzione sull’aria ambiente. Come si può intuire, il risultato complessivo permette di raggiungere valori del rapporto di induzione notevolmente superiori, a parità di altre condizioni, rispetto ai diffusori tradizionali. Si ottiene quindi una più rapida equalizzazione della temperatura dell’aria di mandata, consentendo differenziali di temperatura nell’ordine dei ±10 °C. Per la stessa ragione, anche la ventilazione da parte della frazione di aria esterna risulta più efficace. Altro aspetto interessante sta nel fatto che, per certi modelli, si possono utilizzare temperature dell’aria di mandata minori, con la conseguenza di ridurre la sezione dei canali, a parità di portata. L’impiego di questi diffusori consente di risolvere diversi requisiti non affrontabili con i sistemi tradizionali. In locali con soffitti bassi si può effettuare la climatizzazione senza cadute d’aria fredda. Il livello sonoro può essere controllato in fase di progetto per ottenere i valori prescritti. Il principio di suddividere la portata d’aria da distribuire negli ambienti in numerosi getti individuali costituisce una innovazione nelle tecniche di diffusione dell’aria per il miglioramento delle condizioni di benessere anche in applicazioni impegnative o difficili. I diffusori ad alta induzione sono realizzati in svariate soluzioni, generalmente dotati di plenum e/o serranda equalizzatrice, ma i modelli di utilizzo più frequente, e sui quali si è accumulata la maggiore esperienza, si possono suddividere a seconda della geometria e dell’installazione.
Diffusori a flusso elicoidale turbolento (twist)
Posizionati a filo soffitto o in campo libero, con portate d’aria nominali da 20 a 1500 l/s, sono dotati di una serie di alette fisse, inclinate di un certo angolo, che frazionano il getto d’aria primaria in più getti individuali, imprimendovi un moto spiraliforme. Risultano idonei per impianti a portata d’aria costante e variabile, dal 100% al 25%. In questa tipologia di prodotti, Trox propone la serie Airnamic (figura 1), con piastra frontale quadrata o rettangolare, ad effetto elicoidale e alette di regolazione a profilo tridimensionale che ne massimizza l’effetto induttivo e consente una velocità di immissione dei getti superiore ai 3 m/s. Sempre di Trox, ma con una maggiore ricerca architettonica e di modularità, la serie Xarto (figura 2) riprende lo stesso principio diffusionale (profili tridimensionali ed effetto elicoidale), ma grazie ad una particolare progettazione, la funzionalità del diffusore rimane pressoché assicurata indipendente dal design e dalla collocazione delle feritoie di immissione dell’aria sulla piastra frontale, rendendo illimitata la creatività artistica del designer. Allo stesso modo, i diffusori ADD di Trox, installabili a filo soffitto, con getti elicoidali ad alta induzione, a forma quadrata o circolare e design personalizzabile. La turbolenza e lo scarico orizzontale garantiscono il processo dell’alta induzione, che si traduce in riduzione rapida della temperatura differenziale e della velocità. In questo segmento, Lindab presenta il diffusore RS14H (figura 3) quadrato rotazionale con deflettori fissi, adatto sia per mandata che per ripresa. L’elemento rotazionale integrato garantisce una distribuzione ottimale dell’aria e un’elevata induzione, ed è pertanto particolarmente adatto per la mandata di aria con elevati ΔT estivi. Dall’aspetto insolito, ma indubbiamente efficace il modello ZMD di Schako (figura 4) permette una varietà diffusionale che va dal lancio profondo al getto diffuso, questo grazie alla calibrazione delle aperture anteriori ottenuta attraverso una serranda di regolazione che ne parzializza o meno i flussi. L’aria cosi immessa crea delle zone a bassa pressione che richiamano quella già presente in ambiente garantendo un forte effetto induttivo e di miscela.
Diffusori lineari a feritoie
Sono dotati di deflettori regolabili, ciascuno dei quali emette una serie di getti individuali che possono seguire andamenti diversi. L’esecuzione è rettangolare, con varie disposizioni delle feritoie sul pannello. Come i precedenti, anche questi diffusori sono utilizzabili in impianti a portata costante o variabile. Le portate d’aria nominali sono comprese da 80 a 280 l/s. Possono essere installati a parete o a soffitto. L’immissione dell’aria avviene con una molteplicità di microgetti in direzioni alternate e ad angolo di 45°. In questa categoria a flusso tangenziale, Sagicofim propone i modelli lineari ad alta induzione Indulsnap e Indul (figura 5), dove le alette dalla forma aerodinamica dividono il flusso d’aria in numerosi getti sottili turbolenti. Questi modelli risultano specialmente indicati per i sistemi radianti a soffitto o ad attivazione di massa, e si possono posizionare anche nelle intercapedini delle pareti divisorie. Nella medesima categoria, Systemair propone il modello KDA-K (figura 6), diffusore lineare swirl con feritoie alternate che immettono l’aria generando uno o due lanci orizzontali turbolenti. Questi diffusori sono idonei a neutralizzare carichi termici particolarmente elevati e/o con elevati ΔT estivi.
Diffusori a microugelli
È forse il segmento dove si è riscontrata più ricerca e innovazione in questi ultimi anni. Questi terminali comprendono un certo numero di ugelli, variamente disposti sul medesimo corpo. Il flusso d’aria primaria che arriva al diffusore viene così frazionato e distribuito dai singoli ugelli sotto forma di getti lineari. I diffusori sono realizzati in diverse conformazioni, e con diverso numero di ugelli, per varie tipologie applicative. Le portate d’aria sono generalmente comprese da 0,5 a 3,0 l/s per ugello. Sagicofim propone i modelli Indulclip e Indurall (figura 7) ad effetto elicoidale, dove i singoli elementi permettono di costruire svariate forme e disposizioni, consentendo l’installazione anche in spazi ristretti e senza controsoffitti. Inoltre, la variante Z-A (figura 8) permette di avere, senza cortocircuiti, nella parte centrale del medesimo diffusore una griglia di ripresa dell’aria. FCR, che distributrice in Italia i prodotti ad alta tecnologia della tedesca Krantz Komponent, presenta invece il modello BF-V (figura 9).
Disegnato in particolare per applicazioni del terziario, assicura una rapida equalizzazione della temperatura di immissione attraverso la doppia funzionalità di diffusione garantita dagli ugelli circolari inseriti in una frontale perforato, evitando le fastidiose cadute di temperatura in ambiente. Il principio di funzionamento fa in modo che l’induzione creata dal flusso turbolento generato dagli ugelli trascini anche l’aria che fuoriesce dalla griglia perforata. Anche Lindab, con il modello ND19, propone il diffusore con micro ugelli in nylon montati su cornice/piastra in alluminio, ma in questo caso con particolare attitudine all’installazione su condotti circolari. Sono adatti ad un utilizzo in ambienti dove siano necessari lanci profondi e contemporaneamente orientabili in più direzioni. Si caratterizzano soprattutto per l’elevato effetto induttivo con un ridotto livello sonoro e un perfetto controllo della velocità terminale nella zona occupata. L’altezza di installazione è compresa tra i 3 e gli 8 metri. Anche Schako propone un prodotto similare come il modello DSA: installabile a soffitto o parete, è particolarmente indicato a mantenere le grandi pareti vetrate asciutte, evitando i fastidiosi fenomeni di condensazione del vapor acqueo. Possiede un lancio profondo e un impatto acustico contenuto.
Diffusori da pavimento
In questo caso l’aria viene inviata direttamente dal pavimento verso la parte superiore del locale. Questo sistema risulta adatto per soluzioni particolari dove diventa necessario ridurre drasticamente l’impatto visivo dell’impianto distributivo dell’aria. Questi diffusori suddividono il flusso d’aria primaria in una serie di getti individuali con un forte effetto induttivo. Durante il raffreddamento, le correnti naturali convettive e l’effetto di Archimede nella regione a bassa velocità del getto possono causare una indesiderata caduta dell’aria immessa nella zona occupata, creando una zona di stratificazione appena al di sopra delle correnti naturali di convezione. Le temperature sono relativamente uniformi in tutto il locale, eccetto un leggero riscaldamento appena sopra la zona occupata e un raffreddamento in prossimità della caduta del getto.
Durante il riscaldamento l’aria primaria più calda sale velocemente dirigendosi verso il soffitto e la parete opposta, dove raffreddandosi ridiscende naturalmente nella zona occupata. La temperatura ambiente sopra lo strato di stratificazione (0,3 – 1 m dal pavimento) è relativamente costante, ma superiore a quella voluta. Questi diffusori richiedono la realizzazione di un pavimento rialzato in funzione da camera di plenum. Essi presentano la capacità più elevata di neutralizzazione di carichi termici ambiente rispetto a tutti gli altri tipi di diffusori da soffitto. I diffusori da pavimento sono realizzati con portate d’aria di 17 l/s. In questo segmento certamente un prodotto che ha avuto molte applicazioni di successo è il BDA di Schako (figura 11). L’elevata induzione creata dalla turbolenza del diffusore riduce rapidamente la temperatura e la velocità del flusso in prossimità del pavimento. In questo caso la temperatura dell’aria di immissione non deve essere inferiore a 19 °C e la differenza di temperatura consentita tra mandata e ritorno dell’aria deve essere < 10 K. Inoltre, la portata d’aria immessa, regolabile, deve garantire almeno un lancio verticale oltre la zona occupata, per esempio 1,30 m, nella situazione di occupanti prevalentemente seduti.
Diffusione verticale da soffitto
I diffusori finora trattati fanno riferimento nella quasi totalità a condizioni di carichi estivi o neutri (isotermi), mentre nel caso sia richiesto anche la funzionalità di riscaldamento non tutti i prodotti sono oggi in grado di rispondere in modo positivo a questa esigenza. Questa tipologia di prodotti, di norma regolati per fornire un getto d’aria a proiezione totalmente verticale, diviene cosi quasi indispensabile quando bisogna procedere al riscaldamento dei locali, specie se di grandi altezze. Il getto di aria calda penetra direttamente nella zona occupata e in parte si sparge lateralmente per il principio di Archimede (galleggiamento). Il pavimento, generalmente a temperatura inferiore, crea una bassa zona di stratificazione appena sotto la parte terminale del getto. Il livello e l’intensità della zona di stratificazione varierà a seconda della quantità di aria primaria inviata e dalle risalite convettive di calore dalle sorgenti di calore. Alcuni modelli sono realizzati espressamente per installazione in locali con soffitti di altezza elevata, fino a 12 metri. In raffreddamento, è bene comunque procedere con questa soluzione dopo aver valutato attentamente ogni possibile conseguenza, è possibile che si formi una zona di stratificazione in prossimità del soffitto, provocando temperature non uniformi nella zona occupata. Per consentire la doppia funzionalità di riscaldamento e raffreddamento i diffusori sono stati dotati di sistemi automatici a geometria variabile azionabili tramite servomotori. È questo il caso del diffusore KDA-V (figura 12) di Systemair, che con un range di portata compreso tra gli 80 e i 970 l/s risulta idoneo alla climatizzazione invernale, e non solo, di svariate categorie di edifici. Il getto può essere infatti orientato da verticale a orizzontate potendo assumere tutte le posizioni intermedie, attraverso una parzializzazione della corona perimetrale di passaggio dell’aria.
Conclusioni
I moderni prodotti per la diffusione dell’aria ad alta induzione sostituiscono con efficacia la tradizionale diffusione dell’aria spesso ancora relegata a componenti abituali come bocchette o anemostati. La varietà di prodotti e la loro specifica funzionalità, dice inoltre che è possibile per il progettista termotecnico consigliare un più frequente utilizzo di queste soluzioni, sia in virtù delle migliori prestazioni sia per una maggiore attenzione al design con funzione di valorizzazione dell’intero progetto architettonico.
Ing. Luca Ferrari
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