La progettazione sostenibile degli uffici

Il progetto sostenibile per un edificio direzionale inizia con la definizione delle caratteristiche dell’involucro e la scelta della tipologia di impianto e si sviluppa poi attraverso l’implementazione di soluzioni ad elevate prestazioni in termini di benessere e di consumo energetico.

 

Gli edifici destinati al terziario costituiscono un settore molto eterogeneo per quanto riguarda dimensioni, tipologie costruttive e di utenza. Una classificazione fondamentale è quella che distingue gli edifici direzionali costruiti su misura per l’utente finale rispetto a quelli progettati e realizzati per essere affittati a diversi tenant. Tale distinzione influenza notevolmente l’approccio della progettazione impiantistica.

Dal punto di vista architettonico e funzionale gli edifici sono solitamente caratterizzati dalla presenza di zone perimetrali dotate di ampie vetrate, unitamente ad aree interne, spesso utilizzate per le sale riunioni, caratterizzate dalla necessità di illuminazione artificiale. Un immobile per uffici spesso presenta inoltre la combinazione di spazi individuali, ove l’occupante può regolare a suo piacimento le condizioni di comfort, e di aree open-space ove i parametri ambientali sono controllati da remoto dal sistema di supervisione. Sempre più diffuse sono soluzioni quali aree break e phone booth.

Gli spazi di lavoro richiedono un’elevata flessibilità essendo caratterizzati da una forte dinamicità per la frequente necessità di modifiche del lay-out interno e l’utilizzo discontinuo. I livelli effettivi di affollamento sono solitamente inferiori di almeno il 25% rispetto al valore massimo, con riduzioni fino al 60%. Gli impianti di climatizzazione devono quindi essere in grado di adeguare le prestazioni alle effettive necessità e permettere un facile adattamento alle mutevoli esigenze riducendo al minimo i costi in caso di modifica degli spazi.

Un aspetto fondamentale in fase di progettazione è rappresentato dal posizionamento delle reti di distribuzione dei fluidi (acqua e, soprattutto, aria) e dei terminali all’interno degli ambienti, che deve essere coordinato con il progetto delle altre discipline (interior design, strutture, impianti elettrici e speciali).

 

PARAMETRI DI PROGETTAZIONE

 

Condizioni di progetto

Temperatura: 20 °C in inverno, 26 °C in estate

Umidità relativa: > 30% in inverno, < 60% in estate

Velocità dell’aria: 0,05-0,15 m/s in inverno, 0,05-0,20 m/s in estate

Aria di rinnovo:

– uffici singoli: 7,5 L/s a persona + 0,4 L/s per m2

– uffici open-pace e sale riunioni: 7 L/s a persona + 0,6 L/s per m2

Filtrazione: classe ISO ePM1 80%

Livello sonoro: 35 dB(A) per uffici singoli e sale riunioni, 40 dB(A) per uffici open-pace

Carichi termici

Carichi esterni: 30 W/m²

Affollamento (persone/m2): 0,1 per uffici singoli, 0,12 per uffici open-pace, 0,6 per sale riunioni

Persone: carico sensibile 75 W a persona, carico totale 125 W a persona 

Illuminazione e computer: 20 W/m2

 

La soluzione tradizionale per l’allestimento è rappresentata dall’utilizzo dei controsoffitti per alloggiare corpi illuminanti e diffusori, occultare le reti impiantistiche e svolgere una funzione fonoassorbente. Negli ultimi anni si è tuttavia affermata la tendenza a eliminare il controsoffitto per lasciare a vista i solai (in cemento armato o in legno). Ciò consente inoltre di realizzare ambienti di maggiore altezza, quindi più vivibili dagli occupanti, e di aumentarne la flessibilità in caso di modifiche del lay-out delle postazioni di lavoro. A fronte di questi vantaggi è necessario valutare l’aspetto acustico, in particolare negli open-pace, e realizzare a regola d’arte la posa di canali e tubazioni.

 

Ambiente per ufficio con impianti a vista (© Studio O+A).

Condizioni di progetto e carichi termici

Nel box “Parametri di progettazione” sono indicate le condizioni di progetto e i carichi termici. Un discorso particolare riguarda il controllo dell’umidità relativa durante il periodo invernale che, come è noto, richiede un elevato consumo energetico nel caso in cui sia prescritto il valore convenzionale del 50%. Per realizzare edifici sostenibili, garantendo in ogni caso condizioni di benessere, si ritiene ormai accettabile un valore del 30%. Le più recenti linee guida ASHRAE (HVAC Application Handbook 2019) raccomandano valori ancora inferiori, compresi tra il 20 e il 30%. Ciò consente di limitare al minimo il trattamento di umidificazione o di impiegare, in alternativa ai sistemi tradizionali (a vapore o ad acqua nebulizzata), ruote entalpiche che recuperano il calore latente dall’aria estratta.

Per quanto riguarda il calcolo della portata minima di ventilazione, dalla quale dipende la qualità dell’aria interna, in attesa che venga pubblicata la norma che sostituisce la UNI 10339 del 1995, un possibile riferimento è costituito dal progetto di norma UNI 10339:2014 (ritirato per decadenza dei termini ma già recepito da alcune regione come la Lombardia), che prescriveva un valore dato dalla somma di due fattori relativi rispettivamente al numero di persone e alla superficie dell’ambiente (metodo introdotto dalla norma AHSRAE 62.1).

Il calcolo dei carichi termici dipende essenzialmente da due fattori: le prestazioni dell’involucro, che influenzano i carichi esterni, e la determinazione dei carichi endogeni (affollamento, luci e computer).

Allo scopo di ridurre i carichi frigoriferi dovuti alla radiazione solare, il Decreto Requisiti Minimi del 2015 ha introdotto il parametro dell’area solare equivalente estiva per unità di superficie utile. Ciò significa che, in presenza di facciate continue, è necessario prevedere vetri selettivi a basso fattore solare (non superiore a 0,3) unitamente a sistemi di schermatura, possibilmente di tipo mobile e installati all’esterno, che consentano di ridurre l’apporto solare in regime estivo e di sfruttare al massimo l’irraggiamento nel periodo invernale. La soluzione ottimale è costituita dall’impiego di schermi motorizzati comandati da sensori di illuminazione naturale posti in ambiente.

Schermatura esterna con frangisole verticali e orizzontali del Barangaroo South di Sidney progettato da RSHP.

Nella scelta della tipologia di impianto bisogna tenere conto del fatto che i carichi esterni dovuti a radiazione e trasmissione sono assai variabili nel tempo e possono essere di segno opposto in base all’orientamento.

Per quanto riguarda i carichi interni di tipo sensibile di un ufficio open-pace è possibile considerare  9 W/m2 per le persone e 20 W/m2 per le luci e computer.

PROTOCOLLI DI SOSTENIBILITA’

Un fattore che negli ultimi anni ha sostanzialmente influenzato le scelte progettuali è rappresentato dai protocolli di certificazione della sostenibilità, quali LEED, BREEAM e WELL. Questi standard si sono ormai affermati su scala globale in quanto percepiti da committenti e utenti finali come effettiva garanzia delle prestazioni ambientali e quindi strumento per aumentare il valore economico degli edifici sul mercato immobiliare.  Per quanto riguarda il protocollo LEED, risulta di capitale importanza quanto previsto nella sezione “Energy and atmosphere”.  Per rispettare il prerequisito “Energy Minimum Performance” deve essere verificato una riduzione del consumo annuo di energia primaria di almeno il 5% rispetto a quello dell’edificio di riferimento, detto Baseline Building. Il credito “Optimize Energy Performance” garantisce invece il maggiore numero di punti ottenibili che dipendono dalla percentuale di riduzione oltre il valore minimo del 5%. Per raggiungere il livello di certificazione più alto (Platinum) risulta quindi fondamentale l’utilizzo di impianti molto performanti. Fondamentale è inoltre l’attività di Commissioning che risulta un prerequisito nella sua accezione semplice (solo in fase di costruzione) oppure può garantire punti aggiuntivi se eseguita in modalità avanzata (enhanced), includendo le fase di progettazione e di consegna finale. Per l’esecuzione di tale attività è fondamentale che il progetto preveda la predisposizione di adeguati sistemi di misura, bilanciamento e taratura dell’impianto.  Tutti i protocolli prevedono inoltre il rispetto di determinate prestazioni in termini di qualità dell’ambiente interno.  Il LEED richiede come prerequisito l’utilizzo di sistemi di monitoraggio della portata d’aria esterna e consente di acquisire ulteriori punti utilizzando una portata di ventilazione maggiore del 30% rispetto al valore minimo oppure prevedendo un sistema di misurazione della concentrazione di CO2. Lo standard WELL rappresenta invece il protocollo appositamente sviluppato per certificare il livello di salute e di benessere degli ambienti e prevede requisiti più stringenti rispetto a quanto previsto dalle normative. Per quanto riguarda la filtrazione è ad esempio richiesta, in caso di impiego di unità di trattamento con ricircolo parziale (impianti a tutt’aria), la predisposizione di spazi per l’eventuale futura installazione di filtri a carboni attivi, unitamente a un adeguato dimensionamento del ventilatore. Tra i criteri opzionali che consentono di acquisire punteggio vi sono l’incremento delle portate d’aria del 30% rispetto al valore minimo previsto dallo standard ASHRAE, l’utilizzo di diffusori a dislocamento, il monitoraggio di tutti i parametri di qualità dell’aria mediante la misurazione di contaminanti quali particolato, CO2 e ozono, e l’indicazione in tempo reale dei valori misurati di temperatura, umidità e concentrazione di CO2. per ogni spazio occupato di superficie non superiore a 930 m2.

Tipologie di impianti

L’impianto di climatizzazione a servizio di un edificio direzionale deve rispondere ad una serie di requisiti. Oltre al benessere ambientale e a ridotti consumi energetici, è infatti necessario garantire la massima flessibilità di riconfigurazione del lay-out, unitamente a ingombri contenuti e ridotta manutenzione.

Le tipologie utilizzate si possono dividere nelle seguenti categorie:

  • impianti a tutt’aria;
  • impianti misti di tipo idronico (fan-coil, travi fredde, soffitti radianti);
  • impianti misti a espansione diretta VRF.

Gli impianti a tutt’aria

Con gli impianti a tutt’aria la ventilazione e il controllo delle condizioni termoigrometriche sono realizzati unicamente mediante l’immissione di aria con specifici valori di temperatura. Questi impianti richiedono l’impiego di elevate portate d’aria (circa 6 vol/h) con notevoli ingombri per i canali. Dal punto di vista energetico presentano invece il vantaggio di utilizzare direttamente l’aria esterna per il raffreddamento gratuito dell’ambiente quando le condizioni esterne lo consentono (free-cooling), aspetto particolarmente importante per edifici con zone aventi carichi frigoriferi per lunghi periodi dell’anno. Gli impianti possono essere a portata costante oppure variabile (VAV). I primi controllano il carico ambiente utilizzando una portata fissa e sono in genere utilizzati per trattare ambienti caratterizzati da una zona singola nella quale si immette aria con temperatura variabile. Gli impianti VAV realizzano invece il controllo di zone diverse mediante la modulazione della portata, in funzione dei carichi, ottenuta mediante cassette terminali di zona posizionate sui canali di mandata e di ripresa. Particolare attenzione è richiesta nella scelta dei diffusori d’aria, che devono essere a elevata induzione in modo da garantire le condizioni di benessere anche in presenza di ridotte portate d’aria immessa.

Fan-coil multifunzione per installazione sospesa a vista dotato di diffusori lineari ad alta induzione (Sagicofim – Kiefer).

Gli impianti idronici

In base al tipo di terminali, alimentati con acqua calda o fredda, gli impianti idronici possono essere di tre diverse tipologie: fan-coil, travi fredde e soffitti radianti.

Per garantire la ventilazione e il controllo dell’umidità viene immessa una portata d’aria esterna pari a 2-3 vol/h, quindi con minori ingombri dei canali rispetto agli impianti a tutt’aria.

Gli impianti possono essere del tipo a 2 o 4 tubi. Negli impianti a 2 tubi i terminali vengono alimentati mediante acqua fredda nel periodo estivo e acqua calda nel periodo invernale. Questa soluzione risulta adatta soltanto a edifici con un’unica esposizione e ridotte superfici vetrate, ovvero con carichi dello stesso tipo in tutte le zone. Per gli edifici con ambienti che presentano una richiesta contemporanea di caldo e di freddo da parte di zone con diversa esposizione oppure di una stessa zona anche nel corso della stessa giornata è necessario utilizzare impianti a 4 tubi nei quali si utilizzano terminali alimentati contemporaneamente da acqua calda e fredda.

Gli impianti a fan-coil consentono una rapida messa a regime e un facile controllo individuale della temperatura. Per contro comportano più elevati livelli sonori per la presenza del ventilatore e non trascurabili costi di manutenzione per la pulizia di filtri e bacinelle per la raccolta della condensa.  Il modello più utilizzato è quello orizzontale canalizzabile, nascosto nel controsoffitto e collegato con i diffusori di mandata e le griglie di ripresa. L’aria primaria solitamente viene immessa direttamente in ambiente in modo da garantire la ventilazione anche in caso di arresto del ventilatore del fan-coil al raggiungimento del set-point.

Un modello innovativo ad alte prestazioni, concepito per installazione sospesa in ambienti con solai a vista, è costituito dalla combinazione di un modulo di trattamento aria, dotato di ventilatore e batteria di scambio, con un pannello di forma rettangolare che funge da elemento fonoassorbente ed è integrato da diffusori d’aria lineari ad elevata induzione posti sui 4 lati. La batteria è alimentata con acqua fredda a 15 °C, per evitare la formazione di condensa, mentre la portata d’aria è modulabile in continuo.

Ambiente open-pace con travi fredde installate a filo controsoffitto (Madel).

Le travi fredde induttive presentano una serie di vantaggi rispetto ai fan-coil. Data l’assenza di filtro e bacinella di raccolta della condensa, esse garantiscono un’elevata qualità dell’aria ambiente. Le condizioni di comfort sono inoltre ottimali, dato che l’aria diffusa nella zona occupata presenta una velocità molto bassa e una temperatura vicina a quella dell’ambiente, mentre il livello sonoro non supera 30 dB(A). Dal punto di vista energetico è possibile ridurre i consumi in regime estivo, dato che viene utilizzata acqua fredda a una temperatura superiore a 15 °C, il che si traduce in una maggiore efficienza della centrale frigorifera. Acqua a questo livello di temperatura può essere anche ricavata da fonti gratuite quali falde acquifere, fiumi, laghi o mare. L’assenza del ventilatore consente inoltre di eliminare l’assorbimento elettrico del motore e il costo per le linee di alimentazione.

A fronte di tali vantaggi, l’impiego delle travi fredde richiede alcune precauzioni progettuali e di gestione. Per garantire l’effetto induttivo le travi devono essere sempre alimentate con l’esatta portata d’aria di progetto e ciò richiede la massima cura in fase di esecuzione e di taratura della rete di distribuzione, come pure una corretta manutenzione dei filtri installati nelle unità di trattamento. Al fine di evitare qualsiasi rischio di gocciolamento in ambiente in fase di raffreddamento, l’umidità relativa deve essere mantenuta al di sotto del 50%.

Le travi fredde possono essere del tipo ad incasso integrata nei quadrotti del controsoffitto oppure per installazione sospesa a vista. Entrambi i modelli possono essere dotati di apparecchi di illuminazione, rivelatori di incendio, testine sprinkler e sistemi di diffusione sonora, dando origine a elementi multifunzionali.

Un diverso modello di trave fredda è quello che risulta dalla combinazione di un diffusore a elevata induzione con una piastra radiante in estruso di alluminio dotata di tubazioni percorse dall’acqua. In questo caso l’aria ambiente che subisce l’effetto di induzione non attraversa una batteria alettata bensì lambisce la superficie esterna della piastra radiante e si raffredda per effetto convettivo. Questa tipologia presenta le medesime prestazioni delle travi tradizionali in termini di potenza specifica ma con dimensioni più contenute.

Travi fredde con piastra radiante e diffusore lineare ad alta induzione (Sagicofim – Kiefer).

La terza opzione è rappresentata dagli impianti a soffitti radianti, generalmente utilizzati nella versione con pannelli metallici e tubi in rame. Anch’essi, come le travi fredde, devono essere alimentati con acqua a 15-16 °C, ovvero di circa 2 °C superiore alla temperatura di rugiada dell’aria ambiente. La diffusione dell’aria primaria può essere effettuata a soffitto, a parete o a pavimento.

Una versione particolare è costituita dalle vele ibride, elementi radianti sospesi al solaio a vista che possono integrare un sistema di diffusione dell’aria primaria effettuata sui lati e corpi illuminanti. Si tratta di un sistema molto interessante nel caso in cui ci siano limitazioni di ingombro a soffitto (ad esempio in caso di ristrutturazioni) dato che lo spessore delle vele è di soli 100 mm.

Vele ibride con sistema di diffusione dell’aria integrato (MWH).

I soffitti radianti, essendo sistemi statici che scambiano calore soprattutto per irraggiamento, garantiscono, in fase di raffreddamento, ottime condizioni di comfort termico nonché acustico. Inoltre, come le travi fredde, assicurano elevate prestazioni dal punto di vista della manutenzione e della qualità dell’aria ed elevate prestazioni energetiche grazie all’utilizzo di acqua fredda ad alta temperatura.

Gli impianti VRF

Gli impianti VRF (Variable Refrigerant Flow) prevedono l’impiego di unità terminali a espansione diretta (delle medesime tipologie dei terminali fan-coil) collegate mediante tubazioni frigorifere a una o più unità motocondensanti con sorgente aria o acqua. Il sistema può funzionare sia in raffreddamento sia in riscaldamento a pompa di calore. Inoltre, è anche disponibile la versione a recupero di calore, con funzionamento simultaneo di una parte delle unità in regime di raffreddamento e delle restanti in riscaldamento.

I sistemi VRF presentano un’elevata efficienza energetica, in quanto si evita l’impiego di un fluido intermedio quale l’acqua. Data la presenza di gas refrigerante all’interno degli ambienti, è tuttavia da considerare il rischio di impatto ambientale in caso di perdite dal circuito e osservare le prescrizioni di sicurezza imposte dalla norma UNI EN 378, che fissa i limiti di carica massima di refrigerante contenuto nei circuiti in funzione del volume dell’ambiente servito.

Le unità di trattamento dell’aria primaria possono essere dotate di batterie di scambio ad acqua calda e refrigerata, prodotta da un gruppo frigorifero dedicato oppure mediante un modulo idronico collegato con il sistema VRF. In alternativa possono essere equipaggiate di batteria a espansione diretta di riscaldamento o raffreddamento collegata direttamente con il sistema VRF.

Impianti ad attivazione termica della massa (TABS)

Gli impianti ad attivazione termica della massa, detti anche impianti TABS (Thermal Activated Building Systems) sono disponibili in due tipologie che si differenziano essenzialmente per il fatto di adottare acqua oppure aria come fluido termovettore. Per entrambe le soluzioni l’effetto di scambio termico con l’ambiente avviene per irraggiamento da parte dei solai in cemento armato a vista, con tutti i vantaggi in termini di comfort e assenza di manutenzione.

Tubazioni annegate nei solai per impianto ad attivazione della massa ad aria (Kiefer).

L’attivazione termica della massa con acqua si basa sull’impiego di tubazioni in polietilene, percorse da acqua fredda o calda, direttamente annegate nelle solette di cemento armato della struttura. Ciò consente di accumulare l’energia termica o frigorifera durante il periodo notturno in modo da ridurre le punte di carico durante il giorno e di conseguenza la potenza termica e frigorifera installata, con conseguenti risparmi sui costi di investimento e di esercizio. Dato che la centrale termofrigorifera funziona prevalentemente nel periodo notturno, è inoltre possibile sfruttare le tariffe elettriche ridotte. Il sistema presenta un’elevata inerzia termica e richiede l’aggiunta di un impianto di trattamento e distribuzione dell’aria primaria per il controllo dell’umidità e la ventilazione.

L’attivazione termica della massa con aria rappresenta la combinazione di un sistema radiante con un impianto di distribuzione dell’aria, necessaria per la ventilazione dell’ambiente. Il sistema si basa sull’impiego di tubi in estruso di alluminio, posati all’interno dell’armatura dei solai e successivamente annegati direttamente nel getto di calcestruzzo. I tubi hanno un diametro di 60 o 80 mm e sono caratterizzati da un profilo interno dotato di lamelle che aumentano la superficie interna di scambio e quindi la trasmissione di calore. Durante il periodo estivo l’aria esterna viene raffreddata fino a saturazione e immessa nelle tubazioni dove cede l’energia frigorifera alla massa in calcestruzzo, riscaldandosi fino a 21-22 °C, temperatura alla quale viene immessa in ambiente. In questo modo si raffredda la struttura dei solai, che scambiano energia frigorifera con l’ambiente occupato, e si utilizza la massa per effettuare il postriscaldamento dell’aria senza alcun consumo di energia primaria.

Nel funzionamento invernale l’aria esterna viene invece preriscaldata e immessa nei tubi ove si riscalda fino a 21 °C grazie allo scambio radiante con l’ambiente. Per soddisfare il fabbisogno di riscaldamento delle zone perimetrali vengono utilizzati convettori incassati a filo pavimento lungo le facciate. Il sistema consente una notevole riduzione dei consumi energetici grazie all’accumulo termico della massa dell’edificio e allo sfruttamento ottimale del free-cooling.

LE SALE RIUNIONI
Sala riunioni con travi fredde.

Una delle problematiche degli uffici per uffici da mettere in locazione è costituita dalla difficoltà di determinare in fase di progettazione, senza conoscere ancora il lay-out finale, quali saranno gli effettivi spazi destinati a sale riunioni, per i quali deve essere garantita una ventilazione adeguata all’affollamento previsto. Dato che non è possibile aumentare la portata d’aria esterna disponibile a ogni piano, una soluzione consiste nel prevedere un sistema di regolazione della portata immessa nei diversi ambienti in grado di seguire le persone nel passaggio dalla propria postazione di lavoro alle sale meeting. In caso di utilizzo di una sala riunione, una sonda di presenza comanda l’apertura di una serranda servocomandata modulante e quindi l’immissione in ambiente di un’adeguata portata d’aria esterna. In funzione dell’affollamento rilevato da una sonda di CO2 la portata d’aria viene modulata in base all’effettiva necessità. La portata d’aria esterna inviata alle sale riunioni viene ovviamente sottratta temporaneamente agli ambienti destinati ad uffici nei quali l’affollamento risulta tuttavia inferiore. Questo sistema è ovviamente valido soltanto per sale utilizzate soltanto dallo staff interno e non anche da ospiti.

Trattamento e distribuzione dell’aria

La soluzione tradizionale per il trattamento dell’aria si basa su unità centralizzate poste sulla copertura o ai piani interrati con montanti verticali per i canali di mandata e ripresa.

Una soluzione alternativa per edifici che vengono occupati da società diverse consiste nel prevedere unità di trattamento installate direttamente ai piani, con presa dell’aria esterna al piano oppure in copertura. Questa soluzione richiede la disponibilità di locali tecnici di piano ma consente di aumentare la flessibilità di funzionamento in base alle esigenze del tenant e all’effettiva occupazione dei locali, quindi con benefici dal punto di vista dei consumi energetici.

Le UTA, centralizzate o di piano, devono essere dotate di ruote entalpiche in grado di recuperare anche il calore latente dall’aria espulsa. Per gli impianti a travi fredde e soffitti radianti è necessario prevedere la deumidificazione dell’aria per evitare la formazione di condensa. In alternativa al tradizionale sistema con raffreddamento fino al punto di rugiada e successivo postriscaldamento, è possibile adottare UTA dotate di ruote termiche gemellari (twin wheels), una igroscopica (che trasferisce umidità e calore) e l’altra non igroscopica (che trasferisce solo calore sensibile). Esse presentano il vantaggio di effettuare in estate il post-riscaldamento senza utilizzo di una batteria calda, mentre in regime invernale è possibile garantire un’elevata efficienza di recupero del calore sia sensibile sia latente.

Per garantire la distribuzione della portata d’aria di progetto nelle diverse zone risulta fondamentale installare lungo la rete di distribuzione serrande di bilanciamento.

Diffusione dell’aria 

La scelta degli apparecchi per la diffusione dell’aria è solitamente legata allo stile dell’interior design ma non può prescindere dalle esigenze di comfort.  Il sistema di diffusione deve infatti consentire di ottenere una temperatura uniforme, senza ristagni o correnti d’aria fredda.

In caso di mandata  dall’alto, con o senza controsoffitto, la soluzione ottimale è costituita dai diffusori ad alta induzione, disponibili nelle versioni di forma circolare, quadrata o lineare. Essi consentono infatti di ottenere una rapida miscelazione dell’aria immessa con quella ambiente e di adottare in regime di raffreddamento elevati differenziali di temperatura (fino a 14 K). La ripresa dell’aria viziata dall’ambiente viene solitamente effettuata mediante griglie di estrazione poste a parete.

In alternativa è possibile adottare la mandata dal basso mediante diffusori installati sui pannelli del pavimento sopraelevato che funge da plenum per la distribuzione dell’aria (altezza minima 300 mm), mentre la ripresa viene effettuata a livello del soffitto. Il principale vantaggio di questa soluzione è costituito dalla flessibilità, grazie alla possibilità di spostare i pannelli dotati di diffusori in base alla configurazione del lay-out delle postazioni di lavoro. Un altro aspetto positivo riguarda l’eliminazione dei canali di distribuzione dell’aria e quindi la riduzione dell’ingombro in altezza del controsoffitto (o la sua eliminazione), con un importante guadagno in termini di altezza dell’ambiente.

La diffusione a pavimento consente inoltre di ottenere elevati livelli di benessere e di qualità dell’aria in quanto il movimento naturale dell’aria dal basso verso l’alto trasporta il calore, i contaminanti e la polvere lontano dalla zona occupata verso la parte superiore dell’ambiente. Inoltre, i singoli diffusori possono essere regolati da ogni occupante in base alle proprie esigenze, con notevoli benefici dal punto di vista psicologico per quanto riguarda il benessere percepito. Dato che l’aria viene immessa nelle vicinanze dei posti di lavoro, i diffusori devono essere del tipo a flusso elicoidale a elevato effetto induttivo che garantiscono una rapida miscelazione dell’aria immessa con l’ambiente. Per assicurare una buona qualità dell’aria il plenum deve essere preventivamente trattato con una verniciatura antipolvere, ispezionato periodicamente e, ove necessario, sottoposto a pulizia. Tali operazioni risultano in ogni caso più semplici e veloci rispetto all’ispezione e alla pulizia periodica dei canali di distribuzione, intervento purtroppo spesso trascurato benché imposto dalle normative.

Uffici con impianti a vista e diffusori ad alta induzione.

Produzione termofrigorifera

In base alla legislazione sul risparmio energetico, che impone l’impiego delle fonti rinnovabili per la copertura del fabbisogno termico e frigorifero degli edifici di nuova costruzione o sottoposti a ristrutturazione rilevante, la produzione dell’acqua calda e refrigerata è affidata di gruppi frigoriferi a pompa di calore.

La centrale termofrigorifera è composta, in base alla potenza necessaria, da uno o più unità dimensionate in base al massimo carico estivo contemporaneo. Le unità possono essere del tipo aria-acqua oppure acqua-acqua. La soluzione ad aria risulta di installazione più semplice nel caso sia disponibile uno spazio in copertura, tuttavia va prestata particolare attenzione al rumore generato, in particolare nel caso di edifici situati in centri abitati. In caso di riqualificazione di edifici esistenti e di indisponibilità di spazi in copertura può essere necessario installare i gruppi all’interno di centrali tecniche. In tal caso devono essere previste macchine con ventilatori centrifughi in grado di garantire una prevalenza sufficiente a vincere le perdite di carico presentate dai canali d’aria.

Le unità acqua-acqua vengono utilizzate quando è disponibile acqua di falda e possono essere installate in centrali tecniche poste anche al piano interrato, purché dotate di griglie di aerazione. Questa soluzione può consentire, grazie a una temperatura costante dell’acqua di falda intorno ai 15 °C, elevati valori di rendimento nel corso di tutto l’anno e quindi ridotti consumi energetici. Tuttavia, è necessario considerare che l’utilizzo dell’acqua di falda comporta l’ottenimento di un’autorizzazione da parte dell’autorità competente e il rispetto di prescrizioni relative alla temperatura di restituzione in falda dell’acqua (solitamente non superiore a 20 °C), il che influisce sul valore della portata d’acqua da prelevare. Inoltre, il costo di investimento risulta non trascurabile in quanto il sistema prevede, oltre ai pozzi di emungimento e di scarico, l’impiego di scambiatori sacrificali tra il circuito dell’acqua di falda e quello primario e di pompe sommerse regolate da inverter per modulare il funzionamento e quindi il consumo energetico in funzione dell’effettivo carico. La scelta tra sistemi ad aria o ad acqua deve essere effettuata sulla base di un’analisi energetica ed economica. È necessario considerare che la differenza di prestazioni si riduce per edifici che richiedono il raffreddamento anche nelle mezze stagioni e si annulla in caso di impianti a tutt’aria che sfruttano il free-cooling.

Per assicurare un’elevata efficienza su base stagionale è fondamentale prevedere gruppi con un elevato valore del rendimento al carico parziale, che dipende essenzialmente dal tipo di compressori utilizzati. Le unità più efficienti sono dotate di compressori centrifughi del tipo a levitazione magnetica senz’olio, che garantiscono anche una lunga vita operativa. Dato che esse presentano un più elevato costo di investimento, anche in questo caso la scelta della tipologia deve essere effettuata valutando il tempo di recupero sulla base dei risparmi di esercizio.

Grazie alla disponibilità di sistemi di regolazione digitali, è oggi possibile adottare soluzioni progettuali diverse da quelle tradizionali e che consentono di ridurre i consumi energetici.

In primo luogo, il differenziale di temperatura può essere aumentato da 5 a 8 K (ritorno a 13 °C, mandata a 5 °C) in modo da ridurre la portata d’acqua e di conseguenza la taglia delle apparecchiature (e il diametro delle tubazioni) e il consumo energetico delle pompe. A fronte di tali vantaggi si verifica una riduzione dell’efficienza del gruppo frigorifero che funziona con una temperatura di evaporazione inferiore, ma l’aumento del consumo energetico dei compressori è ampiamente bilanciato dal risparmio sul consumo delle pompe di circolazione. È da sottolineare che l’adozione del differenziale pari a 8 K per il dimensionamento delle batterie di raffreddamento delle UTA è prescritto dallo standard ASHRAE 90.1 (al quale fa riferimento la certificazione LEED).

È inoltre possibile far funzionare i gruppi frigoriferi con portata variabile all’evaporatore, purché progettato per operare in tali condizioni. In alternativa allo schema tradizionale, con doppio circuito e doppi gruppi di pompe, è quindi possibile utilizzare un solo circuito con modulazione della portata attraverso gli evaporatori, con una riduzione delle pompe necessarie e conseguenti risparmi sui costi di investimento e di esercizio.

Infine, le centrali dotate di più gruppi frigoriferi possono essere configurate con una disposizione di due chiller in serie, invece che in parallelo, in modo da far funzionare il primo con una temperatura di evaporazione più elevata e quindi con un minore consumo energetico.

La produzione dell’acqua calda sanitaria viene effettuata mediante pompe di calore ad aria posizionate direttamente nei servizi igienici. Rispetto alla produzione centralizzata tale soluzione consente di eliminare le reti di distribuzione dell’acqua calda, con i relativi costi energetici e oneri di manutenzione.

Accumulo frigorifero

I gruppi frigoriferi dimensionati in base al carico di punta funzionano a carico parziale per la maggior parte del tempo e pertanto vengono sfruttati pienamente soltanto per poche ore all’anno. La tecnica dell’accumulo frigorifero consiste nella produzione durante il periodo notturno di una parte dell’energia frigorifera richiesta durante il periodo diurno. Tale soluzione consente di ridurre la taglia dei gruppi frigoriferi (e quindi anche dell’impegno di potenza elettrica) e di sfruttare le tariffe multiorarie che prevedono costi inferiori durante il periodo notturno. Inoltre, garantisce la disponibilità di una riserva costante di energia frigorifera, utile per superare fermi per guasto di un gruppo oppure interruzioni di energia elettrica di breve durata.

Sistema di accumulo frigorifero con banche del ghiaccio (Calmac).

A fronte di tali benefici è necessario considerare gli ingombri e i costi del sistema di accumulo, nonché la maggiore complessità d’impianto. L’analisi economica di convenienza deve essere effettuata sulla base di una simulazione oraria dei carichi di raffreddamento e dei relativi costi energetici.

L’energia frigorifera può essere accumulata sotto forma di acqua refrigerata o di ghiaccio. L’utilizzo dell’acqua refrigerata consente l’impiego di gruppi frigoriferi monoblocco di produzione standard, con rendimenti superiori grazie alla più elevata temperatura di evaporazione. L’accumulo sotto forma di ghiaccio permette invece una notevole riduzione dei volumi necessari, grazie al suo elevato calore di fusione, nonché l’adozione di moduli prefabbricati di produzione industriale. Negli edifici per uffici situati nei centri urbani tale soluzione rappresenta l’opzione ottimale, considerata l’importanza di limitare gli ingombri degli spazi tecnici.

di Luca Stefanutti

L’articolo è tratto dal capitolo “Uffici” del libro “La climatizzazione sostenibile – Soluzioni progettuali e casi di studio“, pubblicato da Tecniche Nuove.

 

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