Attivazione termica ad aria per scuole efficienti e salubri

Figura 1 – Ambiente climatizzato con sistema ad attivazione termica della massa ad aria (Kiefer)

Gli edifici scolastici di nuova costruzione rappresentano il tipo di applicazione ideale per i sistemi di attivazione termica della massa con aria, che garantiscono bassi consumi energetici e ottime condizioni del microclima interno.

Scuole primarie e secondarie sono una delle maggiori cause di spreco energetico e molto spesso non sod­disfano i requisiti di benessere e salubrità dell’aria per studenti e insegnanti. Ciò vale non solo per gli edifici più vetusti, ma anche per quelli di nuova costruzione, per i quali vengono tuttora adottate tipologie costruttive e impianti non otti­mali.

Quasi sempre l’attenzione si limita infatti al comportamen­to invernale dell’involucro, ovvero alla trasmissione termica dei componenti opachi e trasparenti e alla tenuta all’aria, al fine di ridurre le dispersioni e le infiltrazioni. Vengono invece trascurate le prestazioni nelle mezze stagio­ni e in estate, di conseguenza si prediligono le costruzioni con strutture leggere a secco (anche in legno) che hanno il difetto di non garantire un’adeguata massa superficiale, requisito essen­ziale per assicurare una maggiore inerzia termica e quindi lo sfasa­mento del carico frigorifero gra­zie all’accumulo di energia che può compensare le fluttuazioni di breve periodo della temperatura esterna.

Per quanto riguarda la qualità dell’aria ambiente, bisogna invece considerare che i si­stemi di ventilazione meccanica controllata (VMC) provvedono all’immissione di portate di ricambio che sono conformi ai valori minimi previsti dalle normative ma che risultano inadeguate per ridurre la probabilità di infezione da batteri e virus in ambienti affollati come le aule scolastiche. Per minimizzare questi rischi, le ricerche condotte durante l’emergenza sanitaria hanno infatti dimostrato che, per diluire rapidamente i contaminanti, è neces­sario garantire portate di ventilazione più elevate dei valori nor­malmente adottati. Inoltre, l’impianto ideale dovrebbe evitare il ricircolo locale dell’aria e la formazione di forti correnti d’aria che aumentano il rischio di trasmissione diretta dei virus da perso­na a persona, come evidenziato nelle ultime raccomandazioni pubblicate dall’ASHRAE.

In base a tutti questi requisiti è quindi da evitare la scelta di impianti basati su terminali come fan-coil e unità interne VRF. Prestazioni più elevate si possono ottenere utilizzando terminali senza ricircolo locale, come i soffitti radian­ti, a patto però di controllare l’umidità (per evitare la formazione di condensa in fase di raffreddamento) e di aumentare la portata dell’aria primaria per migliorare l’effetto di diluizione dei contami­nanti ambientali.

La soluzione migliore è senza dubbio costituita dagli impianti a tutt’aria, che garantiscono portate di ventilazione fino a 6 vol/h. Solitamente si tratta di impianti che presuppon­gono il ricircolo dell’aria a livello di UTA e ciò non presenta un reale rischio di propagazione dei virus in considerazione della forte riduzione della concentrazione di aerosol infetti che si ot­tiene grazie alla miscela con aria esterna e alla filtrazione ad alta efficienza. A dimostrazione di ciò, in tutte le ricerche finora effet­tuate non è mai risultato che il ricircolo di aria attraverso siste­mi di trattamento dell’aria centralizzati abbia causato infezioni da COVID-19.

La scelta ottimale dal punto di vista della qualità dell’aria indoor consiste nell’impiego di questi sistemi senza il ricircolo che, tuttavia, comporta una penalizzazione energetica per il trattamento di elevate portate d’aria esterna. Esiste tuttavia una particolare versione di questi impianti che funziona a tutta esterna con consumi molto ridotti: i sistemi ad attivazione termi­ca della massa mediante l’aria primaria.

L’attivazione termica ad aria

Prima di approfondire la conoscenza di questi sistemi, basati sull’integrazione tra impianto di ventilazione e struttura dell’edi­ficio e noti con il nome di Concretcool, dobbiamo fare un passo indietro nel tempo.

La tecnica di utilizzare la massa come mezzo per controllare la temperatura dell’ambiente è vecchia di 2000 anni. Il tepidarium delle terme romane costituisce il primo esempio di ambiente ri­scaldato mediante un sistema radiante, chiamato ipocausto, ba­sato sulla circolazione di aria calda all’interno di uno spazio vuoto ricavato sotto il pavimento. Una soluzione che è stata rivisitata in epoca moderna fino ad arrivare agli attuali pannelli radianti con tubazioni plastiche percorse da acqua calda o fredda, utilizzati quindi anche per il raffrescamento.

Il sistema Concretcool si discosta decisamente dalle soluzioni ra­dianti tradizionali in quanto, come mezzo di trasmissione dell’e­nergia, sostituisce l’acqua con l’aria utilizzata per la ventilazione dell’ambiente.

Da questo punto di vista esso presenta quindi una notevole so­miglianza proprio con l’ipocausto romano in quanto si tratta della combinazione tra un sistema radiante e un impianto di ventila­zione. Il sistema Concretcool è stato introdotto sul mercato da circa 15 anni e applicato soprattutto in edifici per uffici, scuole e biblioteche in presenza di estese superfici a soffitto lasciate a vista (figura 1).

Figura 2 – l’alettatura interna dei tubi garantisce una grande superficie di scambio termico e quindi un’elevata trasmissione di energia verso la massa termica del calcestruzzo (Kiefer)

Esso prevede l’integrazione nella struttura in calcestruzzo dei solai di serpentine di tubi in alluminio estruso che vengono utilizzati per la distribuzione dell’aria e che presentano un diametro di 60 oppure di 80 cm e sono dotati di un’alettatura interna a lamel­le che garantisce una grande superficie di scam­bio termico e quindi un’elevata trasmissione di energia verso la massa termica del calcestruzzo (figura 2).

I tubi vengono posati all’interno dell’armatura e successivamente annegati direttamente nel getto (figura 3). Il calcolo dell’interasse e dello sviluppo del percorso delle serpen­tine del tubo di raffreddamento si base sul fabbisogno frigorifero e sulla portata d’aria richiesta da ogni ambiente (figura 4).

Figura 3 – a sinistra: i tubi vengono posati all’interno dell’armatura e successivamente annegati direttamente nel getto; Figura 4 -a destra: lo sviluppo delle serpentine si basa sul fabbisogno frigorifero e sul numero di diffusori d’aria (Kiefer)

Durante il periodo estivo l’impianto di trattamento dell’aria, tutta esterna, provvede al suo raffreddamento fino a 13 °C per garan­tirne la deumidificazione. L’aria entra quindi nei tubi, distribuiti su tutta la superficie dei solai, e progressivamente cede la sua 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 si trasforma in una superficie radiante che accumula e scambia energia fri­gorifera con l’ambiente occupato, garantendo elevate condizioni di benessere. Inoltre, si utilizza la massa per effettuare il post-ri­scaldamento dell’aria senza alcun consumo di energia primaria.

Nel funzionamento invernale l’aria esterna viene riscaldata me­diante un recuperatore di calore fino a 10-15 °C, temperatura alla quale viene distribuita nei tubi dove si riscalda fino a 20-21 °C, portandosi quindi in equilibrio termico con l’ambiente gra­zie all’apporto dei carichi interni. Durante l’inverno l’utilizzo del sistema è limitato alla funzione di ventilazione immettendo aria neutra. Il riscaldamento dell’aria avviene nel passaggio attraver­so i tubi integrati nei soffitti tramite l’energia termica accumulata nel calcestruzzo e prodotta dai carichi interni dovuti a persone e apparecchiature.

Il sistema consente in pratica il riscaldamento gratuito e passivo dell’ambiente mediante il calore endogeno prodotto da persone e apparecchiature (luci e computer), riducendo in modo signi­ficativo il fabbisogno termico per la ventilazione. Soltanto nelle condizioni di punta può risultare necessaria l’integrazione di calore mediante terminali di tipo statico alimentati con acqua calda.

Per soddisfare il fabbisogno di riscaldamento delle zone perimetrali possono essere utilizzati convettori incassati a filo pavimento lungo le facciate. In alternativa è possibile prevedere una batteria di riscaldamento nell’UTA in modo da immettere in ambiente aria a una temperatura leggermente superiore a quella ambiente.

Dal punto di vista del benessere e della qualità dell’a­ria ambiente, il grande vantaggio consiste nel fatto di immettere nell’ambiente una portata di aria esterna compresa tra 6 e 12 m3/h per m3 con la quale si garantisce sia un’efficace ventilazio­ne (e quindi la diluizione dei contaminanti interni) sia il control­lo dell’umidità relativa. La temperatura ambiente viene invece mantenuta esclusivamente grazie all’effetto ra­diante dei solai, senza movimenti d’aria fredda e senza stratificazione d’aria calda.

Sempre in termini di IAQ, è inoltre da considerare il fatto che i solai sono esposti a vista per garanti­re l’effetto radiante e ciò consente l’eliminazione dei controsoffitti, che spesso rappresentano un fattore di rischio dal punto di igienico a causa dell’accumulo di polvere e contaminanti.

La potenza frigorifera del sistema dipende es­senzialmente dalla portata d’aria utilizzata e dalla densità dei tubi ed è compresa tra 60 e 80 W/m2. Il processo di scambio termico è autoregolante e presenta un’elevata stabilità della temperatura ambiente grazie alla capa­cità di accumulo dei solai in calcestruzzo.

Per ridurre il consumo energetico per il trattamento dell’aria esterna, oltre all’utilizzo di recuperatori ad alta efficienza, è an­che possibile prevedere il suo passaggio attraverso gallerie o la­birinti in calcestruzzo realizzati al piano interrato (figura 5), all’in­terno dei quali la temperatura si mantiene tutto l’anno intorno a 15 °C. In questo modo si ottiene un effetto di free cooling in fase estiva e di free heating in fase invernale.

Figura 5 – Galleria in calcestruzzo per il pretrattamento dell’aria esterna

Non solo IAQ

Uno degli aspetti più interessanti del sistema è costituito dal fat­to che le elevate prestazioni in termini di benessere e IAQ vengo­no ottenute con consumi energetici molto contenuti, e ciò grazie alle caratteristiche costruttive e d’uso degli edifici di nuova co­struzione. Le elevate prestazioni termiche dell’involucro, dettate dai vincoli di legge sul risparmio energetico, si traducono in una forte riduzione del fabbisogno per il riscaldamento invernale degli edifici, ormai diventati quasi passivi. Per contro, l’ampio uso di facciate vetrate e l’elevata produzione di calore dovuta a perso­ne e computer comporta sempre di più la necessità di raffresca­re gli ambienti anche nei periodi non strettamente estivi.

La soluzione più conveniente per limitare i consumi energetici per il raffrescamento consiste nello sfruttare al massimo l’a­ria esterna utilizzata per la ventilazione, che risulta disponibile a bassa temperatura. In questo modo si ottiene il free cooling, ovvero il raffreddamento gratuito degli ambienti senza fare uso di apparecchiature frigorifere, il cui impiego può quindi essere limitato ai soli periodi di punta estivi, con un sensibile rispar­mio energetico.

Il sistema Concretcool è in grado di sfruttare al massimo questa opportunità dato che utilizza una portata d’aria esterna uguale a sistemi a tutt’aria, quindi superiore a quella dei sistemi di tipo misto con aria primaria. Un altro vantaggio è rap­presentato dal postriscaldamento gratuito in fase estiva: l’aria raffreddata e deumidificata nella UTA viene infatti portata alla temperatura neutra di immissione di 21 °C scambiando calore con la massa dei solai, eliminando quindi la necessità di utilizza­re batterie ad acqua calda.

Rispetto agli impianti a tutta aria, l’efficienza in fase estiva risulta più elevata grazie all’accumulo frigorifero nel periodo notturno: la circolazione nei tubi di aria a bassa temperatura consente infat­ti di raffreddare la massa che accumula così energia frigorifera da utilizzare il giorno successivo, riducendo l’utilizzo dei gruppi frigoriferi.

Nel complesso i consumi energetici su base annua­le risultano intorno a 30 kWh/m2, quindi inferiori a quelli di ogni altra tipologia di impianto per uffici. Di conseguenza risulta più semplice realizzare edifici nZEB, mentre le ottime prestazioni energetiche e l’impiego di una portata d’aria esterna superiore ai valori minimi richiesti dallo Standard ASHRAE 62.1 consentono di acquisire elevati punteggi nei crediti dei protocolli di certifica­zione ambientale LEED e WELL.

La diffusione dell’aria

Varie sono le soluzioni utilizzabili per la diffusione dell’aria in am­biente. La figura 6 mostra la vista in pianta ed in sezione con il posizionamento delle tubazioni per l’aria e il dettaglio del sistema di immissione con un diffusore a soffitto, mentre la ripresa viene effettuata a parete.

Nella figura 7 è invece mostrata la soluzio­ne con diffusori lineari posti a parete con la duplice funzione di mandata e ripresa dell’aria. Questa soluzione è molto interes­sante in quanto i diffusori possono essere installati nelle pareti divisorie oppure in ribassamenti o finte travi ricavate a soffitto. Il plenum di cui sono dotati svolge anche la funzione di attenuatore acustico.

Vantaggi per architetti e investitori

A fronte di tutti questi vantaggi per il progetto degli impianti, sono da valutare anche gli aspetti che interessano l’architetto e l’investitore, in particolare per edifici destinati a uffici. Dato che il sistema presuppone l’eliminazione dei controsoffitti, ciò consente, oltre a evitare il relativo costo, anche la possibilità di realizzare ambienti con un’altezza superiore di almeno 40 cm rispetto a quelli tradizionali. Inoltre, gli unici elementi tecnici a vista sono i diffusori dell’aria, se installati a soffitto.

Quando si tratta di un progetto di un edificio di grande altezza, l’eliminazione del controsoffitto presenta invece un altro vantag­gio potenziale per l’investitore, ovvero la possibilità di aumentare il numero di piani e quindi della superficie costruita. Ipotizzando un’altezza dell’edificio di 40 metri, con l’altezza di interpiano di 4 metri della soluzione standard si possono realizzare 10 piani, mentre se questa si riduce a 3,6 metri i piani diventano 11.

Altro aspetto importante è la flessibilità, ovvero la capacità del sistema di adeguarsi in modo semplice a modifiche del layout. Ogni modulo di facciata è infatti dotato di un circuito di tubazio­ni. È quindi possibile modificare la configurazione degli spazi il controllo del microclima per ogni modulo.

Il sistema consen­te inoltre la riduzione dei tempi di costruzione, dato che la re­alizzazione delle opere impiantistiche risulta più veloce grazie all’integrazione dei tubi nei solai. Infine, nella fase di gestione il Concretcool garantisce bassi costi operativi grazie non solo alle elevate prestazioni energetiche, ma anche a oneri di manuten­zione decisamente inferiori a quelli di impianti che impiegano terminali ambiente dotati di filtri.

Il sistema risulta conveniente anche dal punto di vista del costo di investimento economico in quanto integra nello stesso elemento il sistema di climatizzazio­ne e di ventilazione, utilizzando soltanto aria per garantire il con­trollo di temperatura e umidità e il ricambio igienico.

Conclusioni

Forse l’impianto ideale non esiste ancora ma sicuramente il siste­ma Concretcool rappresenta un’ottima soluzione per la climatiz­zazione di edifici scolastici, dove l’elevato affollamento richiede l’utilizzo di un’adeguata portata di aria di ricambio in spazi relati­vamente ristretti. Esso garantisce infatti non solo bassi consumi energetici, ma soprattutto un’adeguata ventilazione e condizioni di benessere ottimali, fattori decisivi per la concentrazione, l’ap­prendimento e l’insegnamento, combinando quindi efficienza energetica e qualità dell’aria ambiente, che rappresentano i pilastri fondamentali per realizzare edifici sostenibili in grado di garantire al tempo stesso la salute degli occupanti.

L’aspetto più innovativo, e che rappresenta la sfida più impegna­tiva per progettisti e installatori, è il fatto che per sviluppare e adottare un concetto di questo tipo per il progetto di un edificio è necessario seguire un approccio davvero olistico, secondo il quale architettura, strutture e impianti rappresentano discipline intimamente legate e tra loro interdipendenti.