Soffitti radianti e vele ibride per la IAQ e la flessibilità

Tra le diverse tipologie di impianti HVAC disponibili per il terziario, i soffitti radianti e le vele ibride si distinguono per una serie di vantaggi che ne stanno decretando il crescente successo.

L’esperienza maturata nel corso della pandemia di Covid-19 ha messo in discussione il modo con il quale viene concepito e progettato l’ambiente ufficio. Oltre all’impiego di nuove soluzioni per l’organizzazione degli spazi, con una riduzione degli indici di affollamento per favorire il distanziamento sociale, è diventato ancora più importante prevedere sistemi di climatizzazione e ventilazione in grado di garantire non solo le condizioni ottimali di benessere ma anche la salute degli occupanti.

Purtroppo, è risaputo il fatto che uno dei punti deboli degli impianti HVAC è rappresentato dalla non corretta manutenzione dei terminali fan coil installati negli ambienti, che diventano così, molto frequentemente, una fonte di proliferazione e di diffusione di batteri e virus. In particolare, filtri e bacinelle di raccolta della condensa costituiscono i componenti che presentano i maggiori rischi dal punto di vista igienico. A causa degli elevati costi, gli interventi di ispezione e pulizia sono infatti spesso eseguiti con una frequenza e un’accuratezza non adeguate a garantire la necessaria IAQ.

Come soluzione a questo problema si potrebbe pensare di continuare a utilizzare i fan coil aggiungendo lampade germicide oppure filtri elettrostatici. A prescindere dall’efficacia di questi sistemi, tutta da dimostrare, in realtà il loro impiego rischia di provocare un danno ancora maggiore in quanto può indurre a illudersi che la manutenzione non sia più necessaria.

Al contrario, a prescindere dal tipo di sistema di filtrazione o depurazione che si intende utilizzare, i fan coil restano una tipologia di terminale che presenta elevati oneri di gestione. Risulta quindi necessario valutare soluzioni alternative che siano in grado di garantire un’elevata IAQ proprio grazie al fatto di essere a manutenzione zero.

Altre caratteristiche richieste agli impianti destinati agli spazi per uffici di ultima generazione, in particolare se a servizio di edifici multitenant, sono la flessibilità, ovvero la capacità di adattarsi a modifiche della configurazione del lay-out, e ovviamente l’efficienza energetica.

La scelta della tipologia di impianto

L’impianto ideale in termini di IAQ è quello a tutt’aria a portata variabile, in quanto garantisce i valori più elevati di portata d’aria pulita immessa in ambiente, che rappresenta il fattore più importante per la diluizione degli inquinanti ambientali. Inoltre, esso presenta le migliori prestazioni dal punto di vista energetico dato che consente di utilizzare direttamente l’aria esterna per il raffreddamento gratuito dell’ambiente (free cooling), aspetto particolarmente importante per edifici con zone aventi carichi frigoriferi per lunghi periodi dell’anno dovuti a facciate vetrate di grandi dimensioni.

Il problema degli impianti a tutt’aria è rappresentato dalla necessità di richiedere spazi di notevoli dimensioni per l’alloggiamento dei canali di distribuzione dell’aria, spazi che spesso non sono disponibili, in particolare negli interventi di ristrutturazione.

Una valida soluzione alternativa è costituita dagli impianti con soffitti radianti, in virtù delle elevate condizioni sia di comfort termico e acustico sia di qualità dell’aria ambiente, nonché dei bassi oneri di manutenzione, grazie all’assenza di filtro e di bacinella di raccolta della condensa. Si tratta di impianti di tipo misto aria-acqua nei quali l’aria primaria provvede alla ventilazione e al controllo dell’umidità relativa mentre il controllo della temperatura è affidato ai terminali radianti posti a soffitto (figura 1). In estate il carico termico sensibile è neutralizzato dai terminali alimentati con acqua fredda a 15 °C.

Lo scambio termico avviene per irraggiamento tra la superficie dell’elemento e l’ambiente, al quale si aggiunge un contributo di natura convettiva per i moti naturali di aria che si creano a causa della differenza di temperatura (e quindi di densità) tra l’aria in contatto con la superficie del soffitto radiante e quel­la dell’ambiente. Si crea infatti una circolazione naturale di un flusso d’aria che essendo più calda sale verso l’alto, si raffredda a contatto con i pannelli e ricade poi verso il basso con velocità molto bassa.

In fase di riscaldamento viene sfruttato soltanto l’effetto radiante della superficie calda dei pannelli che sono alimentati con acqua calda con temperatura variabile in funzione di quella esterna ma che in ogni caso non deve essere superiore a 45 °C per evita­re fenomeni di stratificazione di aria calda. La regolazione della resa avviene tramite valvole modulanti a 2 vie poste sulle tuba­zioni di alimentazione dell’acqua.

Caratteristiche costruttive

I soffitti radianti sono disponibili in varie tipologie che si differen­ziano in base ai materiali utilizzati per la costruzione del pannello e dei tubi, e di conseguenza delle rese termica e frigorifera. La versione più comune è quella integrata nei quadrotti dei con­trosoffitti.

La tipologia che garantisce le rese frigorifere e termiche più elevate si basa sull’impiego di pannelli metallici dotati di un ser­pentino di tubi in rame inseriti in profili di alluminio che hanno la funzione di ottimizzare la conduzione del calore. La superficie del pannello può essere liscia oppure microforata per migliorare l’assorbimento acustico.

Sulla parte superiore può essere applicato uno strato di isolamen­to termico in lana minerale per assicurare che l’effetto radiante sia diretto verso l’ambiente e non disperso nel controsoffitto. Lo strato isolante ha anche una funzione acustica per eliminare i ponti acustici tra ambienti diversi.

Tuttavia, è anche possibi­le evitare di prevedere l’isolamento in modo tale da attivare la massa in cemento armato dei solai e accumulare energia frigo­rifera. In alternativa alla versione metallica sono disponibili pan­nelli in cartongesso con serpentino in tubi in plastica (figura 2) oppure soffitti realizzati con doghe metalliche dotate di tubazioni multistrato (figura 3).

Aria primaria e controllo della condensa

L’unità di trattamento dell’aria primaria è composta dal recupe­ratore di calore (a flussi incrociati oppure rotativo), dalla sezione di filtrazione, dalle batterie di preriscaldamento, raffreddamento e deumidificazione e postriscaldamento, dalla sezione di umidi­ficazione e dai ventilatori di mandata e di ripresa (figura 4).

La distribuzione dell’aria avviene a portata costante con tempe­ratura variabile in funzione della temperatura esterna con valori che possono essere compresi tra 21-22 °C in regime invernale (con aria esterna al di sotto di 23 °C) e 18 °C in regime estivo (con aria esterna sopra i 30 °C).

La portata massima dell’aria primaria immessa in ambiente in genere corrisponde al quantitativo strettamente necessario per assicurare il ricambio igienico e solitamente non supera 2 vol/h. Tuttavia, si può valutare di aumentare questo valore se si deside­ra disporre di una sorgente gratuita di freddo (free cooling) nei periodi in cui non sia disponibile acqua refrigerata (ad esempio dopo la commutazione estate-inverno negli impianti a 2 tubi).

In fase estiva, per evitare il rischio di formazione di condensa sui pannelli, risulta fondamentale il controllo dell’umidità relati­va ambiente con un valore che non deve superare il 50%. Ciò richiede la corretta deumidificazione dell’aria primaria che deve essere raffreddata a completa saturazione fino a 12-13 °C. Con temperatura ambiente di 26 °C e umidità relativa del 50% la tem­peratura di rugiada risulta pari a 13 °C.

Mediante sonde di temperatura e umidità relativa poste in am­biente si regola la temperatura dell’acqua fredda inviata ai pan­nelli, mantenendola sempre al di sopra del punto di rugiada di almeno un paio di gradi, quindi a un valore non inferiore a 15 °C. Inoltre, è necessario prevedere l’im­piego di sonde di rugiada poste sulla tubazione di alimentazione dell’acqua fredda. In caso di impiego di serramenti apribili è anche consi­gliabile prevedere contatti di battuta che, all’apertura della fine­stra, arrestano la circolazione dell’acqua fredda onde evitare la formazione di condensa sui pannelli in caso di ingresso di aria umida negli ambienti.

Impianti a 2 o 4 tubi

Analogamente a tutte le altre tipologie di tipo misto, gli impianti a soffitti radianti possono essere a 2 o a 4 tubi. La versione a 2 tubi prevede una tubazione per la mandata dell’acqua e una per il ritorno. I pannelli sono dotati di un unico circuito che viene ali­mentato con acqua fredda nel periodo estivo e con acqua calda nel periodo invernale (figura 5).

Questo impianto risulta semplice e di costo contenuto ma non è in grado di fornire contempora­neamente freddo in alcune zone e caldo in altre e quindi risulta adatto soltanto a edifici con una sola esposizione, con elevata inerzia termica e con ridotte superfici vetrate, ovvero poco sen­sibili alle variazioni del clima esterno e con carichi dello stesso tipo in tutte le zone.

I limiti di questo impianto, sia dal punto di vista della regolazione che da quello della conduzione e gestione, si evidenziano in par­ticolare nelle stagioni intermedie, durante le quali in una stessa zona si possono verificare richieste di caldo e di freddo anche nel corso della stessa giornata.

L’impianto a 4 tubi prevede invece una doppia rete idraulica per la mandata dell’acqua calda e fredda (figura 5). In ogni momen­to i terminali possono quindi essere alimentati contemporanea­mente con acqua calda oppure fredda in base alla richiesta della regolazione automatica. L’impianto è quindi in grado di rispon­dere alle variazioni di carico che si verificano non solo durante la stessa stagione ma anche durante la stessa giornata. Per contro esso presenta costi più elevati sia di installazione che di gestione rispetto a un impianto a 2 tubi.

La diffusione dell’aria

La diffusione dell’aria primaria può essere effettuata a soffitto, a parete oppure a pavimento. Con l’impiego di diffusori a soffitto ad elevata induzione, la differenza di temperatura tra aria am­biente e aria di mandata può arrivare fino a 12 K, garantendo quindi un’elevata resa frigorifera e riducendo la necessità del po­striscaldamento nell’UTA. La diffusione a soffitto oppure a pare­te permette di lambire i pannelli con il flusso d’aria immessa au­mentando l’effetto convettivo dei pannelli con un aumento della resa di circa il 10% (figura 6).

Con una distribuzione effettuata mediante diffusori a pavimento la differenza di temperatura tra aria ambiente e aria di mandata non può invece superare 6 K. Tuttavia, è possibile sfruttare l’effetto di stratificazione del calore verso l’alto: i pannelli radianti si trovano pertanto a operare con un maggiore gradiente di temperatura rispetto all’ambiente e quindi con una resa superiore a quella teorica.

Aspetti prestazionali

Per il dimensionamento dell’impianto si utilizzano i dati tecnici ri­portati sui cataloghi dei costruttori relativi alla potenza frigorifera e termica, alla portata e alla perdita di carico lato acqua. Le rese frigorifere e termiche sono espresse in W per m2 e di­pendono dalla differenza tra la temperatura dell’aria ambiente e la temperatura media della superficie del pannello (pari alla temperatura media dell’acqua al suo interno).

Le condizioni standard di riferimento per il dimensionamento in raffreddamento sono di 26 °C per l’aria ambiente e di 16 °C per la temperatura media dell’acqua fredda, mentre in riscaldamento generalmente si assume l’aria ambiente a 20 °C e una tempera­tura media dell’acqua di 40 °C.

La potenza specifica frigorifera e termica dipende essenzialmente dalle caratteristiche costrutti­ve che influenzano il coefficiente di trasmissione. Alle condizioni standard le rese frigorifere sono di circa 100 W/m2 per i pannelli metallici con tubi in rame e di 65 W/m2 per i pannelli in carton­gesso con serpentino in tubi in plastica.

Le vele ibride

Una versione particolare di soffitti radianti è costituita dalle vele ibride, così definite in quanto si tratta di elementi sospesi ai solai a vista che, oltre alla funzione principale di controllo della tempe­ratura ambiente, integrano anche il sistema di diffusione dell’aria primaria e possono essere dotati anche di altre apparecchiature, come ad esempio i corpi illuminanti (figura 7).

Il pannello, realiz­zato in alluminio e integrato dal serpentino di scambio in rame, funge da plenum per il convogliamento dell’aria primaria. Ogni elemento presenta una larghezza compresa tra 700 e 1250 mm e una lunghezza fino a 5 metri e viene collegato alle tubazioni idrauliche e ai canali di distribuzione dell’aria mediante un ple­num (figura 8).

Solitamente ogni vela tratta un modulo di faccia­ta in modo da garantire la massima flessibilità di configurazione grazie alla possibilità, ad esempio, di trasformare un ambiente open-space in più uffici singoli. Lo spazio lasciato libero tra le vele consente di attestare le future pareti divisorie. Inoltre, grazie all’ingombro in altezza di soli 100 mm il sistema è particolarmen­te adatto per interventi di ristrutturazione di edifici esistenti con una ridotta altezza utile da pavimento a soffitto.

L’immissione dell’aria avviene a bassa velocità su tutta la lun­ghezza su entrambi i lati della vela, di conseguenza si evitano correnti d’aria fredda e si realizza una diffusione uniforme in tut­to lo spazio occupato. La ripresa dell’aria può essere effettuata mediante griglie poste a parete (figura 9) oppure installate nella parte inferiore del plenum di collegamento che quindi può svol­gere la doppia funzione di mandata e di ripresa (figura 10).

I moduli possono essere dotati anche di sistemi per la protezione antincendio quali testine sprinkler, rivelatori di fumo e diffusori EVAC. È possibile aumentare leggermente l’altezza della vela per alloggiare e nascondere al suo interno le tubazioni e le curve di raccordo alle testine.

La superficie inferiore della vela può essere realizzata con una lamiera microforata in modo da garantire l’as­sorbimento acustico all’interno di locali adibiti ad uffici (figura 11). Ogni vela può essere dotata di due circuiti idraulici distinti per l’acqua calda e fredda, facilitando il funzionamento nella mezza stagione senza dover ricorrere alla commutazione.

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Una vela ibrida associa quindi in modo semplice in un unico ele­mento tutte le funzioni richieste negli spazi adibiti a uso ufficio, assicurando un elevato comfort termico e acustico.

L’attivazione della massa

In regime di raffreddamento la vela può regolare il comfort am­bientale non solo mediante l’effetto radiante verso gli occupanti, ma anche attraverso l’attivazione della massa del solaio in calce­struzzo sovrastante, in regime autoregolante. In questo modo è possibile ottenere una maggiore resa frigorifera che risulta ade­guata anche per ambienti con elevati carichi termici.

L’impiego della massa per la gestione energetica significa che l’edificio, da un punto di vista termico, assume un comporta­mento dinamico. Contrariamente al comportamento statico, dove il carico termico viene neutralizzato soltanto durante le ore d’esercizio, in regime dinamico l’assorbimento del carico viene effettuato nel corso dell’intero ciclo, sia diurno che notturno.

La parte del carico che di giorno viene accumulata nei solai in calcestruzzo viene poi rilasciata durante la notte, in modo che il giorno successivo la proprietà di accumulo dei solai possa essere nuovamente utilizzata in modo ottimale per assorbire il calore generato in ambiente. Lo sfruttamento dell’attivazione termica della massa e la conseguente elevata potenza specifica permettono di ottenere, in regime di raffreddamento, un eser­cizio a basso consumo energetico con un’elevata temperatura media dell’acqua fredda e quindi con la possibilità di utilizzare fonti energetiche gratuite come l’acqua di falda.

Quando il carico frigorifero è ridotto, si sfrutta l’elevata efficien­za energetica fornita dall’acqua fredda nel corso dell’esercizio notturno (free cooling) per attivare termicamente la massa dei solai in calcestruzzo che provvede da sola, durante le ore diurne, all’assorbimento dei carichi termici.

Soltanto quando il carico termico è particolarmente elevato e i solai in calcestruzzo attivati termicamente nel corso della notte non sono più in grado di mantenere le condizioni ambientali nei limiti di comfort termico ottimale, la vela ibrida viene alimentata anche nel periodo diurno con acqua fredda.

In regime di riscaldamento, l’elevata velocità di reazione della superficie radiante orientata verso gli occupanti garantisce un comfort termico ottimale anche con acqua calda a bassa tem­peratura. Il dimensionamento avviene con l’ausilio di simulazioni dinamiche per poter verificare l’andamento della temperatura durante un periodo di 24 ore in funzione dei rispettivi parametri.

La simulazione avviene in una situazione quasi stazionaria, vale a dire che i valori iniziali e quelli finali sono identici dopo un anda­mento di 24 ore. Questo tipo di simulazione valuta il comporta­mento termico in un periodo più lungo e costante. Esso consen­te di confermare con certezza che la resa termica equivale alla quantità di calore assorbito e che la temperatura nel locale non subisce alcuna pendolazione.

Un caso di studio

A Milano è stato realizzato un intervento di riqualificazione di un immobile direzionale con superficie di quasi 20 mila metri quadrati ad uso uffici distribuiti su 11 piani. Per la climatizzazio­ne degli ambienti il progetto si è basato su un sistema con vele ibride che combinano la funzione di controllo della temperatura ambiente con quella di diffusione dell’aria. Lo spessore ridotto delle vele ha consentito l’installazione in ambienti con una limi­tata altezza utile di piano, una situazione molto comune negli in­terventi di ristrutturazione di edifici per uffici realizzati negli anni 60 e 70 (figura 12).

Complessivamente sono state installate circa 1500 vele con dimensione di 5 metri in lunghezza e un metro in larghezza, con resa termica di 102 W/m2 (ΔT di 15 K) e resa frigo­rifera di 85 W/m2 (ΔT di 8 K).

I corpi illuminanti sono stati installati nello spazio intermedio lasciato tra le vele. L’acqua calda e fredda viene prodotta da pompe di calore poliva­lenti ad acqua di falda che presentano un’elevata efficienza gra­zie alla distribuzione dei fluidi con un basso differenziale rispetto alla temperatura ambiente. Anche grazie a ciò è stato possibile ambire all’obiettivo della certificazione LEED Gold.