Teleriscaldamento. Un confronto con impianti innovativi

Al fine di trattare la tematica è stato preso in esame un caso reale di studio reale, oggetto di un incarico di consulenza tecnica, nei riguardi di un complesso residenziale sito in provincia di Milano e servito da sistema di teleriscaldamento condominiale.

Lo studio è stato condotto confrontando il costo di gestione energetica e la richiesta di approvvigionamento di energia termica fornita da teleriscaldamento condominiale con quelli dei potenziali sistemi alternativi di produzione energetica decentralizzati e a servizio del singolo complesso edilizio.

Le proposte di intervento sono state inoltre oggetto di una valutazione di fattibilità tecnico-economica con definizione dei tempi di ammortamento degli investimento previsti successivamente alla interruzione del servizio di teleriscaldamento condominiale ad oggi in essere.

Valutazione in merito al Teleriscaldamento condominiale: Introduzione allo studio condotto.

Lo studio è stato condotto in virtù di una reale richiesta del condominio di un complesso edilizio sito nella provincia di Milano, il quale sensibile ai considerevoli costi annuali di gestione del servizio di riscaldamento e produzione di acqua calda sanitaria, ha richiesto una valutazione di tipo tecnica ed economica al fine di individuare delle soluzioni alternative all’attuale impianto di produzione calore alimentato da rete di teleriscaldamento cittadino (Milano) al fine di consentire una riduzione dei costi del servizio suddetto.

Pertanto, tenuto conto degli importanti sviluppi intervenuti in questi anni sul fronte dei generatori di calore sia alimentati a gas naturale (e.g. caldaie a condensazione) o elettricamente (e.g. impianti geotermici a bassa entalpia) si confrontano due differenti soluzioni impiantistiche finalizzate alla sostituzione dell’attuale sistema di produzione calore.

Una volta accertata la fattibilità tecnica dell’intervento proposto si è proceduto ad effettuate una valutazione energetica-ambientale ed economica dell’investimento stimando i tempi di ammortamento dell’investimento stesso.

Sottostazione teleriscaldamento condominiale e descrizione del complesso edilizio e degli apparati impiantistici tecnologici

Il complesso edilizio oggetto dello studio è sito nella provincia di Milano e destinato esclusivamente ad attività di tipo civile residenziale. Tale complesso, costituito da due corpi di fabbrica distaccati tra loro e composti ciascuno da otto livelli fuori terra, è stato realizzato tra il 1960 e 1970 ed è caratterizzato da un involucro edilizio tradizionale in muratura non dotato di coibentazione termica.

I serramenti sono del tipo a taglio termico e vetro camera. L’impianto di produzione calore a servizio del suddetto complesso è costituito sostanzialmente da due distinte sottostazioni di scambio termico alimentate da acqua surriscaldata da servizio di teleriscaldamento condominiale.

Una prima sottostazione è a servizio del sistema di riscaldamento ambientale e la seconda sottostazione è a servizio del sistema di produzione acqua calda per uso igienico sanitario (ACS).

Ogni sottostazione è costituita da uno scambiatore di calore del tipo in acciaio a piastre alimentato sul circuito primario da acqua surriscaldata proveniente da rete di teleriscaldamento cittadino e sul circuito secondario da acqua costituente il fluido termovettore dell’impianto interno di riscaldamento o produzione ACS.

Inoltre, ogni sottostazione di scambio è dotata di un sistema di termoregolazione incarico di adeguare le portate sul circuito primario in funzione dell’effettiva richiesta termica registrata sul circuito secondario. In Fig.1 si riporta un esempio di sottostazione attualmente impiegata.

Fig.1 – Esempio di sottostazione di scambio calore da teleriscaldamento

I terminali di emissione interni sono costituiti pannelli radianti a pavimento impieganti come fluido termovettore acqua con temperatura di mandata di 40°C e ritorno in centrale di 30°C. La produzione di acqua calda sanitaria avviene mediante uno scambiatore ad accumulo termico ad asse verticale dal volume di 4000 litri.

Al fine di prevenire eventuali fenomeni di legionella la temperatura di accumulo dell’ACS, è impostata a valore di temperatura non inferiori a 75°C. Tale livello termico consente inoltre di garantire una adeguata riserva di energia termica nei periodi di maggiore prelievo.

L’acqua calda sanitaria in ogni caso viene inviata alle utenze ad una temperatura non superiore a 48°C grazie all’impiego di una termovalvola miscelatrice.

Analisi del fabbisogno di energia termica

Sono stati analizzati i dati di richiesta energetica mensile forniti dal gestore del servizio di rete all’amministrazione del condominio dall’anno 2009 al 2014. Il singolo valore mensile fornito è comprensivo sia del contributo di richiesta energetica derivante dall’impianto di riscaldamento sia di quello derivante dal contributo per la produzione di ACS.

La richiesta mensile di energia termica totale è riportata nel grafico di fig.2 per gli anni suddetti.

Fig.2 – Andamento mensile richiesta energia termica anni 2009-2014

Ai fini dello studio, considerata la ripetibilità annuale ciclicamente omogenea della richiesta energetica mensile negli anni analizzati, apprezzabile dallo stesso grafico di fig.2, è stato considerato un singolo anno solare di riferimento che intercorre dal mese di giugno 2013 fino a giugno 2014.

Nel grafico di fig.3, oltre al valore di energia termica totale richiesta, si riportano i valori di richiesta energetica effettiva nelle differenti componenti ovvero energia termica per riscaldamento ed energia termica per produzione di acqua calda sanitaria.

Il valore di richiesta di energia termica per la produzione di ACS mensile è stato derivato a partire dai dati di prelievo energetico nel mese immediatamente successivo alla sospensione del servizio di riscaldamento ambientale (da maggio a settembre).

Tali valori, che si mantengono in modo pressoché costante durante i mesi suddetti in assenza di riscaldamento ambientale, sono stati confrontanti con i mesi degli altri anni in esame (dal 2009 al 2014) in modo da ottenere un valore medio ripetibile per i mesi dell’anno il cui valore non è noto, ipotizzando che la richiesta di ACS in tali mesi sia all’incirca costante dato che l’occupazione degli edifici da parte dei condomini è a carattere continuativo.

Nell’anno in esame la richiesta complessiva di energia termica è risultata essere di 2.081 MWh.

Fig.3 – Richiesta di energia termica mensile per l’anno solare di riferimento 2012/2013 nelle diverse componenti (riscaldamento ambientale e produzione di ACS)

Descrizione degli interventi proposti

Sono state proposte due soluzioni alternative che prevedono la sostituzione del sistema di produzione calore esistente. Tali soluzioni vengono argomentate a seguire:

  • Soluzione ‘’A’’ – Dismissione totale dell’attuale sottostazione di scambio calore esistente con interruzione totale del servizio di teleriscaldamento condominiale. In sostituzione si prevede l’installazione di n.2 due generatori termici ad alta efficienza a condensazione alimentati a gas naturale rispettivamente a servizio del riscaldamento ambientale e alla produzione di ACS.

I due generatori suddetti sono inoltre del tipo a modulazione di potenza termica con mantenimento di elevati livelli di efficienza energetica anche a basso fattore di carico. Sono caratterizzati da una potenza nominale di 700 kW (generatore a servizio del riscaldamento ambientale) e di 250 kW (generatore a servizio della produzione ACS).

Per il generatore di calore a condensazione a servizio dell’impianto di riscaldamento si è stimato un valore di rendimento medio stagionale di 1,05 in relazione alle specifiche tecniche del generatore e delle condizioni operative. Per il generatore di calore a condensazione a servizio del sistema di produzione di acqua calda sanitaria si è stimato un valore di rendimento medio stagionale di 0,96 .

  • Soluzione ‘’B’’ – Anche in questo caso si è proposto la dismissione totale dell’attuale sottostazione di scambio calore esistente con interruzione totale del servizio di teleriscaldamento. In sostituzione si prevede l’installazione di n.2 due generatori termici di cui il primo a pompa di calore acqua/acqua dalla potenza termica complessiva di 700 kW (n.2 macchine in funzionamento in parallelo da 350 kW/cad) e impiegante come sorgente termica acqua di falda. Tale generatore è a servizio solo del sistema di riscaldamento ambientale

Il secondo generatore termico è del tipo ad alta efficienza a condensazione e della potenza di 250 kW. Tale generatore è a servizio esclusivo del sistema di produzione dell’acqua calda sanitaria.

Per la pompa di calore si è ipotizzato, sulla base delle specifiche tecniche del fabbricante e alle condizioni di operatività, un valore medio di COP di 3.8, supposto costante durante il periodo di funzionamento invernale in virtù della quasi invariabilità della temperatura di acqua di falda da cui attingerebbe la pompa di calore (valore prossimo a 14°C/15°C per l’intero periodo annuale).

Anche in questo caso, come per la soluzione ‘’A’’, per il generatore di calore a condensazione a servizio del sistema di produzione di acqua calda sanitaria si è stimato un valore di rendimento medio stagionale di 0,96 .

Entrambe le soluzioni (‘’A’’e‘’B’’), in termini di produzione di energia termica per il riscaldamento ambientale, basano la loro efficacia sulla produzione di fluidi termovettori a bassa temperatura in virtù al fatto che tale livello termico è compatibile con gli esistenti sistemi di riscaldamento a pavimento radiante.

Come noto, quanto più basse sono tali temperature, tanto maggiore è la percentuale del funzionamento annuo in condizione di condensazione, maggiore è il grado di rendimento e quindi l’economicità di esercizio dell’impianto.

Con il riscaldamento a pannelli dove le temperature di ritorno si aggirano al di sotto dei 40°C, si ottiene il maggiore grado di rendimento annuale, in quanto a queste temperature il funzionamento del riscaldamento consente per tutto l’anno lo sfruttamento della tecnologia della condensazione.

Analogamente tale condizione di operatività risulta essere necessaria anche nel caso dei sistemi di generazione a pompa di calore affinché possa essere esaltata l’efficienza delle stesse tecnologie impiantistiche e quindi operare con valori di COP elevati.

Teleriscaldamento (non solo costi): Analisi Ambientale

L’analisi delle emissioni inquinanti dei vari sistemi viene condotta sulla base dei valori ottenibili, riportati nella letteratura tecnica per i vari sistemi.

Le sostanze inquinanti prese in considerazione sono l’ossido di carbonio (CO) e gli ossidi di azoto (NOx). Per semplicità tutti i dati sono stati riportati ad un’unica unità di misura, vale a dire mg/kWht termico prodotto, ovvero in mg/MJt (Tab. I): ciò consente di evitare precisazioni e confusione di riferimenti a massa di emissione inquinante per unità di volume di fumi che richiede poi di precisare non solo in maniera ovvia temperatura e pressione di questi, ma anche un eguale eccesso d’aria di riferimento.

La Tab. I fornisce il campo di emissioni inquinanti che si incontra per i vari sistemi. Mentre non vi sono problemi interpretativi per i valori relativi alle caldaie e alle pompa di calore a gas, si deve precisare che per i sistemi cogenerativi viene imputata alla parte termica la frazione dell’emissione inquinante complessiva pari alla quota termica sull’energia utile totale. Per quanto riguarda il ciclo combinato in produzione elettrica pura, il valore dell’emissione inquinante per unità di energia elettrica prodotta serve a quantificare le emissioni inquinanti per le pompe di calore elettriche.

Il confronto mostra l’attuale grande superiorità dell’ultima generazione di caldaie a condensazione con bruciatore a microfiamme e premiscelazione totale, sia nei confronti della CO che degli NOx. Per le caratteristiche sfavorevoli dei motori a c.i., risultano molto penalizzanti sotto il profilo dell’inquinamento ambientale sia il teleriscaldamento con motori alternativi che con turbogas che le pompe di calore a motore.

Perché questi sistemi possano avvicinare il comportamento positivo delle nuove caldaie a condensazione, risulta indispensabile un adatto trattamento dei fumi dopo la combustione con catalizzatore ossidante per la CO ed eventualmente riduttore per gli NOx: in ogni caso non si riesce a raggiungere i valori ormai ridottissimi consentiti dalle nuove tecnologie di combustione negli apparecchi di piccola capacità .

Tab. I – Valori di emissione a confronto con diversi sistemi di generazione

Analisi Economica e valutazione dei tempi di ammortamento dell’investimento

Per l’anno in esame la richiesta complessiva di energia termica è risultata essere di 2.081 MWh corrispondente ad un costo annuale totale di € 220.210 considerando un costo medio di acquisto dell’energia termica dal servizio di teleriscaldamento di circa 0,11 c€/kWh (inclusa al IVA 10%) – [costi teleriscaldamento].

Per il gas naturale si è stimato un costo di acquisto, complessivo di oneri, di 0,80 c€/Sm3. Mentre per l’energia elettrica si è ipotizzato un costo di 0,2 c€/kWh anch’esso comprensivo di oneri fiscali. Nel grafico di fig.4 , affiancati ai dati di richiesta energetica relativa allo stato di fatto, si riportano le proiezioni di costo energetico di approvvigionamento nell’ipotesi dell’attuazione o della soluzione ‘’A’’ o della soluzione ‘’B’’.

Come si denota, per quanto concerne la soluzione ‘’A’’, mediamente la riduzione del costo annuale energetico complessivo è del 26,1% pari ad un risparmio annuale di € 57.503.

Relativamente alla soluzione ‘’B’’ la riduzione complessiva annuale del costo energetico è di € 94.612 equivalente ad un risparmio percentuale annuale complessivo del 43,0% con una percentuale di risparmio massimo stimata nel mese di gennaio del 47,2%.

Sempre dal grafico di fig.4 si nota che nei mesi in cui per assenza di richiesta il servizio di riscaldamento ambiente è sospeso e quindi l’impianto è interpellato solo ai fini della produzione di ACS, seppure in piccola entità, si ha una maggiore convenienza dell’attuale servizio di teleriscaldamento rispetto alle soluzione ‘’A’’ e ‘’B’’.

I costi stimati di investimento relativamente alla soluzione ‘’A’’, consistente nella installazione dei nuovi generatori a condensazione e dell’intera impiantistica a corredo sono stimabili in € 225.000 (importo comprensivo di IVA 10%). Senza considerare eventuali incentivi a supporto dell’investimento, il tempo di ammortamento risultante è pertanto di 3,8 anni per tale soluzione.

Invece, i costi stimati di investimento relativamente alla soluzione ‘’B’’, consistente nella installazione dei nuovi generatori a pompa di calore, del generatore a condensazione per l’ACS, opere di trivellazione e dell’intera impiantistica a corredo è stimabile in € 300.000 (importo comprensivo di IVA 10%). Anche in questo caso senza considerare eventuali incentivi a supporto dell’investimento, il tempo di ammortamento risultante per tale soluzione è di 3,2 anni.

Fig.4 – Costo energetico mensile per l’anno di riferimento oggetto di studio – Nuovi scenari di costo energetico offerte dalle soluzioni ‘’A’’ e ‘’B’’

Teleriscaldamento pro e contro. Sintesi dello studio

Lo studio condotto ha messo in evidenza che il teleriscaldamento, pur consentendo indubbi vantaggi dal punto di vista energetico rispetto alla generazione separata di pari quantità di energia termica ed elettrica, risulta spesso meno efficiente rispetto alle moderne tecnologie per il riscaldamento ambientale; le caldaie a condensazione garantiscono efficienze energetiche maggiori rispetto al teleriscaldamento “tradizionale” (turbine a vapore ed a gas), mentre le pompe di calore sono superate in efficienza energetica solo da cicli combinati di ultima generazione.

Il confronto sulle emissioni inquinanti è forse ancora più sorprendente, dal momento che, grazie ai numerosi miglioramenti tecnologici che le caldaie hanno avuto negli ultimi anni di sviluppo (bruciatori low-NOx, modulanti, premiscelati), il loro impiego produce un impatto ambientale decisamente minore delle tecnologie di teleriscaldamento (cicli combinati compresi).

Per superare questo importante gap le centrali di cogenerazione dovrebbero (o dovranno) provvedersi di sistemi di abbattimento degli inquinanti assai più efficaci degli attuali prima dello scarico dei fumi.

Si aggiunga inoltre la considerazione che le centrali di teleriscaldamento sono ormai assorbite all’interno dei nuclei urbani (un po’ a causa dell’espansione di questi ultimi, un po’ per la necessità di dover avere l’utenza termica vicino al luogo di produzione dell’energia), per cui la produzione di inquinanti va ad aggiungersi al già grave problema delle emissioni degli scarichi degli autoveicoli nelle centri abitati.

La convenienza delle soluzioni proposte basate su generazione a condensazione e a pompa di calorerisulta particolarmente interessante in considerazione anche ai ridotti tempi di ammortamento che caratterizzano l’investimento.

Dal punto di vista economico difatti, i risultati in termini di risparmio in costo energetico sono particolarmente perseguibili in virtù sia del risparmio annuo conseguibile sia del tempo di ammortamento inferiori a cinque anni per entrambe le soluzioni di intervento proposte.

Tuttavia è d’obbligo evidenziare che tale analisi è stata condotta prendendo come riferimento un complesso edilizio servito da un impianto impiegante terminali a bassa temperatura, condizione che influenza considerevolmente i rendimenti dei generatori termici suddetti ipotizzati e che quindi condiziona direttamente e sensibilmente i costi energetici.

Lo studio condotto non può essere preso in considerazione e quindi non può fornire quindi dati ripetibili nel caso di sistemi impiantistici impieganti terminali ad alta temperatura come ad esempio nel caso di radiatori di tipo tradizionale operanti con elevati salti termici.

Pertanto, in tale eventualità, in ogni caso non si escludono a priori eventuali vantaggi delle soluzioni proposte nello studio sui sistemi di teleriscaldamento tradizionali ma risulta indispensabile effettuare una attenta e analoga analisi energetica di fattibilità tecnica ed economica.

Bibliografia

[1] “Indagine conoscitiva sul settore del teleriscaldamento – IC 46”, Autorità garante per la concorrenza e il mercato, marzo 2014.

[2] Decreto legislativo 3 marzo 2011, n. 28, Attuazione della direttiva 2009/28/CE sulla promozione dell’uso dell’energia da fonti rinnovabili, recante modifica e successiva abrogazione delle direttive 2001/77/CE e 2003/30/CE (GU n.71 del 28-3-2011).

[3] Decreto legislativo 4 luglio 2014, n. 102, Attuazione della direttiva 2012/27/UE sull’efficienza energetica, che modifica le direttive 2009/125/CE e 2010/30/UE e abroga le direttive 2004/8/CE e 2006/32/CE (GU n.165 del 18-7-2014).

[4] Art. 29 della legge 23 dicembre 2000, numero 388 pubblicata nella Gazzetta Ufficiale n. 302 del 29 dicembre 2000 – Supplemento Ordinario n. 219.

[5] AA.VV, ENEA-Regione Lombardia “Elementi di linee guida per la promozione dei sistemi di teleriscaldamento”, marzo 2001.

[6] AA.VV, United Nations Environment Programme 2006, Energy Efficiency Guide for Industry in Asia, “Thermal Energy Equipment: Waste Heat Recovery”.

[7] “Commission Staff Working Document, Guidance note on Directive 2012/27/EU on energy efficiency, amending Directives 2009/125/EC and 2010/30/EC, and repealing Directives 2004/8/EC and 2006/32/EC”, article 14 – Commission Guidance, SWD (2013) 449, novembre 2013.

[8] M6 – Energy Distribution: “District Heating and Cooling, Intelligent Energy Europe”, UP-RES (Urban Planners with Renewable Energy Skills) Project, slides del modulo.

[9] Energy Charter Secretariat, “Cogeneration and District Heating Best Practices for Municipalities”, Energy Charter Protocol on Energy Efficiency and Related Environmental Aspects (PEEREA), 2006.

[10]AA.VV., GSE “I Certificati Bianchi, stato dell’arte”, atti convegno Federesco, Roma, giugno 2014.

[11] Renato Lazzrin, Marco Noro, Riscaldamento locale o teleriscaldamento Confronto energetico, ambientale ed economico. Atti convegno AICARR, Padova, giugno 2003.

CLIMATIZZAZIONE CUCINE

Guida alla Climatizzazione e ventilazione nelle cucine ad uso professionale

I centri cottura sono ambienti estremamente critici dal punto di vista della climatizzazione ambientale: macchinari che sviluppano potenze termiche importanti, un elevato numero di persone dedite ad un lavoro frenetico ed i fumi derivanti dalla cottura dei cibi concorrono tutti a peggiorare drasticamente il comfort ambientale e ad abbattere la qualità dell’aria. A questa situazione, già di per sé complicata, si aggiunge la primaria necessità di mantenere condizioni igienico-sanitarie ottimali, per poter garantire che la cottura e la conservazione dei cibi avvenga in un ambiente adeguato.

Questo articolo si propone di analizzare brevemente le problematiche, più o meno comuni, che il progettista può trovarsi di fronte nella realizzazione dell’impianto di climatizzazione a servizio di un centro cottura, fornendo altresì alcune valide soluzioni progettuali ed impiantistiche per il loro superamento.

Obiettivi progettuali

Il progettista scelga di accettare la sfida della realizzazione di un impianto di climatizzazione a servizio di un centro cottura dovrà, per prima cosa, fissare con attenzione quali siano gli obiettivi della progettazione. Senza ombra di dubbio, sarà in primo luogo necessario garantire l’igienicità dei cibi nelle fasi di cottura e di conservazione, nonché assicurarne il mantenimento delle proprietà organolettiche fino al momento della distribuzione.

Allo stesso modo, non è possibile prescindere dal mantenimento di adeguate condizioni di sicurezza e benessere ambientale per i lavoratori che possono stazione anche per ore all’interno del centro cottura, sottoposti a lavori pesanti e ritmo elevato.

Questo deve essere fatto, spesso, in strutture antiquate o con superfici e volumi sottodimensionati, fattori che rendono quasi impossibile avere degli standard di progettazione per i centri cottura.

Tali condense risultano anche essere corrosive in seguito alla consueta presenza di sostanze chimiche disciolte nell’acqua, a base di cloro, necessarie al trattamento disinfettante dell’acqua stessa. L’aggressività di tali condense può indurre un accelerato deterioramento dei manufatti stessi interessati da condensazione superficiale.

A completamento del quadro di complessità, le stesse predette sostanze chimiche disinfettanti disciolte in acqua evaporando in aria, tendono a minare la cosiddetta “qualità dell’aria interna” nei riguardi della salute dell’uomo in seguito alle formazioni di “cloro-ammine” le quali possono comportare nei confronti di tutti gli occupanti, problemi di tipo respiratorio, irritazioni della pelle e degli occhi.

La disamina condotta, evidenzia la molteplicità dei fattori che devono essere tenuti in considerazione e ci consente di comprendere come le piscine interne possano essere del tutto identificabili come ambienti critici ai fini della climatizzazione e controllo del trattamento dell’aria.

La ventilazione dei centri cottura

 

Il primo aspetto da attenzionare riguarda la corretta ventilazione dell’ambiente: mantenere una qualità dell’aria idonea alla corretta conservazione dei cibi ed allo stazionamento degli addetti è un’operazione tutt’altro che semplice.

La cottura degli alimenti provoca necessariamente esalazioni di fumi ed inquinanti, residui di calore, vapore acqueo, e prodotti organici rilasciati dai cibi: tali esalazioni si diffondono con estrema rapidità nell’ambiente, sfruttando flussi ascendenti. Sarà dunque fondamentale installare sistemi di captazione efficaci e sistemi che rimuovano inquinanti, vapori e fumi grassi. Prima di entrare nel dettaglio degli impianti di ventilazione per centri cottura, si forniscono alcune indicazioni progettuali con validità generale.

I canali dell’impianto di ventilazione dovranno essere dimensionati per velocità dell’aria comprese tra i 6 e gli 8 m/s, considerando accettabile un livello di pressione sonora di 40 dB. I canali stessi dovranno essere provvisti di aperture di ispezione posizionate in prossimità di ogni cambiamento di direzione e, per i tratti orizzontali, ad una distanza massima di 3 m l’una dall’altra; tali aperture sono fondamentali per la corretta manutenzione dell’impianto, cui, considerata l’elevata concentrazione di inquinanti, deve essere prestata particolare attenzione. Nel punto più basso è necessario prevedere una valvola di scarico per il grasso; in aggiunte si dovrà considerare una temperatura operativa per i ventilatori fino ai 230 °C. Infine, ma sicuramente non meno importante, il centro cottura dovrà essere mantenuto in depressione: è assolutamente da evitare che aria proveniente dalle cucine si sposti nei locali adiacenti oppure nelle strade, se non dove si è previsto di posizionare gli scarichi delle condotte di ventilazione.

Il dimensionamento dell’impianto di ventilazione

Come ben sa il progettista, il primo passo necessario per procedere consiste nel calcolo della portata d’aria esterna da immettere nell’ambiente per non intaccare la qualità dell’aria. Contrariamente a quanto avviene per altri ambienti, però, nel caso dei centri cottura non è consigliato un calcolo semplicistico basato esclusivamente sul volume o sulla superficie dell’ambiente. Certo, la normativa UNI 10339 permette di effettuare un calcolo di questo tipo (suggerendo una portata pari a 2,5 m3/(s*m2)), ma questa indicazione deve essere opportunamente pesata: sebbene tale approssimazione possa essere adatta per cucine residenziali o di piccoli ristoranti, non è certamente auspicabile il suo utilizzo per strutture con dimensioni ben più elevate, quali i centri cottura, che richiedono maggiore attenzione da parte del progettista.

Si consiglia allora di procedere con un calcolo che tenga in considerazione numero e tipologia di apparecchiature installate nel centro cottura, considerando, per ciascuna di esse, una determinata portata d’aria esterna da immettere nell’ambiente. Per i valori specifici associati a ciascuna apparecchiatura si rimanda alla specifica letteratura sull’argomento ma, per fornire un’idea delle grandezze in gioco, si riportano un paio di esempi: una brasiera potrebbe richiedere 1000 m3/h aggiuntivi mentre una friggitrice potrebbe facilmente superare i 2000 m3/h.

Non bisogna poi dimenticare il contributo necessario ad abbattere gli inquinanti generati dalla presenza del personale operante nel centro cottura: si tratta di persone che svolgono un lavoro di intensità elevata e, considerato che il fattore di affollamento dei centri cottura può essere abbastanza elevato, l’apporto ulteriore di aria esterna sarà molto sicuramente non trascurabile.

Possibili soluzioni impiantistiche

Si è appena visto come i centri cottura richiedano portate importanti per il mantenimento di una accettabile qualità dell’aria; non rimane dunque che capire come fornire efficientemente tali portate. È possibile innanzitutto scartare a priori l’ipotesi di mantenere la sola ventilazione naturale: ci trova davanti a richieste di ricambio d’aria troppo elevate e, non di rado, riprese e mandate dovranno essere localizzate in zone specifiche con elevate concentrazioni di fumi. Stabilito questo, rimane da scegliere un adeguato impianto di ventilazione tra le diverse scelte a disposizione: si presenta ora una breve trattazione delle soluzioni più comuni ed efficaci per risolvere il problema della ventilazione nei centri cottura.

Cappe tradizionali

Le cappe tradizionali sono dispositivi, noti a tutti, atti alla presa ed espulsione delle esalazioni. Possono essere di diverse tipologie (singole o plurime, con fissaggio a soffitto o a parete) e richiedono un adeguato dimensionamento e posizionamento in corrispondenza delle zone più critiche dei centri cottura, ad esempio in prossimità di una friggitrice. Come anticipato in precedenza, dovrà trattarsi di cappe dotate di ventilazione, ovvero con ventilatori con caratteristiche tecniche di portata e prevalenza adeguate.

In particolare le prevalenze possono essere particolarmente significative nel caso di canne fumarie con lunghezze importanti e caratterizzate da curve. Sempre riguardo alle prevalenze, andrà tenuto in debita considerazione l’inevitabile sporcamento della cappa: sebbene le cappe debbano essere realizzate in materiali inerti rispetto ad i residui della combustione e dotate di filtri anti-grasso, sarebbe un gravissimo errore ignorare il problema dello sporcamento. Pertanto sarà necessario prevedere un’adeguata manutenzione delle cappe, con pulizia dei canali e dei filtri e puntuale sostituzione di questi ultimi, sia per motivi tecnici che per ovvie ragioni igieniche.

Le cappe tradizionali risultano perciò spesso ingombranti e legate a doppio filo a layout del centro cottura: dimensionate in funzione di un determinato apparecchio e posizionate in sua prossimità, sono difficilmente adattabili in caso di ristrutturazioni o modifiche delle cucine.

Cappe a flusso bilanciato

La definizione di cappa a flusso bilanciato racchiude in realtà un sistema di apparecchiature, più o meno articolato, che, in aggiunta all’estrazione dei fumi e delle altre esalazioni, immette nell’ambiente aria di rinnovo filtrata e, in alcuni casi, climatizzata.

Tali sistemi sono pertanto composti, oltre che dalla cappa vera e propria, da un’unità di trattamento aria, frequentemente comune a più cappe, e dai relativi canali e componenti accessori. Fermo restando l’innegabile vantaggio nel fornire aria di rinnovo, le cappe a flusso bilanciato soffrono degli stessi svantaggi e delle stesse problematiche delle cappe tradizionali: elevata frequenza di manutenzione, ingombri elevati e ridotto flessibilità in seguito a modifiche nel layout del centro cottura.

Controsoffitti filtranti

Si tratta di controsoffitti ventilati dotati di aspirazione diffusa: l’aria aspirata, carica di inquinanti, viene filtrata ed espulsa all’esterno mentre nell’ambiente viene immessa aria esterna trattata e climatizzata; grassi e condense filtrati vengono raccolti in apposite vasche removibili.

Questi sistemi, oltre ai medesimi vantaggi offerti dalle cappe a flusso bilanciato, garantiscono l’assenza di correnti d’aria in prossimità dei corpi di cottura, tipiche delle cappe e potenzialmente dannose per la salute del personale, sono facilmente pulibili grazie alla loro natura modulare e si adattano bene, senza la necessità di operare alcuna variazione in seguito ad eventuali modifiche del layout del centro cottura.

Gli ingombri sono inoltre molto più contenuti rispetto alle cappe, in quanti ristretti al solo controsoffitto, e si ha una netta riduzione nel rumore causato dal sistema di ventilazione. Gli svantaggi che si accompagnano a questo sistema è chiaramente sono i costi maggiori rispetto alle cappe ed una ridotta efficienza di ventilazione.

Climatizzazione dei centri cottura

Nel precedente paragrafo si sono sinteticamente riassunte problematiche e relative soluzioni impiantistiche per la ventilazione dei centri cottura; ora si vuole affrontare la correlata tematica della climatizzazione dei medesimi ambienti.

La richiesta di riscaldamento nelle cucine è tipicamente contenuta: con una temperatura di progetto compresa tra i 20 ed i 23 °C, i carichi termici interni dovuti al funzionamento delle apparecchiature, alla cottura dei cibi e all’attività degli operatori soddisfano in larga parte la richiesta di energia termica durante la stagione invernale. Un’opzione interessante per ridurre ulteriormente il consumo energetico riguarda l’installazione di recuperatori di calore che sfruttino l’elevata temperatura dei fumi espulsi dall’ambiente. Il loro utilizzo è però fortemente limitato dal rischio di sporcamento dovuto dalla presenza di inquinanti oleosi nei flussi d’aria in uscita: uno scambiatore statico a tubi, la soluzione più adeguata, migliora l’efficienza energetica dell’impianto, andando però a gravare sugli oneri di manutenzione che, come già visti, sono molto consistenti nella gestione di un impianto di climatizzazione a servizio di un centro cottura.

Ben più complesso è il caso della climatizzazione estiva: i medesimi fattori che permettono di ridurre la richiesta di riscaldamento concorrono ad aumentare quella di climatizzazione, considerato che la temperatura ambiente deve attestarsi sui 28°C. Pertanto l’impianto di climatizzazione andrà progettato e dimensionato con particolare attenzione alla stagione estiva, ricordando inoltre che, in zone calde, si potrebbe avere richiesta di raffrescamento persino durante la stagione invernale.

Generalmente si vorrà unire l’impianto di climatizzazione ad i sistemi richiesti per la ventilazione, già considerati in precedenza. Pertanto la scelta ricadrà su sistemi ad aria provvisti di UTA operante senza ricircolo: un ricircolo, anche parziale, comporta il rischio di reintrodurre in ambiente anche il fumo e gli odori appena estratti; tale evenienza può essere evitata tramite l’utilizzo di celle filtranti a carbone attivo oppure di filtri elettrostatici, ma è necessario soppesare adeguatamente i benefici con i costi aggiuntivi da sostenere e con l’aumento nella richiesta di manutenzione ordinaria. Bisogna inoltre ricordare che l’aria immessa in ambiente non dovrà mai avere una temperatura inferiore a 16 °C per evitare la coagulazione del grasso sui filtri e, durante i periodi più freddi, la formazione di condense all’interno dei canali. L’UTA scelta dovrà dunque essere provvista di un’adeguata batteria di riscaldamento.

Conclusioni

Sono stati brevemente riassunti i punti salienti da tenere in considerazione nella progettazione di un impianto di climatizzazione e ventilazione a servizio di centri cottura di dimensioni medio/grandi. Si è visto che la ventilazione ricopre un ruolo fondamentale: in un ambiente dove viene continuamente emessa aria con concentrazioni elevatissime di inquinanti, quali grassi o fumi, è necessario fornire un’elevata portata di ricambio per mantenere la qualità dell’aria desiderata, onde evitare problemi di igiene e di salute. Questo si traduce nella necessità di utilizzare impianti di ventilazione meccanica con portate considerevoli: le soluzioni impiantistiche a disposizione sono limitate, ma non per questo inefficaci. Particolare attenzione va riservata alla temperatura di immissione dell’aria, sia nel periodo invernale che in quello estivo, per evitare la formazione di condense e la coagulazione dei grassi.

Per quanto riguarda la climatizzazione dell’ambiente, il riscaldamento della cucina sarà difficilmente un problema; richiederà molta più attenzione il dimensionamento dell’impianto di raffrescamento, considerata l’entità dei carichi termici interni dovuti al funzionamento delle apparecchiature, al calore dissipato nella cottura dei cibi ed all’attività degli operatori del centro cottura.

IMPIANTI HVAC A SERVIZIO DI PISCINE COPERTE

Piscine; Progettazione degli impianti di climatizzazione e trattamento dell’aria

Tra gli ambienti interni da climatizzare che offrono le maggiori sfide dal punto di vista progettuale è certamente possibile annoverare quelli delle piscine coperte. La climatizzazione di tali ambienti è di particolare interesse, nonché complessità, in virtù dei vari fattori da tenere in considerazione ed alla funzione a cui gli impianti di climatizzazione e trattamento dell’aria devono assolvere.

In tali sistemi, l’aria non ha solo il compito di controllare il valore ambientale di temperatura interna, ma bensì, come si apprenderà nel proseguo, ha anche delle caratteristiche funzionali all’interno dell’ambiente piscina. L’articolo vuole trasmettere al lettore delle nozioni aggiuntive, dettate dall’esperienza dell’autore, che vanno oltre ai dettami normativi che in ogni caso devono scrupolosamente essere rispettati.

La complessità “dell’ambiente piscina”

L’ambiente delle piscine coperte è del tutto peculiare in considerazione al fatto che al suo interno deve essere mantenuto durante il periodo invernale un elevato valore della temperatura dell’aria, uguale o superiore a quello dell’acqua della vasca che usualmente si attesta tra i 26°C ed i 29°C.

Inoltre si assiste ad un elevato tasso di produzione di vapore acqueo che si libera dallo specchio d’acqua e che contribuisce in modo significativo all’innalzamento del valore della umidità relativa interna.

Come ben noto, valori di umidità relativa superiori al 60%-70%, possono generare condizioni di discomfort, sia degli atleti che degli spettatori ed al contempo contribuire a provocare fenomeni di condensazione superficiale del vapore sulle superfici delle parti interne con particolare predilezione di tutte quelle le aree esposte verso l’ambiente esterno, o con locali confinanti non riscaldati, e quindi generalmente più fredde, (es. superfici vetrate, solai di copertura, ponti termici, ecc…).

Minore è il valore di umidità relativa e più alto sarà il valore della temperatura di rugiada dell’aria ovvero il valore di temperatura al di sotto del quale si assiste alla condensazione del vapore presente nell’aria.

La stessa formazione della condensa può generare muffe sugli elementi edilizi che trovano un “habitat” particolarmente ideale ai fini della loro crescita, essendo l’ambiente delle piscine particolarmente umido e caldo.

Tali condense risultano anche essere corrosive in seguito alla consueta presenza di sostanze chimiche disciolte nell’acqua, a base di cloro, necessarie al trattamento disinfettante dell’acqua stessa. L’aggressività di tali condense può indurre un accelerato deterioramento dei manufatti stessi interessati da condensazione superficiale.

A completamento del quadro di complessità, le stesse predette sostanze chimiche disinfettanti disciolte in acqua evaporando in aria, tendono a minare la cosiddetta “qualità dell’aria interna” nei riguardi della salute dell’uomo in seguito alle formazioni di “cloro-ammine” le quali possono comportare nei confronti di tutti gli occupanti, problemi di tipo respiratorio, irritazioni della pelle e degli occhi.

La disamina condotta, evidenzia la molteplicità dei fattori che devono essere tenuti in considerazione e ci consente di comprendere come le piscine interne possano essere del tutto identificabili come ambienti critici ai fini della climatizzazione e controllo del trattamento dell’aria.

Parametri da controllare all’interno della piscina

In Italia, i parametri da rispettare all’interno delle piscine, e quindi quelli anche progettuali, sono definiti nella Conferenza Stato-Regioni con Accordo 16 gennaio 2003, pubblicato in Gazzetta Ufficiale 3 marzo 2003, n. 51 (Accordo tra il Ministro della salute, le regioni e le province autonome di Trento e di Bolzano sugli aspetti igienico-sanitari per la costruzione, la manutenzione e la vigilanza delle piscine a uso natatorio) e nella fattispecie all’art. 1.6 rubricato “requisiti termoigrometrici e di ventilazione”.

In tale documento si specifica che per le piscine coperte, nella sezione delle attività natatorie e di balneazione, la temperatura dell’aria dovrà risultare non inferiore alla temperatura dell’acqua in vasca (tra 24°C e 30°C). L’umidità relativa dell’aria non dovrà superare in nessun caso il valore limite del 70%. La velocità dell’aria in corrispondenza delle zone utilizzate dai frequentatori non dovrà risultare superiore a 0,10 m/s e dovrà assicurarsi un ricambio di aria esterna di almeno 20 mc/h per metro quadrato di vasca. Se sono presenti aree tribuna con spettatori, alla predetta portata di ventilazione, si dovrà integrare la portata di aria esterna richiesta in conformità alla norma UNI 10339. Nelle altre zone destinate ai frequentatori (spogliatoi, servizi igienici, pronto soccorso) il ricambio dell’aria dovrà risultare non inferiore a 4 volumi/h e la temperatura dell’aria dovrà risultare non inferiore a 20°C.

Tipologia di sistemi di deumidificazione dell’aria

È evidente come in tali ambienti sia necessario un contemporaneo trattamento di riscaldamento dell’aria e di deumidificazione. In ambito civile, tale tipo di trattamento termoigrometrico è probabilmente unico e del tutto peculiare delle piscine coperte.

Il trattamento di deumidificazione dell’aria è ottenibile mediante impiego di sistemi di deumidificazione dell’aria impieganti un ciclo frigorifero con successivo recupero di calore di condensazione per il riscaldamento dell’aria stessa oppure mediante sistemi  che basano il loro funzionamento sull’immissione invernale di aria esterna fredda, caratterizzata da un ridotto tiolo (umidità assoluta), la quale adeguatamente miscelata con l’aria di ricircolo interna e successivamente riscaldata, consente il controllo dell’u

midità interna senza l’ausilio di alcun ciclo frigorifero.

Le due soluzioni risultano sostanzialmente differenti. La scelta in merito all’adozione di una delle due tecnologie non è di immediata decisione ed è necessario effettuare delle valutazioni approfondite che coinvolgono considerazioni rilevanti in merito alla località di installazione, le portate di deumidificazione, valutazioni energetiche, adeguatezza in valore delle potenze elettriche e termiche disponibili, nonché costi di investimento e di gestione.

L’architettura del sistema aeraulico. Quali accorgimenti?

L’impianto di distribuzione aeraulica ha un ruolo fondamentale nel raggiungimento di un efficacie trattamento dell’aria. Una buona progettazione non può prescindere da valutazioni attente sulla posizione dei terminali di mandata e ripresa aria. Per ambienti di grande dimensioni sarebbe opportuno effettuare una simulazione fluidodinamica agli elementi finiti al fine di predire, in fase progettuale, quelli che sarannoi flussi di aria di mandata e ripresa dell’aria dell’impianto.

La parte a seguire, tratterà separatamente il sistema di immissione ed il sistema di ripresa dell’aria.

  • Immissione dell’aria
    Il sistema di distribuzione dell’aria e di diffusione deve essere progettato in modo da garantire valori della velocità dell’aria in prossimità  dell’area occupata mai superiore a 0,1 m/s.È buona prassi che l’aria trattata, calda e deumidificata, sia immessa in corrispondenza delle superficie interne esposte verso l’esterno (vetri, solai interni, ecc.). L’effetto che ne consegue è duplice, in quanto: a) l’aria calda tende a riscaldare la superficie dei manufatti innalzandola rispetto al valore di rugiada, b) l’aria secca lambisce tali superfici, più fredde, ove altrimenti, se si verificasse il contatto con l’aria umida, si assisterebbe ad una potenziale condensazione del vapore.È assolutamente sconsigliabile prevedere principalmente l’immissione di aria sopra la vasca ed questa unicamente diretta la stessa. In tale modo si aumenterebbe il moto turbolento dell’aria enfatizzando l’intensità di evaporazione dell’acqua e quindi paradossalmente alimentando quel fenomeno a cui gli impianti di trattamento dell’aria sono incaricati di compensare con la loro azione.Tuttavia, a discapito di una trascurabile maggiore produzione di vapore in ambiente, una parte dell’aria trattata contenente aria esterna di rinnovo, è corretto che venga immessa ed indirizzata sopra lo specchio d’acqua al fine di svolgere sia una azione meccanica di “allontamento” delle atmosfere clorate che tendono, avendo queste un peso specifico inferiore a quello dell’aria, a stratificarsi sullo specchio della vasca.È proprio in corrispondenza dallo specchio della vasca, e quindi ove si concentrano tali sostanze, che si assiste alla respirazione del nuotatore. Inoltre in tale modo si apporta un quantitativo di aria esterna direttamente nelle zone dove è svolto l’attività fisica.Generalmente tale valore di portata dovrebbe essere pari a circa una frazione del 10-20% di tutta la portata di aria immessa all’interno della piscina.
  • Ripresa dell’aria
    La posizione della ripresa dell’aria ha un ruolo fondamentale al fine di garantire un efficace funzionamento del sistema di trattamento dell’aria.  Generalmente le griglie di ripresa non devono essere mai in prossimità delle bocchette di mandata, al fine di evitare fenomeni di corto-circuitazione aeraulica, tra aria immessa ed aria ripresa. Questo è un principio comune in tutti gli impianti aeraulici e quindi non solo in quelli a servizio delle piscine.Nel caso dei frequenti sistemi di immissione dell’aria dall’alto, sarebbe opportuno prevedere le sezioni di ripresa in corrispondenza della quota pavimento al fine di generare un effetto “pistone” per l’intero ambiente ed al contempo aspirare gli innquinanti, che come già anticipato, tendono a concentrarsi nella parte bassa dell’ambiente.Tale architettura ha anche la funzione di consentire la de-stratificazione dell’aria calda verso il solaio interno specialmente in caso di piscine ad elevata altezza interna.È in ogni caso sempre opportuno prevedere delle griglie di ripresa dell’aria nella parte superiore della piscina al fine di evitare la formazione di zone di stagnazione dell’aria. Inoltre tali elementi hanno anche la funzione di captare i flussi di aria calda e umida che tendono a stratificare verso la quota del solaio interno.Nel caso di tribune spettatori, è opportuno posizionare alcune griglie di ripresa proprio in tali zone in modo da allontanare dalla piscina, direttamente da ove si genera, il carico di vapore metabolico delle persone. In tali aree (tribune) è sconsigliabile prevedere delle sezioni di mandata dell’aria, specialmente se l’impianto è del tipo a tutta aria e “non a zone”. Difatti considerati gli elevati valori di temperatura interna di progetto, immettere in tali aree un ulteriore contributo di aria calda, indurrebbe ulteriormente a generare una condizione di sensazione di eccessivo caldo da parte degli occupanti già abbigliati appropriamene alla stagione invernale.Inoltre una combinazione di griglie di ripresa dell’aria, in posizioni bassa ed alta rispetto al volume interno della piscina, consente di prevenire la stratificazione dell’aria ed eventuali stagnazioni dell’aria a quote superiori.

Livelli di sovrapressione

Al fine di evitare che l’aria presente nelle piscine coperte possa defluire verso altri ambienti, differenti dalla stessa piscina (es. spogliatoi, zone ricreative, palestre, uffici, ecc..) è necessario che l’ambiente piscina sia mantenuto ad un valore di depressione rispetto agli ambienti circostanti.

Lo stato depressione eviterà che l’aria della piscina possa migrare verso altri ambienti per semplice infiltrazione o in caso di apertura delle porte di accesso. Un adeguato livello di depressione da garantire è di circa 5 Pa.

Gli spogliatoi devono essere in pressione positiva rispetto all’ambiente piscina ma a sua volta in depressione negativa rispetto gli altri locali (uffici, reception, ecc).

La depressione degli ambienti può essere ottenuta mediante uno squilibrio tra la portata di aria immessa e quella estratta, nella fattispecie immettendo una quantità di aria esterna minore rispetto a quella di aria estratta ed espulsa in ambiente esterno.

Importanza dell’involucro edilizio

Migliori saranno le prestazioni dell’involucro edilizio in termini di isolamento termico e minori saranno le probabilità che possano verificarsi fenomeni di condensazione superficiale. Questo è dovuto sostanzialmente al fatto che in tale modo si stabilizzeranno temperature interne superficiali superiori rispetto al caso  di presenza di elementi edilizi con scarse prestazioni di isolamento termico.

Conclusioni

Possiamo pertanto sintetizzare che nell’ambiente piscine, il fattore di controllo della temperatura è di rilievo ma non è né l’unico e né il più importante da garantire. Considerevoli accorgimenti devono essere adoperati, oltre per i sistemi di deumidificazione dell’aria, anche nei confronti dello studio dei flussi di aria immessa e ripresa dall’impianto.

Dal punto di vista di qualità dell’aria interna, le piscine devono essere oggetto di valutazioni dedicate, al fine di allontanare tutti gli inquinanti che si generano in seguito al trattamento chimico dell’acqua, specialmente in prossimità delle superfici delle vasche. Il ruolo della ventilazione è fondamentale in tali ambienti e non deve essere mai trascurato, sia esse piscine ad uso privato che pubblico.

IMPIANTI DI RISCALDAMENTO NELLE CHIESE

Riscaldamento chiese.  Una guida alla scelta impiantistica e confronto tra le varie tipologie di impianto

Il riscaldamento delle chiese di culto di interesse storico ed in particolare, considerato la tradizionale culturale del nostro paese, di chiese e santuari, presenta diverse criticità e sfide progettuali impegnative ed interessanti. Si tratta, nella maggioranza dei casi, di edifici con considerevole valore architettonico e artistico: la necessità di preservare questo patrimonio è prioritaria e può limitare il progettista nella scelta delle ideali condizioni termoigrometriche e della tipologia di impianto da installare. Scopo di questo articolo è proprio fornire un aiuto tecnico per la progettazione del più adeguato impianto di riscaldamento a servizio delle chiese e dei luoghi di culto in genere esistenti, grazie all’esperienza maturata dall’autore in questo ambito.

Verranno dunque analizzate le condizioni ottimali da ricercare ai fini del riscaldamento delle chiese, in funzione dei diversi fattori che le possono influenzare, quali presenza di opere d’arte o tempi di utilizzo; successivamente si fornirà una breve panoramica dei possibili impianti utilizzabili per il riscaldamento delle chiese, valutandone i pro e contro.

Il riscaldamento delle chiese tra comfort e risparmio energetico

Il progettista che si cimenti nella progettazione degli impianti meccanici realtivi ad un impianto di riscaldamento per chiese esistenti, specialmente se antica, riscontrerà subito, oltre alle note ed immediate problematiche progettuali, la quasi totale assenza di normativa di riferimento. A questo si aggiunge anche una sostanziale carenza di letteratura sull’argomento, che sta iniziando ad essere preso in seria considerazione solamente negli ultimi anni.

In anni relativamente recenti, la CEI (Conferenza Episcopale Italiana), attraverso la Commissione episcopale per la liturgia, si è posta, tra le altre, la problematica del risparmio energetico nelle chiese ed a questo proposito è stato pubblicato nel 1993 il documento “La Progettazione di Nuove Chiese”. Pur facendo riferimento ai soli edifici di nuova costruzione, il documento fornisce alcuni riferimenti utili anche nel caso di strutture esistenti.

Il primo passo da compiere è identificare le variabili che possono incidere sul raggiungimento delle condizioni di comfort termoigrometrico. Il pubblico che assiste alle funzioni liturgiche è generalmente presente in chiesa per un tempo variabile tra i 30 ed i 90 minuti, con un vestiario analogo a quello utilizzato all’esterno ed ha un’età media abbastanza elevata. Inoltre, si può coerentemente ipotizzare che trascorra la maggior parte del tempo in posizione seduta, di quiete.

In seguito andrà considerata la geometria dell’edificio nonché le sue caratteristiche costruttive: si tratta frequentemente di strutture con soffitti molto alti, spesso a cupola o a volta, realizzate con materiali non isolanti ma aventi, nella maggioranza dei casi, inerzie termiche molto elevate che limitano gli sbalzi di temperatura. In particolare, l’elevata altezza dei locali, soprattutto quando associata a particolari geometrie costruttive, può portare alla generazione di moti convettivi, frequente causa di discomfort in questa tipologia di edifici: non vi è una risposta univoca a questa problematica ma dovrà essere il progettista a valutare, caso per caso, le corrette soluzioni impiantistiche volte al superamento, o alla limitazione, di questa problematica.

Nelle chiese utilizzate esclusivamente per funzioni liturgiche si può allora considerare accettabile una temperatura operativa di 17-18°C, durante le funzioni stesse, con umidità relativa inferiore al 60%. Chiaramente è obiettivo del progettista mantenere questa temperatura nei periodi desiderati minimizzando la spesa energetica complessiva, scegliendo la tipologia di impianto di riscaldamento più adeguata e ricordando che, molto spesso, questo non sarà gestito da un tecnico e dovrà quindi essere il più semplice possibile da regolare.

Differente è invece il caso di edifici con un flusso costante di visitatori, quali santuari o chiese di particolare interesse artistico: poiché in questi luoghi le persone trascorrono più tempo e vi si possono presentare in una fascia oraria decisamente più ampia è necessario garantire temperature più elevate,intorno ai 20°C, per l’intero periodo di visita. Si preferisce allora optare per impianti con funzionamento continuo ed attenuazione notturna per ottimizzare in consumi energetici.

Il controllo termoigrometrico ai fini della salvguarda delle opere d’arte

La presenza di opere d’arte non è affatto infrequente all’interno delle chiese e dei luoghi di c

ulto in genere, siano essi dipinti, affreschi, statue o particolari materiali di costruzione; accanto a questi, un’obbligatoria menzione la meritano gli organi:

questi strumenti musicali, tipici delle chiese, hanno, in molti casi, un valore inestimabile ma presentano problematiche non indifferenti. Realizzati in legno e metallo con basso modulo elastico (stagno o piombo) necessitano di duplice attenzione: non solo repentine variazioni di umidità relativa possono danneggiare il legno, ma, in aggiunta, le parti metalliche sono soggette a scorrimento a caldo (creep) anche a temperatura ambiente ed è quindi fondamentale limitare le sollecitazioni termiche.

Tipologie di impianto di riscaldamento per chiese a confronto

SISTEMI CON PEDANA RADIANTE

Il sistema a pedana riscaldante è costituito da una struttura che si appoggia semplicamente al pavimento del volume da servire ed è costituito da un “pacchetto” di isolante rigido entro cui è posata la tubazione (serpentina) di riscaldamento. Al fine di garantire una migliore adesione del pannello è necessario impiegare dei fogli, o strisce, biadesive di ancoraggio.

Questo sistema di riscaldamento consente di raggiungere potenze termiche specifiche tra i 90/120 W/mq con temperatura di mandata di circa 40/50°C.

  • Vantaggi
    I vantaggi principali sono rappresentati sia dalla economicità del sistema sia che tali sistemi sono caratterizzati da una ridotta invasività in termini di opere edili previsionali (smantellamenti, scanalature, ecc.). E’ pertanto un sistema reversibile che non altera la struttura originari e che non vincola ad un eventuale futuro smontaggio della stessa pedana.Nel caso in cui tali pedane vadano a coprire dei pavimenti di particolare bellezza, facenti parte di un progetto architettonico più complesso del luogo, è possibile rivestire superiormente la superficie del pavimento con una serigrafia che riproduce l’aspetto iniziale del pavimento limitandone l’impatto estetico della posa di tali pedane.Inoltre è possibile operare con basse temperature del fluido termovettore e quindi impiegare sistemi di produzione dell’energia termica del tipo a pompa di calore.Rispetto al sistema radiante integrato a pavimento i tempi di messa a regime sono minori in seguito alla ridotta inerzia termica di tale sistema. Non è pertanto necessario prolungare la durata di funzionamento di tale sistema oltre quello liturgico.
  • Svantaggi
    Tale sistema non è sempre in grado di garantire la potenza termica richiesta per il riscaldamento ambientale in seguito alla necessità di dovere contenere la temperatura superficiale della pedana a valori tali da non arrecare danno alla salute delle persone.Essendo una tipologia di impianto di riscaldamento solo parzialmente integrato con la struttura del pavimento, è necessario prevedere dei passaggi, con posa esterna, delle tubazioni che alimentano le serpentine di riscaldamento delle pedane. Analogamente, i collettori devono essere alloggiati in appositi incaviricavati al di sotto dei banchi ed possibilmente integrati a tali strutture.Particolare attenzione dovrà essere rivolta al raccordo tra la pedana e le altre aree di pavimento, al fine di non creare degli scalini, anche di ridotta entità, e quindi prevenire scongiurate cadute dei fedeli che transitano verso tale area (di poco) sopraelevata.Dal punto di vista della resistenza strutturale, la pedana deve garantire la resistenza allo schiacciamento. E’ pertanto necessarie prevedere degli isolanti caratterizzati da carico massimo possibilmente non inferiore a 300 kPa (30.000 kg/mq) con eventuale griglia o piastra di ripartizione del carico.

SISTEMI AD ARIA CALDA

  • Vantaggi
    È un sistema che consente di ottenere rapidamente la messa a regime dell’area trattata nel caso di edifici di piccole dimensioni. Nel caso di edifici di grandi dimensioni, la messa in regime non è cosi immediata in quanto i volumi che le unità di trattamento aria devono ricircolare sono molto elevati. Sussiste anche la possibilità di utilizzare tale sistema anche durante il periodo di raffrescamento estivo. Non necessità né di tubazioni per il trasporto fluido termovettore né considerevoli opere edili previsionali.
  • Svantaggi
    Il principale svantaggio è dovuto alla stratificazione dell’aria calda. Fenomeno che si presenta nelle strutture caratterizzate da elevate altezze e quindi in quasi tutti i luoghi di culto di particolare pregio. Tale condizione penalizza fortemente le prestazioni dell’impianto di riscaldamento. Inoltre la stratificazione dell’aria incrementa la dispersione termica localizzata conseguendo una elevata inefficienza energetica e quindi costi di gestione elevati. La presenza di canalizzazioni, soprattutto per gli edifici a valore storico-artistico, comporta un impatto estetico non trascurabile. La movimentazione dell’aria indotta da tale impianto di riscaldamento, e delle relative polveri in esse contenute, ha un effetto degradante nei confronti delle opere d’arte. Sotto questo punto di vista, anche la stratificazione dell’aria in prossimità delle volte affrescate comporta un deterioramento di queste in seguito alla presenza di aria ad alta temperatura ed a basso valore di umidità relativa.

SISTEMI A PANCA

Questa forma di riscaldamento prevede l’applicazione di piastre riscaldanti ad acqua alimentate da circuiti tubolari. Tali piastre vengono installate sotto i sedili. Fungono come dei veri e propri radiatori a “contatto” con il corpo degli occupanti.

  • Vantaggi
    È un sistema poco invasivo e adatto a tutte quei luoghi ove siano presenti delle panche.
  • Svantaggi
    La parte superiore del corpo non viene coinvolta dal riscaldamento di tale sistema di impianto di riscaldamento. Le tubazioni del fluido termovettore devono essere inglobate all’interno delle medesime panche. In alcuni casi, soprattutto in climi rigidi, in seguito al ridotto apporto di calore che questo sistema offre, è necessario integrarlo con altri sistemi (es. Sistemi radianti elettrici, ecc…).

SISTEMI RADIANTI A GAS

I sistemi radianti gas sono caratterizzati da sistemi a combustione di gas (es. tubi radianti), ove il calore viene indirizzato verso le aree occupate mediante degli elementi riflettenti. Tali sistemi vengono collocati sulle pareti interne della struttura orientati verso le aree occupate.

  • Vantaggi
    È un sistema poco invasivo relativamente poco costoso. Non ì necessario agire sui volumi interna dell’aria in quanto il sistema di riscaldamento opera per irraggiamento.
  • Svantaggi
    Come tutti i sistemi a combustione richiede delle aperture di aerazione permanente. Tale condizione comporta un flusso di ventilazione che a sua volta incrementa le potenze termiche nel caso in cui tali aperture siano realizzate non nella parte superiore del volume del fabbricato. È necessario prevedere la posa di una rete di adduzione gas interna all’edificio nel caso in cui il bruciatore sia disaccoppiato dal sistema radiante.Il comfort offerto da tali sistemi non è ottimale in quanto il calore è viene trasferito per diretto irraggiamento da superfici che raggiungono elevati valori di temperatura.

IMPIANTI A SUPERFICI RADIANTI

Gli impianti a superfici radianti sono caratterizzati da superfici emittenti sotto alle quali passano tubi attraversati da acqua a temperatura contenuta (30-35°C) che permettono alla superficie di mantenere la temperatura desiderata.

  • Vantaggi
    Il sistema ha un impatto visivo e architettonico contenuto, comporta una riduzione dell’umidità della parete o del pavimento su cui è installato e non movimenta polveri che potrebbero depositarsi sulle superfici vicine. Inoltre, poiché lo scambio è quasi esclusivamente radiativo, le temperature si ridistribuiscono in modo omogeneo, riducendo notevolmente i gradienti verticali di temperatura.
  • Svantaggi
    Il sistema non è chiaramente utilizzabile in presenza di pavimentazione o muratura tutelate come beni artistici ed inoltre possiede un’inerzia termica molto elevata: questa lo rende inadatto al funzionamento per cicli brevi.

STUDIO DI FATTIBILITA’ IMPIANTO DI COGENERAZIONE

 Studio di fattibilità Impianto di Cogenerazione

Obiettivo del presente studio è valutare la fattibilità tecnica ed economica di un impianto di cogenerazione alimentato da gas naturale a servizio di una struttura alberghiera situata nel nord Italia al fine di ridurre la richiesta energetica e quindi concorrere alla riduzione dei costi di gestione futuri.

A partire dalla descrizione dell’utenza e della richiesta energetica si analizzano di seguito le scelte progettuali effettuale in tema di produzione e distribuzione dell’energia, nonché le valutazioni di tipo economico e finanziario relative all’integrazione con un sistema di cogenerazione.

Lo studio è limitato esclusivamente a valutazioni energetiche e non tratterrà eventuali configurazioni impiantistiche che saranno riservate ad una fase successiva di eventuale progettazione definitiva dello stesso impianto di cogenerazione.

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Cogenerazione Scenario Energetico di Riferimento

Nell’ultimo trentennio si è assistito ad un cambio del modello di vita nel mondo che ha portato alla formazione di grandi insediamenti urbani; questi richiedono molta energia sia per la sviluppo produttivo del settore industriale che del terziario, e notevole è anche la richiesta di energia per la climatizzazione e per l’illuminazione degli edifici.

In questi anni la tendenza generale è stata ed è ancora quella dell’uso intensivo dell’energia elettrica, ciò ha portato a richieste di potenza ed a consumi elettrici che sono divenuti sempre più insostenibili, specie nei mesi estivi, quando è necessario il ricorso all’impegno di grosse potenze per coprire le punte relative alla climatizzazione.

I fornitori dell’energia elettrica quindi sono stai chiamati a far fronte a tale tipo di fabbisogni.

L’Italia affida il soddisfacimento della maggior parte dei consumi di energia primaria ai combustibili fossili. Per quanto riguarda l’energia elettrica, circa il 43% di tutta l’elettricità generata proviene da gas naturale, il 22% dal petrolio (olio combustibile) e il 14% da carbone, mentre l’unica altra fonte energetica rilevante è l’idraulica (15%).Al momento, i contributi di tutte le fonti rinnovabili diverse da idroelettrico e geotermico sono solamente marginali (<2,5%)[3].

Per svariate ragioni (incluso il ruolo limitato del carbone, l’assenza di impianti nucleari e l’uso prevalente di petrolio e gas naturali in impianti termoelettrica vapore di efficienza relativamente bassa), il mercato dell’energia elettrica italiano presenta prezzi dell’energia sensibilmente più alti alla media Europea. Questa situazione giustifica il crescente interesso il crescente interesse verso iniziative volte a promuovere l’uso di energie rinnovabili e di tecnologie di risparmio energetico, inclusa la cogenerazione e la generazione distribuita [3].

Descrizione della Struttura e degli Impianti di Produzione (ante – Cogenerazione)

L’albergo oggetto del presente studio è situato nella città di Milano ed è classificato di categoria “quattro stelle”, contadi cento camere ospiti, una cucina con annessa sala ristorante, una zona uffici-amministrazione, e una ampia area ricezione ospiti.

La tipologia di clientela è di tipo “business” e registra una affluenzac ostante durante il periodo dell’anno ad eccezione del periodo estivo in cui si assiste ad una sensibile riduzione della occupazione. In base a dati di presenza comunicati dalle direzione alberghiera, lo studio è stato effettuato considerando una occupazione media complessiva della struttura pari al 50% della capienza totale e un profilo di occupazione giornaliero tale da preveder una presenza massima durante le ore serali, notturne e del primo mattino; durante l’arco del giorno la presenza interna si riduce notevolmente.

L’intero stabile è dotato di impianto di climatizzazione di tipo idronico a fluido intermedio. Sono inoltre presenti due centrali di trattamento aria (C.T.A.) a tutt’aria esterna per il rinnovo igienico dell’aria degli ambienti di cui una servizio delle camere ospiti e reception (Q: 10.000 mi/h) e un’altra a servizio della sala ristorante (Q: 3500 mc/h).

Il fabbisogno di energia termica per il riscaldamento, trattamento dell’aria e produzione di acqua calda sanitaria è soddisfatto da due caldaie in cascata tradizionali del tipo a basamento alimentate a gas naturale e poste in locale centrale termica e aventi singolarmente potenza di650 kWt,.

La centrale termica è operativa per tutto il ciclo annuale di funzionamento con riduzione del carico in funzionamento estivo in seguito all’assenza di produzione di energia termica per il riscaldamento degli ambienti interni. L’energia frigorifera è esclusivamente richiesta nel periodo estivo per la climatizzazione e trattamento dell’aria ed è prodotta da un gruppo frigorifero del tipo aria/acqua avente potenza frigorifera nominale di 289 kWf (Potenza elettrica nominale: 97 kWe).

Tutti i fluidi termovettori sono movimentati da elettropompe a portata costante poste in sotto-stazione di pompaggio dove sono anche collocati gli accumuli termici di acqua calda sanitaria.

L’impianto elettrico è composto da cabina di trasformazione MT/BT di utente.

La sezione BT del trasformatore è collegata al quadro generale che alimenta l’intero stabile.

Non sono presenti gruppi elettrogeni per l’assicurazione dell’alimentazione di emergenza

Analisi della Richiesta Energetica. Primo passo per il dimensionamento di un impianto di cogenerazione.

La struttura alberghiera richiede energia termica ed elettrica indispensabile per lo svolgimento dell’attività ricettiva; i prelievi di energia sono contraddistinti da una connotazione stagionale dipendente dalla richiesta energetica per la climatizzazione degli ambienti interni e il trattamento dell’aria di rinnovo. Le valutazioni progettuali nella scelta e definizione dei sistemi di produzione derivano dalla definizione dei fabbisogni energetici annuali stimati.

Se la corretta determinazione dei livelli di potenza richiesta dalle varie utenze è fondamentale per il dimensionamento degli impianti di produzione e distribuzione dell’energia, la definizione dei flussi energetici e quindi del grado di utilizzo delle diverse apparecchiature è essenziale per valutare l’efficacia dal punto di vista tecnico, economico e gestionale delle soluzioni possibili prospettate .

La richieste energetiche sono state dedotte secondo i diversi criteri:

  • Analisi e valutazione dei consumi per l’anno 2012, tramite raccolta di dati di fatturazione, dati di targa, misure dirette, dati e periodi di occupazione.
  • Valutazione, mediante impiego di modello di calcolo stazionario, dei distinti contributi di richiesta di energia termica ed elettrica riconducibile alla climatizzazione degli ambienti, trattamento aria e produzione di acqua calda sanitaria (A.C.S.)

Dimensionamento dell’impianto di cogenerazione e Curve di Carico

Nella Figura 1 è riportato l’andamento della richiesta di energia termica ET, elettrica EE e il valore del loro rapporto ET/EE. Si nota come il rapporto predetto sia non costante durante il periodo dell’anno con valori minimi nel periodo estivo in seguito all’annullamento della richiesta di energia per il riscaldamento. Tale fattore condiziona sensibilmente il dimensionamento dell’impianto di cogenerazione e di tutti gli apparati impiantistici.

Figura 1 – Profili richieste annuali energia termica ET, elettrica EE e fattore di rapporto ET/EE

Tuttavia tendenzialmente il rapporto esistente tra la richiesta di energia termica ed elettrica rende interessante l’ipotesi di soluzioni dell’impianto di cogenerazione, che mirino a soddisfare il fabbisogno di energia termica riducendo l’uso della caldaia tradizionale.

Il problema principale è rappresentato dalla stagionalità, che riduce considerevolmente il fabbisogno di energia termica nei mesi estivi.

Il principio su cui si è basata la scelta della taglia dell’impianto di cogenerazione è quella del principio di massimizzare l’autoconsumo dell’energia termica ed elettrica prodotta dall’impianto di cogenerazione in sito, valutando le richieste energetiche in relazione ai periodi di operatività.

Per tali ragioni si è scelto di non utilizzare come metodo di dimensionamento né il dimensionamento basato sulla regolazione del carico elettrico né il dimensionamento basato sulla regolazione del carico termico.

Pertanto si è deciso di definire una taglia di un impianto di cogenerazione tale da ipotizzare una condizione di funzionamento tale da ridurre la dissipazione di calore solo a ristrette a momentanee condizioni di operatività dell’impianto di cogenerazione.

Le motivazioni sono le seguenti:

  • Per ridurre il pay-back a valori di tempo accettabili in virtù di un investimento l’impianto di cogenerazione deve lavorare per il massimo di ore a valori elevati di rendimento elettrico.
  • Ridurre il rendimento elettrico si traduce in un aumento dei tempi di ritorno sia perché l’impianto di cogenerazione operi in condizioni di minore efficienza sia perché nella maggior parte delle ipotesi si sarebbe scelto una taglia del cogenerazione sovradimensionata.

Non tutta l’energia prodotta dall’unità di cogenerazione potrebbe considerarsi prodotta in cogenerazione ad alto rendimento (CAR).

La scelta della taglia dell’impianto di cogenerazione è ricaduto su un impianto di cogenerazione di primaria marca, di cui si riporta a seguire descrizione tecnica di capitolato:

Macchina cogenerazione a gas naturale o a GPL di marca ENERGIFERA mod. TEMA60, in grado di effettuare l’inseguimento puntuale ed istantaneo del carico elettrico dal 20% al 100% della sua potenza nominale, mantenendo un rendimento elettrico medio superiore al 25% e massimo non inferiore al 30%, anche in caso di funzionamento in isola. Possibilità di passaggio automatico dal funzionamento “grid-connected” (in parallelo alla rete di distribuzione nazionale) a quello “stand- alone” (in isola) rispettando la norma IEC EN 62040-3 in caso di blackout anche con motore endotermico spento.

Velocità di rotazione del motore (variabile nel range tra 1000 e 2500 rpm) indipendente dalla frequenza di rete, al fine di inseguire il punto di massima efficienza del sistema di generazione dell’energia.

Possibilità di gestire, come master di una piccola rete isolata, un numero qualsiasi di fonti energetiche intermittenti (fotovoltaico, eolico, mini –idroelettrico) di potenza nominale pari alla potenza nominale della macchina.

CARATTERISTICHE ELETTRICHE

Potenza Elettrica Nominale: 52kWe
PotenzaElettrica Continuativa: 50kWe
Potenza Elettrica di Picco: da80a 130kWe(in funzione del modello)
Rendimento Elettrico Nominale: 29%
Durata Massima Picco Elettrico da10’a 12’
Quadro Accumulatori: tipo Piombo/Gel sigillati
Tensione inuscita: 400V -Trifase+N

CARATTERISTICHE TERMICHE

Potenza termica nominale: 99 kWt;
Rendimento termico nominale: 60%;
Temperatura mandata nominale: 75 °C
Temperatura mandata massima: 95°C
Temperatura di ritorno nominale: 62 °C
Temperatura massima uscitafumi: 650 °C
Portata massima fumi 230 kg/h
Unità di dissipazione calore dei flui di motore: Inclusa

CARATTERISTICHE MOTORE ENDOTERMICO

Alimentazione: Gas Naturale o GPL
Regime velocità di funzionamento: Variabile finoa 2500 rpm
Consumo nominale (p.c.i.8250kcal/Stmc): 17,6 Stmc/h(metano)–6,3Stmc/h (GPL)

Impianto di cogenerazione ed Ipotesi di progetto

In prima analisi lo studio è stato condotto prendendo in riferimento un impianto di cogenerazione alimentato a gas naturale dotato di motore primo a combustione interna.

Nei periodi in cui la richiesta del carico termico è soddisfatta e quindi il calore recuperato dall’impianto di cogenerazione risulterebbe in eccesso, si è stabilito di procedere con lo spegnimento dell’impianto di cogenerazione escludendo qualsiasi parzializzatone del carico o dissipazione del calore.

A tal merito relazionando i dati di rendimento dell’ con quelli delle tariffe di acquisto dell’energia è stato ricavato il grafico di Figura 2 in cui è possibile apprendere come il valore di risparmio conseguibile con un impianto di cogenerazione rispetto alla produzione energetica separata.

Si apprende come il risparmio relativo è maggiore nei periodi di funzionamento in tariffa maggiore (F1) e che il medesimo risparmio si riduce considerevolmente all’aumentare dell’energia dissipata.

Figura 2 – Fattore di risparmio produzione combinata – produzione separata riferito alla percentuale di dissipazione energia termica prodotta dal cogeneratore

Analisi delle curve di richiesta energetica (ante – impianto di cogenerazione)

Per verificare l’idoneità dell’impianto di cogenerazione proposto alle reali richieste energetiche della struttura ricettiva in oggetto si è preceduto innanzitutto all’analisi della compatibilità in termini di produzione energetica durante l’intero periodo dell’anno di riferimento.

I grafici delle Figura 3/ae 3/b, riportano rispettivamente, per l’anno di riferimento la richiesta di energia termica, elettrica e quella prodotta dall’impianto di cogenerazione.

L’energia prodotta dall’impianto di cogenerazione non ha un andamento costante durante l’anno in quanto il numero di ore di funzionamento dall’impianto ci cogenerazione sono state stabilite in relazione alla richiesta energetica dalla struttura in modo da escludere una produzione maggiore rispetto a quella richiesta dal fabbisogno termico, come si può osservare dalle Figure 3/a e 3/b.

Figure 3/a e 3/b- Richieste annuali di Energia termica, ed elettrica ed energia prodotta dall’impianto di cogenerazione

Flussi Energetici prodotti dall’impianto di cogenerazione

Energia Termica:L’energia termica prodotta dal cogeneratore sarà caratterizzata da unico livello termico, 80°C, e sarà impiegata differentemente nelle diverse stagioni a seconda della richiesta energetica;

Nel periodo invernale l’energia termica contribuirà alla produzione di acqua calda sanitaria, riscaldamento e trattamento dell’aria esterna di rinnovo.

Nel periodo estivo l’energia termica contribuirà alla produzione di acqua calda sanitaria e il trattamento dell’aria esterna di rinnovo limitamene al solo post-riscaldamento.

Energia Elettrica:L’energia elettrica prodotta dall’impianto di cogenerazione sarà totalmente auto-consumata e impiegata per l’alimentazione di tutti i dispositivi e apparecchi della struttura in oggetto.

Nella Figura 4 è riportato l’andamento mensile del Fabbisogno di Energia Elettrica nello stato di fatto e di progetto e quella cogenerata, mentre nella Figura 5 è riportato l’andamento mensile del Fabbisogno gas naturale nello stato di fatto e di progetto.

Figura 4 – Fabbisogno di energia elettrica: stato di fatto, progetto integrazione, cogenerata

Fabbisogno di gas naturale: stato di fatto e progetto cogenerazione.

Figura 5 – Fabbisogno di gas naturale: stato di fatto e progetto cogenerazione.

Risparmi Energetici conseguibili successivamente all’installazione dell’impianto di cogenerazione

In tabella 1 si riportano i flussi energetici e i risparmi conseguibili per l’anno di riferimento. Nel grafico di Figura 6 viene rappresentato il flusso di cassa cumulativo secondo il quale risulta che il ricavo conseguibile dai risparmi cumulati al ventesimo anno di funzionamento dell’impianto è di € 756, 997,84.

Tabella 1 – Flussi di cassa impianto di cogenerazione

Come è possibile notare dai risultati ottenuti, il risparmio annuo conseguibile risulta di: € 44,273.79, pari al 27% del costo attuale di approvvigionamento energetico.

La valutazione economica ha tenuto conto dei titoli di efficienza energetica riconosciuti fino al decimo dall’entrata in funzione dell’impianto di cogenerazione.

Dallo stesso grafico si denota come al quarto anno di funzionamento si raggiunge compensazione mediante i risparmi conseguiti dal costo di investimento.

Figura 6 – Flusso di cassa cumulativo in seguito a impianto di cogenerazione

CONCLUSIONI E RISULTATI CONSEGUIBILI IN SEGUITO ALLA INSTALLAZIONE DELL’IMPIANTO DI COGENERAZIONE

Lo studio condotto permette di dimostrare come la realizzazione di un sistema di cogenerazione di energia termica ed elettrica consenta di ottenere notevoli risparmi energetici ed economici di gestione.

La corretta scelta della taglia dell’impianto di cogenerazione è di fondamentale importanza per l’ottimizzazione del risparmio energetico conseguibile e per la riduzione dei tempi di ritorno dell’investimento.

A tal proposito si dimostra come la massimizzazione delle ore di funzionamento in cui si ha autoconsumo di energia termica ed elettrica cogenerata aumenti la convenienza dell’investimento.

Tale aspetto riveste un ruolo peculiare nelle strutture alberghiere inseguito alla forte periodicità stagionale della richiesta di energia elettrica e termica.

PROGETTAZIONE IMPIANTI MECCANICI (HVAC) A SERVIZIO DI UNA CENTRALE DI STERILIZZAZIONE

CENTRALE DI STERILIZZAZIONE: IL RUOLO CHIAVE DEGLI IMPIANTI

L’articolo vuole illustrare la funzione e le caratteristiche degli impianti meccanici, anche spesso detti impianti HVAC (heating, ventilation and air conditioning), a servizio della centrale di sterilizzazione di una struttura ospedaliera in genere.

Come si evincerà nel proseguo dell’articolo, gli impianti meccanici a servizio di una centrale di sterilizzazione hanno la funzione di contribuire significativamente al controllo della contaminazione interna ed allo stesso tempo garantire adeguate condizioni di comfort microclimatico degli operatori.

La sterilità dell’ambiente è il “fattore chiave”  che deve essere garantito in una centrale di sterilizzazione. Tutti gli impianti a servizio della centrale di sterilizzazione devono avere caratteristiche funzionali e realizzative peculiari, evidentemente differenti da quelle di altre aree o reparti ospedalieri.

LA CENTRALE DI STERILIZZAZIONE

La centrale di sterilizzazione ha un ruolo apicale all’interno dei processi operativi di una qualsiasi azienda
sanitaria e ospedaliera. La quasi totalità dello strumentario multiuso utilizzato all’interno degli ambulatori, sale di degenza e sale operatorie viene sterilizzato all’interno delle centrali di sterilizzazioni interni o in centri esterni. Gli utilizzatori finali della centrale sono i pazienti, per i quali deve essere garantita, per ovvie ragioni, la salvaguardia della salute così come per gli operatori ospedalieri (medici, chirurghi, infermieri e tutti coloro che entrano in contatto con gli strumenti) che devono operare in condizioni di sicurezza.

Per garantire la perfetta riuscita del processo sterilizzante, non solo è necessario che i macchinari utilizzati siano a norma e correttamente funzionanti. Difatti è necessario che il processo di sterilizzazione debba avvenire in ambienti la cui pulizia rispetti standard conformi alle norme e leggi vigenti.  Il progettista degli impianti meccanici, incaricato della progettazione degli impianti HVAC di una centrale di sterilizzazione, ha l’avvincente compito di garantire il comfort termo igrometrico del personale interno, ma, soprattutto, controllare la concentrazione  interna di contaminanti presenti nell’aria.

NORMATIVA VIGENTE IN TEMA DI IMPIANTI MECCANICI A SERVIZIO DELLA CENTRALE DI STERILIZZAZIONE.

All’interno del DPR n°42 del 1997Approvazione dell’atto di indirizzo e coordinamento delle regioni e delle provincie autonome di Trento e di Bolzano, in materia di requisiti strutturale, tecnologici e organizzativi minimi per l’esercizio delle attività sanitarie da parte delle strutture pubbliche e private” sono contenuti tutti i requisiti minimi strutturali, impiantistici e tecnologici di ogni attività sanitaria tra cui le centrali di sterilizzazione.

I requisiti minimi generali emanati dal DPR sono applicabili alle diverse tipologie di strutture sanitarie: la centrale di sterilizzazione fa parte delle strutture che erogano prestazioni di assistenza specialistica in regime ambulatoriale, ivi comprese quelle riabilitative, di diagnostica strumentale e di laboratorio, in quanto opera nel settore della diagnostica strumentale e nel settore laboratorio.

Il Servizio di Sterilizzazione deve essere dotato di condizionamento ambientale che assicuri i seguenti valori termoigrometrici interni:

  • temperatura interna invernale e estiva: 20-27 °C;
  • umidità relativa estiva e invernale: 40-60%;
  • ricambi aria esterna /ora: 15 v/h.

È inoltre prevista la seguente dotazione minima impiantistica:

  • impianto illuminazione di emergenza;
  • impianto di aria compressa

In aggiunta al DPR 42/97, l’ISPESL ha emanato nel 2009 le nuove LINEE GUIDA “Linee guida sull’attività di sterilizzazione quali protezione collettiva da agenti biologici per l’operatore nelle strutture sanitarie”; esse indicano alcune prescrizione in aggiunta a quanto previsto all’interno del decreto:

  • Devono essere previsti spazi articolati in zone nettamente separate, una destinata al ricevimento e al lavaggio, una al confezionamento e alla sterilizzazione dei materiali ed una per il deposito e la distribuzione. Il percorso deve essere progressivo dalla zona sporca a quella pulita.
  • La dotazione minima è quella del decreto DPR 42/97, in aggiunta le zone devono essere separate e comunicanti solo con appositi filtri/bussole.
  • Le zone devono essere adeguatamente climatizzate con caratteristiche tecniche ad “atmosfera controllata”: tali caratteristiche devono fare riferimento alla serie UNI EN ISO 14644.
  • Vengono indicati i valori di sterilità minima che devono possedere i singoli ambienti secondo il riferimento standard del EU-GMP.
  • Pareti e pavimenti devono utilizzare materiali di facile pulizia e le finestre, prive di cassonetto, non devono essere apribili dall’interno. Le attrezzature devono essere sottoposte a verifica periodica e le procedure devono essere supportate da un manuale di qualità.

ZONE CRITICHE ALL’INTERNO DELLA CENTRALE DI STERILIZZAZIONE

A seguire si esaminano i requisiti richiesti agli impianti meccanici a servizio della centrale sterilizzazione, per le singole aree, giusto riferimento alla norma sopra riportata.

– DEPOSITO MATERIALE SPORCO

Lo strumentario viene ricevuto e raccolto all’interno del deposito del materiale sporco in attesa di essere lavato. Le linee guida ISPESL definiscono questa area come ambiente sporco o potenzialmente contaminante.

Ai fini della progettazione degli impianti meccanici, all’interno del deposito materiale sporco, si richiede che:

  • Condizioni microclimatiche: la temperatura deve essere all’interno del range 20/27° C, anche se è consigliato non superare i 25°C.
  • l’umidità relativa deve essere compresa tra il 40% e il 60%.
  • Numero effettivo di ricambi d’aria ora: il numero di ricambi ora deve essere superiore a 15 volumi d’aria e l’impianto deve fornire un flusso di tipo turbolento.
  • Livelli di pressione: il deposito deve essere in pressione negativa rispetto agli altri ambienti interni della sterilizzazione.

-ZONA PER LA STERILIZZAZIONE E IL CONFEZIONAMENTO

Successivamente alle procedure di lavaggio, lo strumentario deve passare all’interno del locale di sterilizzazione dove viene posto all’interno delle autoclavi e poi successivamente sigillato all’interno di confezioni che ne manterranno la sterilità.

La zona sterilizzazione viene definita all’interno delle linee guida ISPESL come ambiente pulito.

Ai fini della progettazione degli impianti meccanici si richiede che :

  • Condizioni microclimatiche: la temperatura ambientale deve essere tra i 20 e i 27 °C anche se è consigliabile tenere una temperatura inferiore ai 25°C per il mantenimento degli indici di benessere. L’umidità relativa deve essere tra il 40% e il 60%.
  • Numero di ricambi d’aria e filtrazione: il flusso dell’aria deve essere di tipo turbolento e i ricambi di aria superiore a 15 volumi. L’ambiente deve avere una classificazione ISO CLASS 7 in condizioni at rest. L’ultimo stadio di ventilazione deve essere almeno EU 12 (corrisponde ai filtri HEPA 13)
  • Livelli di pressione: il locale sterilizzazione è un locale intermedio. Deve essere posto ad almeno 5 Pa in sovrappressione rispetto all’esterno e a 5/10 Pa rispetto agli ambienti adiacenti comprese le bussole.
  • Classificazione microbiologica: at rest (condizione non operativa) secondo lo standard EU GMP (good manufacturing practice) deve essere preferibilmente di classe C o eventualmente, in condizione accettabile, di classe D.

-IL DEPOSITO STERILE

centro di sterilizzazioneIl deposito del materiale sterile è il locale più critico che necessità il maggior livello di pulizia dell’aria e delle strutture. Il materiale che viene stoccato deve mantenere la sua condizione di sterilità nel tempo.

Ai fini della progettazione degli impianti meccanici si richiede, all’interno del deposito sterile, che :

  • Condizioni microclimatiche: la temperatura ambientale deve essere tra i 20 e i 27 °C anche se è consigliabile tenere una temperatura inferiore ai 25°C per il mantenimento degli indici di benessere.
  • L’umidità relativa deve essere tra il 40% e il 60%.
  • Numero di ricambi d’aria: il flusso dell’aria deve essere di tipo turbolento e i ricambi di aria superiore a 15 volumi.
  • Filtrazione: L’ultimo stadio di filtrazione deve essere almeno un EU 12, che corrisponde ai filtri HEPA 13
  • Livelli di pressione: il locale sterilizzazione è un locale intermedio. Deve essere posto ad almeno 5 Pa in sovrappressione rispetto all’esterno e a 5/10 Pa rispetto agli ambienti adiacenti comprese le bussole. Dovrà avere pressione superiore rispetto al locale di sterilizzazione.
  • Classificazione microbiologica e particellare: at rest (condizione non operativa) secondo lo standard EU GMP (good manufacturing practice), deve essere in condizionale di classe C o in condizioni accettabile di classe D. Rispetto al locale sterilizzazione il decreto legge DPR 42/97 impone che il locale deposito pulito sia classificato ISO 7 secondo norma ISO 14644.

CLASSI DI FILTRAZIONE

La normativa di riferimento riguardante i sistemi di filtrazione dell’aria è cambiata nel Luglio del 2018. La nuova norma uni 16469 classifica i filtri per la ventilazione generale rispetto all’efficienza riferita ad una particolare dimensione di particolato.

Per progettare correttamente gli impianti meccanici di una centrale di sterilizzazione è necessario tenere conto che l’efficienza dei filtri da utilizzare è direttamente connessa alla portata di aria trattata e alla concentrazione di particolato dell’aria che viene prodotto in ambiente.

È necessario utilizzare un pre-filtro, di classe G4-G5, direttamente all’ingresso dell’UTA in grado di bloccare il particolato di dimensioni superiori. Un secondo filtro di efficienza superiore, almeno F7 deve essere posto all’uscita dell’UTA.

Il filtro assoluto, almeno di efficienza H13, deve essere installato su ogni diffusore di mandata dell’aria.

È opportuno, tuttavia, porre un secondo filtro ad alta efficienza a protezione dei canali a valle di tutte le sezioni dell’unità di trattamento aria. Tale filtro permette di evitare che possibili contaminanti vadano a depositarsi sulle pareti interne dei canali con conseguente riduzione della salubrità del sistema nella sia complessità.

PARAMETRI DI PROGETTO IMPIANTI HVAC A SERVIZIO DELLA CENTRALE DI STERILIZZAZIONE

I parametri  che devono essere tenuti in considerazione per la progettazione degli impianti meccanici di una centrale di sterilizzazione sono i seguenti:

  • Le portate dell’aria: le portate di aria immessa ed estratta da ogni singola zona della centrale devono essere quantificate alla luce di quanto previsto all’interno del decreto DPR 42/97 al fine di soddisfare i ricambi di aria necessari al mantenimento della classificazione ISO CLASS per le zone che la prevedono.

Tale quantificazione può essere effettuata solo stimando le sorgenti di contaminante interne di ogni locale, le quali dipendono dal personale presente, dal vestiario che esso indossa, dall’attività che svolge e dai macchinari utilizzati.

Maggiore è la produzione di contaminante particellare e maggiore sarà la portata di aria da trattare a parità di classe di filtrazione dell’aria.

A seguire si riporta grafico ove si riporta l’andamento della richiesta di portata d’aria in funzione sia del numero di operatori che del grado di filtrazione dell’ultimo stadio. 

La presenza delle persone induce un maggiore incremento della concentrazione di particelle aerodispesa.

Si nota come all’aumentare del personale impiegato, si assiste ad una richiesta maggiore di portata di aria esterna (sistemi a tutta aria) in considerato che maggiore è la portata maggiore sarà l’effetto della filtrazione e diluizione dell’aria esterna.

Si evince anche cha all’aumentare del grado di filtrazione si assiste ad una riduzione dei volumi d’ara che devono essere trattati (caso sempre di impianto a tutta aria esterna).

Il grafico è stato ottenuto mediante impiego di modelli di calcolo implementati all’interno di applicativi sviluppati direttamente da STT ENGINEERING.

  • Condizioni di immissione dell’aria: temperatura e umidità devono essere scelte opportunamente. Dopo aver effettuato il calcolo dei carichi termici estivi ed invernali si può procedere con la scelta del punto di immissione dell’aria. È il punto di immissione dell’aria coincida con uno dei punti della retta ambiente. Ciò deve essere garantito anche ai carichi parziali.
  • Efficienza di filtrazione: per garantire che l’aria immessa abbia una concentrazione di contaminanti sufficientemente bassa tale da permettere l’abbattimento della concentrazione interna è necessario utilizzare dei filtri assoluti: filtri con un’efficienza di abbattimento molto alta, superiore al 99%. Utilizzare filtri ad alta efficienza permette sì di catturare il particolato interno, tuttavia introducono perdite di carico non trascurabili che comporteranno l’aumento della richiesta energetica. Si utilizzano comunemente filtri HEPA 13 o filtri HEPA 14, installati su ogni diffusore di mandata aria.
  • Livelli di pressione: i locali che devono possedere un livello di sterilità superiore devono operare ad un valore di pressione superiore rispetto a tutti i locali adiacenti meno sterili. In questo modo si evita la formazione flussi di aria che possano portare contaminanti all’interno degli ambienti. Il salto di pressione utilizzato generalmente è dell’ordine dei 10-15 Pa, così come indicato all’interno delle  stesse EU-GMP.

UNITA’ DI TRATTAMENTO ARIA A SERVIZIO DELLA CENTRALE DI STERILIZZAZIONE

Il dimensionamento delle unità di trattamento aria (UTA)  è fondamentale nel processo di progettazione impianti HVAC in genere. Ancor di più nel caso di progettazione di impianti meccanici a servizio di una centrale di sterilizzazione.

Il primo aspetto da tenere in considerazione è che le UTA devono avere un’affidabilità altissima dal momento che gli impianti di climatizzazione non possono avere blocchi o avere periodi di non funzionamento per avaria.

Per incrementare dunque la ridondanza del sistema, si possono adottare diverse soluzioni. La prima consiste nell’utilizzare una sezione ventilante in cui sono posti in parallelo due ventilatori, uno di riserva all’altro. Tale condizione consente che in caso di fermo forzato di uno dei due ventilatori, sia  messo in marica uno di riserva che supplisca all’altro. Ciò ovviamente vale, quanto per la sezione di ripresa dell’aria quanto la sezione di immissione dell’aria.

In merito si precisa che le sezioni di ventilazione hanno una funzione fondamentale che è quella di garantire i gradienti di pressione tra locali caratterizzati da livelli di sterilità differenti. Nel caso in cui si assistesse ad un guasto del sistema di ventilazione, i livelli di pressurizzazione andrebbero ad essere non più garantiti, consentendo il passaggio di aria meno pulita verso ambienti più puliti. Tale scenario andrebbe a minare la sterilità dello strumentatio precedentemente sottoposto a trattamento di sterilizzazione e normalmente custodito in ambienti ad maggior grado di pulizia.

Inoltre, al fine di elevare la ridondanza del sistema, è possibile utilizzare delle batterie di scambio termico che possono essere alimentate sia da fluidi refrigerati che caldi a seconda della necessità. Queste batterie essere dimensionate rispetto alla potenza massima. In questo modo, congeniando una adegata rete di distribuzione, si possono avere due batterie a disposizione: normalmente una per il riscaldamento e una per il raffreddamento/deumidificazione.

All’interno delle UTA si possono utilizzare dei recuperi di calore; tuttavia, non è possibi utilizzare (a parere dello scrivente in calce) i classici recuperatori a flussi incrociati o ancor preggio quelli rotativi. Questi elementi,  se da un lato garantiscono un recupero termico, dall’altra parte possono indurre a fenomeni di cross contamination (aria sporca può immettersi nel flusso di mandata, pulita, contaminandola).

Per scongiurare questo problema, si possono impiegare recuperatori indiretti del tipo a “batterie disaccoppiate”, che quindi utilizzano un fluido di scambio intermedio, evitando cross flow. Le batterie disaccoppiate possiedono un’efficienza di recupero inferiore ma allo stesso tempo è un sistema assolutamente affidabile. Recentemente si stanno diffondendo sistemi che impiegano un recuperatore di calore termodinamico, ovvero una pompa di calore acqua/acqua, che utilizza le batterie stesse alternativamente come condensatore ed evaporatore, sia in estate che in inverno.

LA SCELTA DEGLI IMPIANTI MECCANICI HVAC A SERVIZIO DELLA CENTRALE DI STERILIZZAZIONE

Per permettere di raggiungere una classificazione ISO CLASS 7 degli ambienti interni, è necessario che il flusso dell’aria sia a perfetta miscelazione ed in regime turbolento.

Devono essere impiegati dei diffusori che riescano a generare un’alta induzione dell’aria.

In merito, alti rapporti di induzione conseguono in elevati livelli di miscelazione tra aria immessa e aria ambiente. Tale condizione rappresenta generalmente un fattore positivo dato che si va a diluire la concentrazione di contaminanti interni mediante miscelando aria molto pulita con aria ambiente meno pulita. Maggiore è l’effetto di induzione e tale sarà l’effetto della diluizione con riduzione della concentrazione di contaminanti interno.

Tuttavia, un’induzione dell’aria troppo spinta può causare alte velocità in zona occupata che, oltre a ridurre le condizioni di comfort degli occupanti, può promuovere il movimento delle particelle depositate sulle superfici verso il volume interno della centrale di sterilizzazione. Tale fenomeno può causare un effetto negativo andando ad aumentare la presenza di particelle all’interno dell’ambiente sterile.

La velocità dell’aria in zona occupata (1,8 metri di altezza dal pavimento) non deve superare i 0.2 m/s.  si precisa che ogni diffusore deve essere dotato di un filtro assoluto, di efficienza almeno HEPA 13. I diffusori che non sono dotati di  VAV, dovrebbero essere sempre dotati di dispositivo CAV (constant air volume) al fine di mantenere la portata immessa dal diffusore costante anche al variare del livello di intesamento del filtro stesso.

Inoltre, alla luce del fatto che i diffusori sono equipaggiati all’interno del loro plenum, del filtro, è assolutamente necessario che non vi siano fenomeni di by-pass tra la sezione a monte e a valle del filtro stesso. Per tale ragione deve essere verificato, in fase di montaggio, ma anche in fase operativa, l’adeguata sigillatura ed installazione del telaio del filtro all’interno del plenum dello stesso diffusore.

Considerato che tra la presenza di VAV, CAV, il rischio di formazine rumore sussiste. Pertanto è buona regola, prevedere dei silanziatori acustici a valle di tali componenti.

In merito alla posizione dei terminali aeraulici, si devono prevedere griglie di estrazione dell’aria posizionate sia in prossimità del pavimento che in prossimità del soffitto. Ciò al fine di evitare zone di stagnazione ma al contempo anche consentire di aspirare i contaminanti sia nella parte alta che bassa del voume, in relazione a dove questo si concentra.

Sarebbe opportuno anche opportuno posizionare le griglie nei punti più critici dei locali (es. sopra le porte, sopra le macchine o i banchi di lavoro). Ciò al fine di captare il contaminante proprio nel punto in cui esso si forma o aspirare l’aria eventualmente proveniente da ambiente meno sporchi (questo nel caso di terminali in prossimità delle porte). Una corretta posa dei terminali di diffusione e ripresa dell’aria, contribuisce sensibilmente a migliorare l’efficacia di ventilazione dell’impianto HVAC. In merito l’ausilio delle simulazioni fluidodinamiche CFD rappresenta un valido supporto in fase di progettazione.

Nei locali interni alla centrale di sterilizzazione, ad eccezione della zona spogliatoi e uffici, l’aria di estrazione non può essere ricircolata, secondo quanto previsto all’interno delle Linee guida ISPESL

Per garantire il gradiente di pressione tra i locali adiacenti è necessario utilizzare dei sistemi VAV (variable air voulme).  Tali sistemi, in relazione alla differenza di pressione  tra locali adiacenti, questa acquisita da appositi trasduttori,  consentono di regolare lo sbilanciamo di portata garantendo la sovrappressione (o depressione) di progetto.

Si consiglia di utilizzare un salto di pressione tra locali adiacenti non superiore a 15 Pa per evitare inconvenienti sull’apertura delle porte, mentre gli airlock (bussole) devono essere pressurizzati ad una differenza di 5 Pa.

Il locale a pressione più alta è sicuramente il deposito dei prodotti sterili; in cascata, devono essere pressurizzati, can valori di pressione sempre inferiori, il locale confezionamento fino a quello del locale lavaggio che è in assoluto quello a pressione inferiore.

I locali del deposito sporco devono essere mantenuti in depressione rispetto all’ambiente eterno e quindi anche rispetto agli ambienti sterili della centrale sterilizzazione.

La velocità dell’aria all’interno dei canali non deve essere superiore ai 5 m/s, sia per evitare problemi di rumore, ma soprattutto per evitare che a velocità eccessiva abbia un tempo di attraversamento ridotto attraverso i filtri, inficiandone quindi l’efficienza di filtrazione.

IL RUOLO FONDAMENTALE DEGLI AIR-LOCK IN UNA CENTRALE DI STERILIZZAZIONE

Onde evitare che al momento dell’apertura delle porte, l’aria di un ambiente a contaminazione maggiore (sporco) possa infiltrarsi verso un ambiente a maggiore grado di sterilità (pulito), è necessario prevedere delle bussole di separazione chiamate comunamente, secondo la terminologia anglosassone, come “air-lock”.

airlockQuesti volumi costituiscono dei piccoli locali indipendenti, di transito, che si attestano su entrambi gli ambienti serviti; gli airlock devono possedere la medesima classificazione dell’ambiente più pulito ad esso adiacente servito.  Gli airlock, necessitano di avere maggiori portate specifiche (volumi/ora) di aria di mandata al fine di ridurre il tempo di Recovery time. Infatti tali ambienti, essendo caratterizzati da un volume molto ridotto, la concentrazione particellare aerodispersa è molto elevata. Superiore a quella di altri ambienti critici ove si conducono operazioni anche con maggiore produzione particellare.

Per mantenere un adeguato salto di pressione, risulta evidente che le porte delle bussole non possono essere mai aperte contemporaneamente, ma esse devono essere gestite in modo che se una di queste risulti aperta mentre l’altra debba necessariamente essere in posizione di chiusura. Per impedire eventi accidentali in cui entrambe le porte siano parte, vengono installati sulle porte delle bussole stesse, dispositivi di interblocco completi di segnalazioni luminose.

Nel caso in cui, l’aria immessa all’interno di un airlock  possieda le stesse concentrazione di particolato dell’aria immessa nell’ambiente confinante più sterile, si può garantire che il problema sopra esposto venga meno: un tempo di attesa ridotto tra l’apertura delle due porte permette di abbattere la concentrazione di contaminante in arilock garantendo un alto livello di sterilità anche all’interno del filtro.Tale periodo di tempo è detto “Recovery Time” ed è definito come il tempo necessario affinché la concentrazione di contaminante presente nell’aria si riduca di un fattore 100, o che la concentrazione si riduca  al disotto del valore di concentrazione minimo accettabile dalla classe di pulizia dell’ambiente più pulito interposti tra l’airlock.

Queste bussole prendono anche il il nome di Bussole di Isolamento. I layout degli impianti a contaminazione controllata tengono normalmente conto di ciò collegando i vari ambienti per mezzo di bussole dedicate, sia all’ingresso/uscita del personale (PAL – Personnel Air-Lock), sia all’ingresso/uscita dei materiali (MAL – Material Air-Lock).

Per ridurre al minimo il Recovery Time, abitualmente, si preferisce dare un numero superiore di ricambi per ora agli air-lock in modo tale da velocizzare il recupero della classe e, conseguentemente, i flussi di persone e/o materiali che devono transitare tra i locali a diversa classificazione. Le tipologie di air-lock sono due: “BOLLE”, air-lock in sovrappressione e “POZZI”, air-lock in depressione.

Le “BOLLE” sono degli air-lock che hanno un livello di pressione maggiore dei due locali che mettono in contatto in modo tale che la contaminazione sia “respinta” e rimanga nel locale “sporco”, salvaguardando quello con grado di pulizia maggiore.

I “POZZI” sono degli air-lock che hanno un livello di pressione minore dei due locali che mettono in contatto in modo tale che la contaminazione presente nel locale “sporco” non contamini quello “pulito” e che eventuali sostanze pericolose utilizzate nel locale a classificazione più stringente non vengano dispersi negli altri locali adiacenti.

IL VAPORE STERILE A SERVIZIO DELLA CENTRALE DI STERILIZZAZIONE

Molte centrali di sterilizzazione, probabilmente la maggior parte,  utilizzano autoclavi alimentate a vapore sterile per eseguire la sterilizzazione del prodotto. Queste sterilizzatrici utilizzano il calore rilasciato dalla condensazione del vapore per eliminare eventuali batteri o agenti microbiologici presenti sugli strumenti.

Le autoclavi non utilizzano vapore tecnologico  per eseguire il processo ma bensì vapore sterile. Il vapore sterile si differenzia dal normale vapore per l’acqua di produzione che viene utilizzata e per la tecnologia di produzione del vapore sterile impiegata. Nella fattispecie, l’acqua di alimento deve possedere una bassissima concentrazione di incondensabili al suo interno e deve avere determinati requisiti rispetto alla presenza di ulteriori elementi che possono presentarsi.

Per ottenere vapore sterile è necessario che l’acqua debba essere filtrata. Dopo di che deve passare attraverso un addolcitore, un degasatore e deve essere effettuata l’osmosi inversa. Solo dopo questi passaggi è possibile utilizzarla per produrre vapore sterile all’interno di un generatore di vapore che impiega generalmente, come vettore energetico, vapore tecnologico. Il vapore tecncologico non è mai a a contatto con quello sterile grazie alla separazione fisica dei setti del produttore di vapore (scambiatore vapore tecnologico/acqua sterile).

Lo stesso vapore sterile è impiegato per l’umidificazione delle unità di trattamento dell’aria. Nella fattispecie all’interno delle UTA è sempre presente una sezione di umificazione a lance di vapore sterile per permettere di immettere aria in ambiente ad una determinata umidità relativa tale da consentire il controllo dell’umidità relativa durante il periodo invernale.

Mesh View

Mesh in simulazioni CFD. Come migliorarla?

La fluidodinamica computazionale (CFD) si basa sulla risoluzione di problemi fisici estremamente complessi tramite metodi ad elementi finiti: la soluzione viene calcolata per un numero finito di punti e successivamente interpolata sull’intero dominio. La discretizzazione del dominio avviene tramite il processo di creazione della mesh, comunemente detto meshing: la mesh non è altro che l’insieme di tutti gli elementi utilizzati per la discretizzazione del dominio.

Naca Profile
Figura 1: Mesh di profilo NACA

La generazione di una mesh adeguata per la risoluzione del problema che si sta affrontando è un’operazione complessa che richiede competenze specifiche da parte del progettista ed una considerevole quantità di tempo: si stima che circa il 30% del tempo utilizzato per impostare una corretta simulazione CFD sia impiegato proprio nella realizzazione della mesh. Si può quindi facilmente immaginare quanto sia complesso riassumere in poche righe il processo di generazione della mesh; sull’argomento consigliamo di consultare la sempre più corposa letteratura tecnica di settore, nonché di cimentarsi nella creazione di alcune mesh per geometrie semplici e caratterizzata da un ridotto numero di celle. Può essere invece più interessante affrontare la tematica della qualità della mesh: di seguito analizzeremo gli indicatori comunemente utilizzati per valutare la bontà di una mesh e, dunque, la possibilità di utilizzare detta mesh in una simulazione fluidodinamica.

La qualità della mesh è, come si è detto, fondamentale per l’ottenimento di risultati attendibili dalle simulazioni CFD: non riusciremo mai ad ottenere una buona soluzione partendo da una mesh di scarsa qualità. Per valutare allora la qualità della mesh, si utilizzano tipicamente alcuni importanti indicatori relativi alle celle che compongono la mesh:

  1. Non-ortogonalità
  2. Skewness (Asimmetria)
  3. Aspect ratio (AR)

Non-ortogonalità
Ogni elemento che compone la mesh, sia esso 1D, 2D oppure 3D, sarà formato da geometrie più o meno prossime alle geometrie regolari. Formalmente, l’ortogonalità della mesh è la deviazione angolare tra il segmento che connette i centri di due celle e la normale alla faccia condivisa. La non-ortogonalità di una cella è pertanto un indicatore che misura quanto l’angolo formato da due celle adiacenti si discosti dal suo valore ideale (per esempio 90° per facce quadrangolari oppure 60° per facce triangolari). Angoli distanti dall’ottimo incrementano esponenzialmente la difficoltà di calcolo dei gradienti delle grandezze e peggiorano la continuità della soluzione. Sembra allora evidente che l’obiettivo del progettista sia quello di ottenere una mesh con celle aventi ridotta non-ortogonalità. Si noti che la non-ortogonalità della mesh si considera pari alla non-ortogonalità massima presente all’interno della mesh stessa; in particolare, se si assume che due celle adiacenti abbiano non-ortogonalità pari a 0 quando formino un angolo perfettamente ideale, si può affermare che:

  • Per non-ortogonalità > 85: è praticamente impossibile ottenere una soluzione accettabile; si dovrà procedere alla revisione della mesh.
  • Per 70 < non-ortogonalità < 85: valore di non-ortogonalità accettabile che richiede però alcuni accorgimenti da parte del progettista; sarà per esempio richiesto l’utilizzo di correttori all’interno dei metodi di risoluzione numerici. La soluzione ottenuta potrebbe essere attendibile, ma andrà verificata con attenzione.
  • Per 50 < non-ortogonalità < 70: valore di non-ortogonalità discreto, viene tipicamente considerato come un buon compromesso per ottenere soluzioni relativamente affidabili senza incrementare eccessivamente il costo computazionale.
  • Per 25 < non-ortogonalità < 50: valore di non-ortogonalità buono, permette di utilizzare schemi di calcolo meno robusti e più accurati rispetto a mesh meno regolari; con valori di non-ortogonalità inferiori a 40 si possono sfruttare schemi di calcolo del secondo ordine, piuttosto che del primo, migliorando considerevolmente l’affidabilità della soluzione.
  • Per non-ortogonalità < 25: valore di non-ortogonalità ottimale grazie al quale è possibile utilizzare in tranquillità schemi risolutivi del secondo ordine, ottenendo soluzioni molto precise ed attendibili. Il raggiungimento di un valore così ridotto di non-ortogonalità rischia, in alcuni casi, di pesare gravemente sul tempo, e dunque sul costo, computazionale.
  • Esempi di mesh non ortogonaliFigura 2: Esempi di mesh non ortogonali

Skewness
Il secondo valore da tenere in considerazione quando si valuta la qualità della mesh è l’asimmetria delle celle, tipicamente indicata con il termine inglese skewness. La skewness di una cella è un indicatore che misura quanto la geometria reale della cella si discosti dalla corrispondente geometria ideale (per esempio, la geometria ideale per una cella esaedrica sarebbe un cubo): maggiore è la skewness, più la geometria si discosterà dall’ideale. L’asimmetria della celle è un problema molto rilevante nella CFD poiché le equazioni numeriche utilizzate nella risoluzione del problema si basano sull’ipotesi che le celle siano relativamente prossime alle geometrie ideali.
La skewness della cella viene calcolata utilizzando il metodo della deviazione angolare normalizzata, ed è definita come:

skewness=max⁡[(θ_max-θ_e)/(180-θ_e );(θ_e-θ_min)/θ_e ]

Nella sopracitata definizione della skewness, θ_max si riferisce all’angolo maggiore della cella in oggetto, θ_min all’angolo minore mentre θ_e è l’angolo della relativa geometria ideale di riferimento. Alla luce di questa definizione, la skewness della cella (per celle 3D) viene considerata come segue:

Valore di skewness –  Qualità della cella
Compreso tra 0.9 e 1.0 – Pessima
Compreso tra 0.75 e 0.9 – Scarsa
Compreso tra 0.5 e 0.75 – Accettabile
Compreso tra 0.25 e 0.5 – Buona
Compreso tra 0 e 0.25 – Eccellente

Sarebbe preferibile che tutte le celle che compongono la mesh fossero almeno accettabili, quindi con skewness inferiore a 0.5; è tuttavia assolutamente lecito utilizzare mesh che presentino un numero limitato di cell con qualità scarsa, soprattutto se queste si trovano in posizioni di scarso interesse fisico. Una mesh 3D si può considerare di elevata qualità quando tutte le celle abbiano skewness inferiore a 0.4 e la maggior parte di essere siano di qualità eccellente (<0.25).

skewness
Figura 3: Confronto tra cella simmetrica e cella fortemente asimmetrica

Aspect Ratio
Il terzo indicatore da tenere in considerazione per valutare la qualità di una mesh è il cosiddetto Aspect Ratio (AR), ovvero il rapporto tra la dimensione massima e la dimensione minima di una cella. Al contrario di non-ortogonalità e skewness, però, non vi sono dei valori di benchmark per valutare un AR ottimale nella creazione della mesh per una simulazione fluidodinamica. Sebbene valori ridotti di AR contribuiscano alla stabilità della soluzione, evitando sbilanciamenti del flusso di fluido, è possibile utilizzare mesh con AR molto elevati (anche ben oltre 1000) qualora la dimensione della mesh sia nella medesima direzione del fluido. Generalmente, si può assumere che un Aspect Ratio inferiore a 20 non dia alcun problema di convergenza della soluzione, indipendentemente dalle caratteristiche del flusso di fluido.

Conclusioni
Si sono analizzati tre importanti indicatori della qualità della mesh: non-ortogonalità, skewness e Aspect Ratio: le considerazioni riportate in precedenza hanno una valenza molto generica e vanno applicate a casi reali con cognizione di causa. L’esperienza del progettista nel meshing è fondamentale per saper distinguere gli indicatori più importanti per la mesh in oggetto, andando a migliorare una o più caratteristiche specifiche della mesh.
In generale, bisogna sempre ricordare un’importante lezione riguardante il meshing: una buona mesh non garantisce una buona soluzione, ma una mesh scadente garantisce una soluzione scadente.

Simulation Pharmaceutical Production

Analisi CFD nel settore HVAC

Nella progettazione di impianti HVAC è pratica comune assumere importanti decisioni riguardanti il design impiantistico basandosi sulla pratica costruttiva oppure su basi analitiche prettamente teoriche. Ad esempio, sappiamo che la possibilità di realizzare impianti a tutta aria per la climatizzazione invernale di ambienti con altezze elevate è limitata dalla problematica della climatizzazione dell’aria. Allo stesso modo, è nota la necessità di “lavare” le pareti vetrati di ambienti caratterizzati da elevate temperature ed umidità relativa, quali le piscine, per evitare la formazione di condensa sulle stesse. Si potrebbe proseguire a lungo con esempi a tal riguardo. Benché le conoscenze pratiche e teoriche facciano indubitabilmente parte integrante del bagaglio di esperienza di un progettista, la necessità di migliorare ed ottimizzare il più possibile gli impianti meccanici, ed in particolare quelli a servizio della climatizzazione ambientale, richiede soluzioni più accurate e ricercate sulla base del singolo caso specifico oggetto di progettazione.

 

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Figura 1: Andamento della velocità dell’aria su profilo NACA-0012 – Fonte: Direct Numerical Simulation of Flows over an NACA-0012 Airfoil at low and Moderate Reynolds Numbers (NASA)

Al fine di soddisfare questa crescente richiesta di accuratezza e precisione, i progettisti possono ricorrere ad uno strumento estremamente potente: la fluidodinamica computazionale (CFD, acronimo dall’inglese Computer Fluid Dynamics). L’utilizzo della CFD permette infatti di ottenere una soluzione numerica, calcolata attraverso metodi ricorsivi, delle complesse equazioni di Navier-Stokes che, come è noto, governano la dinamica dei fluidi. In pratica, la fluidodinamica computazionale permette di dare una forma precisa e puntuale, nel tempo e nello spazio alle spesso fumose soluzioni analitiche che, anche quando ottenibili, risultano essere troppo complesse per l’utilizzo nella progettazione pratica.

Tornando all’esempio, esposto in precedenza, degli impianti ad aria per la climatizzazione invernale di ambienti con altezze elevate, sappiamo che per limitare il fenomeno della stratificazione dell’aria è necessario immettere in ambiente un numero considerevole di ricambi orari d’aria (almeno 5/6 volumi/ora). Ma esattamente, qual è il numero di ricambi orari necessari per ottenere un comfort dell’aria accettabile? A questa domanda, ogni progettista risponderà fornendo la sua versione, basata sulla propria esperienza pregressa. La CFD ci permette invece di risolvere questo problema con certezza: impostando correttamente il modello ed assumendo adeguate condizioni al contorno è possibile prevedere quale sarà la distribuzione di temperatura all’interno dell’intero ambiente, comprendendo immediatamente quanto incida la stratificazione dell’aria. In questo modo, grazie alla CFD, potremmo valutare la fattibilità di un impianto ad aria basandoci su ipotesi ben più solide: conosceremo l’esatta portata d’aria da immettere in ambiente, alle condizioni fissate, necessaria per portare l’ambiente stesso alla temperatura desiderata nei tempi previsti.

Si può pertanto fare un’interessante considerazione riguardo l’utilizzo della CFD per la progettazione di impianti HVAC: la fluidodinamica computazionale semplifica l’attività di progettazione aggiungendovi livelli di complessità. Perché questa apparente contraddizione? La CFD permette di sviluppare i progetti lungo direttrici che sono tipicamente impedite alla progettazione tradizionale, consentendo di spingere i progetti verso livelli di accuratezza sempre maggiori.

Per comprendere meglio le possibilità collegate all’utilizzo della CFD, ma anche le relative criticità, è sicuramente utile analizzare il tipico work-flow di una simulazione fluidodinamica. I passaggi necessari per ottenere dei risultati affidabili e fisicamente coerenti sono così riassumibili:

  1. Pre-Processing
  2. Validazione del modello
  3. Post-Processing

Il Pre-Processing comprende tutte quelle attività propedeutiche e necessarie all’avvio delle simulazioni numeriche. Per prima cosa sarà pertanto necessario definire la geometria all’interno della quale lanciare la simulazione, ovvero il volume di controllo; al fine di ottenere risultati coerenti è necessario che la geometria presenti un elevato livello di dettaglio. Stabilita la geometria, si procede alla definizione del modello fisico, impostando tutte le equazioni che definiscono l’oggetto della simulazione. Scegliere correttamente le equazioni che governano la simulazione è di fondamentale importanza per trovare un corretto bilanciamento tra l’accuratezza della soluzione ed il tempo di calcolo. In questa fase è inoltre definire le cosiddette condizioni al contorno, ovvero tutte le condizioni iniziali imposte dal caso specifico, nonché le ipotesi proposte per l’impostazione della simulazione.

Terminato il Pre-Processing è necessario validare il modello appena definito per permetterne l’utilizzo al variare di alcune condizioni e consentirne dunque l’utilizzo: sarebbe impensabile realizzare un differente modello per ogni minima modifica apportata ad esso. La validazione del modello è però il passaggio più complesso nell’ambito della fluidodinamica computazionale; durante la validazione è infatti necessario effettuare le seguenti operazioni:

  1. Realizzazione della Mesh: Si definisce “mesh” la discretizzazione del volume di controllo. Una mesh è formata da un gran numero di celle di forme e dimensioni variabili decise dal progettista: per ogni cella il programma calcolerà tutte le proprietà del fluido (velocità, pressione, etc.). La realizzazione della mesh è, escludendo il tempo computazionale vero e proprio, l’operazione più lunga nell’ambito delle simulazioni CFD ed ha evidentemente un’importanza fondamentale. Una trattazione più attenta del “meshing”, nonché delle problematiche ad esso legate, è disponibili qui [NOTE: Add link to the entry about “meshing”].

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Figura 2: Mesh relativa alla girante di una pompa centrifuga – Fonte: truegrid.com/cfdgallery

 

2.  Scelta ed impostazione del risolutore: Costruita la mesh, è necessario scegliere il risolutore più adeguato per l’applicazione in oggetto. Senza entrare nel dettaglio dei complessi algoritmi che si nascondono dietro le sigle (PISO, SIMPLE, etc.) che tipicamente si incontrano quando ci si avvicina alla CFD, bisogna sapere che ciascun risolutore calcola la soluzione numerica attraverso algoritmi iterativi. Le equazioni di partenza sono le medesime, ma varia l’ordine in cui queste vengono risolte, nonché l’utilizzo dei correttori numerici necessari per migliorare la stabilità della simulazione.

3. Ottenimento della soluzione preliminare: Una volta scelto il risolutore più adatto per l’esigenza, si può finalmente lanciare una simulazione preliminare. Se tutti i precedenti passaggi sono stati effettuati correttamente, il simulatore restituirà una soluzione. Questa deve essere innanzitutto confrontata con le soluzioni analitiche: la soluzione ottenuta è fisicamente sensata ed è coerente con quanto ci saremmo aspettati? In caso di risposta affermativa, si può procedere con la validazione del modello, altrimenti sarà necessario rivedere le operazioni svolte in precedenza.

4. Controlli di convergenza: l’ottenimento di una soluzione accettabile non è certamente sufficiente per poter considerare validato il modello realizzato. In seguito sarà necessario procedere con le simulazioni per raffinare la soluzione, ovvero migliorarne la convergenza, e per verificare che la soluzione ottenuta non sia frutto di condizioni particolari non imposte direttamente dal progettista. Se anche questo passaggio viene superato con successo, il modello si può infine considerare validato.

HVAC simulation server room CFD streamlines

Figura 3: Linee di flusso dell’aria in un data center – Fonte: simscale.com

 

Avendo in mano un modello computazionale corretto e stabile si potranno simulare le diverse condizioni richieste nell’ambito della progettazione. I risultati della simulazioni saranno però interminabili tabelle di numeri, di fatto incomprensibili. Per tradurre questi risultati in qualcosa di utilizzabili dovranno essere utilizzati degli strumenti di Post-Processing che permetteranno di circoscrivere i risultati esposti a quelli più interessanti, nonché di ottenere soluzioni grafiche facilmente comprensibili ed utilizzabili.

Abbiamo voluto fornire un assaggio dei dilemmi progettuali che la fluidodinamica computazionale è in grado di aiutare a risolvere, nonché dare un’idea di quanto possa essere complesso impostare correttamente le simulazioni CFD. Bisogna però ricordare che l’utilizzo della CFD non è da considerarsi sostitutivo rispetto agli strumenti della progettazione tradizionale: al fine di implementare correttamente un modello fluidodinamico coerente e fisicamente sensato è infatti necessario avere una buona padronanza delle equazioni analitiche che governano la dinamica dei fluidi, ovvero le già citate equazioni di Navier-Stokes. Inoltre, al fine di ottenere soluzioni utili e coerenti in tempi ragionevoli e con costi di progettazione contenuti, è necessario che il progettista circoscriva correttamente il problema postogli, evitando di disperdere tempo ed energie in simulazioni inutili, se non dannose.