Per quanto riguarda il riscaldamento, le esigenze di una determinata persona dipenderanno da molti fattori. Possono essere classificati in due gruppi principali, quelli legati all'ambiente circostante e quelli legati ai fattori umani. Tra quelli relativi all'ambiente si possono annoverare la geografia (latitudine e altitudine), il clima, il tipo di esposizione dello spazio in cui si trova la persona, o le barriere che proteggono lo spazio dall'ambiente esterno, ecc. Tra i fattori umani ci sono il il consumo energetico del lavoratore, il ritmo di lavoro o la quantità di sforzo necessario per il lavoro, l'abbigliamento o gli indumenti utilizzati contro il freddo e le preferenze o i gusti personali.

La necessità di riscaldamento è stagionale in molte regioni, ma ciò non significa che il riscaldamento sia superfluo durante la stagione fredda. Le condizioni ambientali fredde influenzano la salute, l'efficienza mentale e fisica, la precisione e occasionalmente possono aumentare il rischio di incidenti. L'obiettivo di un sistema di riscaldamento è mantenere condizioni termiche piacevoli che prevengano o riducano al minimo gli effetti negativi sulla salute.

Le caratteristiche fisiologiche del corpo umano gli consentono di resistere a grandi variazioni delle condizioni termiche. Gli esseri umani mantengono il loro equilibrio termico attraverso l'ipotalamo, per mezzo di recettori termici nella pelle; la temperatura corporea è mantenuta tra 36 e 38°C come mostrato in figura 1.

Figura 1. Meccanismi di termoregolazione nell'uomo

Gli impianti di riscaldamento devono avere meccanismi di controllo molto precisi, soprattutto nei casi in cui i lavoratori svolgono le loro mansioni in posizione seduta o fissa che non stimoli la circolazione sanguigna alle estremità. Laddove il lavoro svolto consente una certa mobilità, il controllo del sistema può essere un po' meno preciso. Infine, laddove il lavoro svolto avvenga in condizioni anormalmente avverse, come in celle frigorifere o in condizioni climatiche molto rigide, possono essere intraprese misure di supporto per proteggere tessuti speciali, per regolare il tempo trascorso in tali condizioni o per fornire calore mediante sistemi elettrici incorporati nelle vesti del lavoratore.

Definizione e descrizione dell'ambiente termico

Un requisito che si può esigere da qualsiasi impianto di riscaldamento o condizionamento correttamente funzionante è che esso permetta il controllo delle variabili che definiscono l'ambiente termico, entro determinati limiti, per ogni stagione dell'anno. Queste variabili sono

1. temperatura dell'aria
2. temperatura media delle superfici interne che definiscono lo spazio
3. umidità dell'aria
4. velocità e uniformità delle velocità del flusso d'aria all'interno dello spazio

È stato dimostrato che esiste una relazione molto semplice tra la temperatura dell'aria e delle superfici murarie di un dato ambiente e le temperature che forniscono la stessa sensazione termica percepita in un ambiente diverso. Questa relazione può essere espressa come

where

T_mangiare = temperatura dell'aria equivalente per una data sensazione termica

T_DBT = temperatura dell'aria misurata con termometro a bulbo secco

T_ramo = temperatura superficiale media misurata delle pareti.

Ad esempio, se in un dato ambiente l'aria e le pareti sono a 20°C, la temperatura equivalente sarà di 20°C, e la sensazione di calore percepita sarà la stessa di una stanza dove la temperatura media delle pareti è 15°C e la temperatura dell'aria è 25°C, perché quella stanza avrebbe la stessa temperatura equivalente. Dal punto di vista della temperatura, la sensazione percepita di comfort termico sarebbe la stessa.

Proprietà dell'aria umida

Nella realizzazione di un piano di climatizzazione, tre cose che devono essere prese in considerazione sono lo stato termodinamico dell'aria nell'ambiente dato, dell'aria esterna e dell'aria che verrà immessa nell'ambiente. La scelta di un sistema in grado di trasformare le proprietà termodinamiche dell'aria immessa nell'ambiente sarà poi basata sui carichi termici esistenti di ciascun componente. Abbiamo quindi bisogno di conoscere le proprietà termodinamiche dell'aria umida. Sono i seguenti:

T_DBT = la lettura della temperatura a bulbo secco, misurata con un termometro isolato dal calore irradiato

T_DPT = la lettura della temperatura del punto di rugiada. Questa è la temperatura alla quale l'aria secca non satura raggiunge il punto di saturazione

W = un rapporto di umidità che va da zero per l'aria secca a W_s per aria satura. Si esprime in kg di vapore acqueo per kg di aria secca

RH = umidità relativa

t* = temperatura termodinamica a bulbo umido

v = volume specifico di aria e vapore acqueo (espresso in unità di m³/kg). È l'inverso della densità

H = entalpia, kcal/kg di aria secca e vapore acqueo associato.

Delle suddette variabili, solo tre sono direttamente misurabili. Sono la lettura della temperatura a bulbo secco, la lettura della temperatura del punto di rugiada e l'umidità relativa. Esiste una quarta variabile misurabile sperimentalmente, definita come la temperatura di bulbo umido. La temperatura del bulbo umido viene misurata con un termometro il cui bulbo è stato inumidito e che viene mosso, tipicamente con l'ausilio di un'imbracatura, attraverso aria umida non satura a velocità moderata. Questa variabile differisce di una quantità insignificante dalla temperatura termodinamica a bulbo secco (3 per cento), quindi entrambe possono essere utilizzate per i calcoli senza sbagliare troppo.

Diagramma psicrometrico

Le proprietà definite nella sezione precedente sono funzionalmente correlate e possono essere rappresentate in forma grafica. Questa rappresentazione grafica è chiamata diagramma psicrometrico. È un grafico semplificato derivato dalle tabelle dell'American Society of Heating, Refrigerating and Air Conditioning Engineers (ASHRAE). L'entalpia e il grado di umidità sono riportati sulle coordinate del diagramma; le linee tracciate mostrano temperature secche e umide, umidità relativa e volume specifico. Con il diagramma psicrometrico, conoscendo due qualsiasi delle suddette variabili è possibile ricavare tutte le proprietà dell'aria umida.

Condizioni per il comfort termico

Il comfort termico è definito come uno stato d'animo che esprime soddisfazione per l'ambiente termico. È influenzato da fattori fisici e fisiologici.

È difficile prescrivere condizioni generali che dovrebbero essere soddisfatte per il comfort termico perché le condizioni differiscono nelle varie situazioni di lavoro; condizioni diverse potrebbero anche essere richieste per lo stesso posto di lavoro quando è occupato da persone diverse. Una norma tecnica per le condizioni termiche necessarie per il comfort non può essere applicata a tutti i paesi a causa delle diverse condizioni climatiche e delle loro diverse usanze che regolano l'abbigliamento.

Sono stati effettuati studi con lavoratori che svolgono lavori manuali leggeri, stabilendo una serie di criteri di temperatura, velocità e umidità che sono riportati nella tabella 1 (Bedford e Chrenko 1974).

Tabella 1. Norme proposte per i fattori ambientali

I fattori di cui sopra sono correlati, richiedendo una temperatura dell'aria più bassa nei casi in cui vi è un'elevata radiazione termica e richiedendo una temperatura dell'aria più elevata quando anche la velocità del flusso d'aria è maggiore.

In generale, le correzioni da effettuare sono le seguenti:

La temperatura dell'aria dovrebbe essere aumentata:

• se la velocità del flusso d'aria è elevata

• per situazioni lavorative sedentarie

• se l'abbigliamento utilizzato è leggero

• quando le persone devono essere acclimatate a temperature interne elevate.

La temperatura dell'aria dovrebbe essere ridotta:

• se il lavoro comporta un lavoro manuale pesante

• quando si usano indumenti caldi.

Per una buona sensazione di comfort termico la situazione più auspicabile è quella in cui la temperatura dell'ambiente è leggermente superiore alla temperatura dell'aria, e dove il flusso di energia termica radiante è uguale in tutte le direzioni e non è eccessivo in alto. L'aumento della temperatura in base all'altezza dovrebbe essere ridotto al minimo, mantenendo i piedi caldi senza creare un eccessivo carico termico sopra la testa. Un fattore importante che incide sulla sensazione di comfort termico è la velocità del flusso d'aria. Esistono diagrammi che riportano le velocità dell'aria consigliate in funzione dell'attività che si sta svolgendo e del tipo di abbigliamento utilizzato (figura 2).

Figura 2. Zone di comfort basate sulle letture delle temperature complessive e della velocità delle correnti d'aria

In alcuni paesi esistono norme per le temperature ambientali minime, ma i valori ottimali non sono ancora stati stabiliti. Tipicamente, il valore massimo per la temperatura dell'aria è di 20°C. Con i recenti miglioramenti tecnici, la complessità della misurazione del comfort termico è aumentata. Sono apparsi molti indici, tra cui l'indice di temperatura effettiva (ET) e l'indice di temperatura effettiva corretta (CET); l'indice di sovraccarico calorico; l'indice di stress da calore (HSI); la temperatura del globo a bulbo umido (WBGT); e l'indice Fanger dei valori mediani (IMV), tra gli altri. L'indice WBGT permette di determinare gli intervalli di riposo richiesti in funzione dell'intensità del lavoro svolto in modo da precludere lo stress termico in condizioni di lavoro. Questo è discusso più ampiamente nel capitolo Caldo e freddo.

Zona di comfort termico in un diagramma psicrometrico

L'intervallo sul diagramma psicrometrico corrispondente alle condizioni in cui un adulto percepisce il comfort termico è stato attentamente studiato ed è stato definito nella norma ASHRAE in base alla temperatura effettiva, definita come la temperatura misurata con un termometro a bulbo secco in una stanza uniforme con 50 percentuale di umidità relativa, dove le persone avrebbero lo stesso scambio di calore per energia radiante, convezione ed evaporazione che avrebbero con il livello di umidità nel dato ambiente locale. La scala della temperatura effettiva è definita da ASHRAE per un livello di abbigliamento di 0.6 clo—clo è un'unità di isolamento; 1 clo corrisponde all'isolamento fornito da un normale set di indumenti, che presuppone un livello di isolamento termico di 0.155 K m²W^-1, dove K è lo scambio di calore per conduzione misurato in Watt per metro quadro (W m^-2) per un movimento d'aria di 0.2 ms^-1 (a riposo), per un'esposizione di un'ora ad una attività sedentaria prescelta di 1 met (unità di tasso metabolico=50 Kcal/m²h). Questa zona di comfort è mostrata nella figura 2 e può essere utilizzata per ambienti termici in cui la temperatura misurata dal calore radiante è approssimativamente uguale alla temperatura misurata da un termometro a bulbo secco e dove la velocità del flusso d'aria è inferiore a 0.2 ms^-1 per persone vestite con abiti leggeri e che svolgono attività sedentarie.

Formula del comfort: il metodo Fanger

Il metodo sviluppato da PO Fanger si basa su una formula che mette in relazione variabili di temperatura ambiente, temperatura media radiante, velocità relativa del flusso d'aria, pressione del vapore acqueo nell'aria ambiente, livello di attività e resistenza termica dell'abbigliamento indossato. Un esempio derivato dalla formula comfort è riportato in tabella 2, utilizzabile nelle applicazioni pratiche per ottenere una temperatura confortevole in funzione dell'abbigliamento indossato, del tasso metabolico dell'attività svolta e della velocità del flusso d'aria.

Tabella 2. Temperature di comfort termico (°C), al 50% di umidità relativa (in base alla formula di PO Fanger)

Sistemi di riscaldamento

La progettazione di qualsiasi sistema di riscaldamento dovrebbe essere direttamente correlata al lavoro da eseguire e alle caratteristiche dell'edificio in cui verrà installato. Difficile trovare, nel caso di edifici industriali, progetti in cui si tenga conto del fabbisogno termico dei lavoratori, spesso perché i processi e le postazioni di lavoro sono ancora da definire. Normalmente i sistemi sono progettati con un range molto libero, considerando solo i carichi termici che esisteranno nell'edificio e la quantità di calore che deve essere fornita per mantenere una data temperatura all'interno dell'edificio, indipendentemente dalla distribuzione del calore, dalla situazione delle postazioni di lavoro e altri fattori altrettanto meno generali. Ciò porta a carenze nella progettazione di alcuni edifici che si traducono in carenze come punti freddi, correnti d'aria, un numero insufficiente di elementi riscaldanti e altri problemi.

Per concludere con un buon sistema di riscaldamento nella progettazione di un edificio, le seguenti sono alcune delle considerazioni che dovrebbero essere affrontate:

• Considerare il corretto posizionamento dell'isolamento per risparmiare energia e ridurre al minimo i gradienti di temperatura all'interno dell'edificio.

• Ridurre il più possibile l'infiltrazione di aria fredda nell'edificio per minimizzare le variazioni di temperatura nelle aree di lavoro.

• Controllare l'inquinamento atmosferico attraverso l'estrazione localizzata dell'aria e la ventilazione per spostamento o diffusione.

• Controllare le emissioni di calore dovute ai processi utilizzati nell'edificio e la loro distribuzione nelle aree occupate dell'edificio.

Quando il riscaldamento è fornito da bruciatori senza camini di scarico, si dovrà prestare particolare attenzione all'inalazione dei prodotti della combustione. Normalmente, quando i materiali combustibili riscaldano olio, gas o coke, producono anidride solforosa, ossidi di azoto, monossido di carbonio e altri prodotti di combustione. Esistono limiti di esposizione umana per questi composti e dovrebbero essere controllati, specialmente in spazi chiusi dove la concentrazione di questi gas può aumentare rapidamente e l'efficienza della reazione di combustione può diminuire.

La progettazione di un impianto di riscaldamento comporta sempre il bilanciamento di diverse considerazioni, come il basso costo iniziale, la flessibilità del servizio, l'efficienza energetica e l'applicabilità. Pertanto, l'uso dell'elettricità durante le ore non di punta, quando potrebbe essere più economico, ad esempio, potrebbe rendere i riscaldatori elettrici convenienti. Un'altra opzione è l'utilizzo di sistemi chimici per l'accumulo di calore che possono poi essere utilizzati durante i picchi di domanda (utilizzando solfuro di sodio, ad esempio). È anche possibile studiare il posizionamento di più sistemi diversi insieme, facendoli funzionare in modo tale da poterne ottimizzare i costi.

Particolarmente interessante è l'installazione di riscaldatori in grado di utilizzare gas o olio combustibile. L'uso diretto dell'elettricità significa consumare energia di prima classe che può rivelarsi costosa in molti casi, ma che può consentire la flessibilità necessaria in determinate circostanze. Le pompe di calore e gli altri sistemi di cogenerazione che sfruttano il calore residuo possono permettersi soluzioni che possono essere molto vantaggiose dal punto di vista economico. Il problema di questi sistemi è il loro alto costo iniziale.

Oggi la tendenza degli impianti di riscaldamento e condizionamento è quella di puntare al funzionamento ottimale e al risparmio energetico. I nuovi sistemi prevedono quindi sensori e comandi distribuiti negli ambienti da riscaldare, ottenendo un apporto di calore solo nei tempi necessari per ottenere il comfort termico. Questi sistemi possono far risparmiare fino al 30% dei costi energetici del riscaldamento. La figura 3 mostra alcuni dei sistemi di riscaldamento disponibili, indicandone le caratteristiche positive e gli svantaggi.

Figura 3. Caratteristiche dei sistemi di riscaldamento più diffusi nei cantieri

Impianti di climatizzazione

L'esperienza mostra che gli ambienti industriali che sono vicini alla zona di comfort durante i mesi estivi aumentano la produttività, tendono a registrare meno infortuni, hanno un minore assenteismo e, in generale, contribuiscono a migliorare le relazioni umane. Nel caso di esercizi commerciali, ospedali ed edifici di grandi superfici, la climatizzazione necessita solitamente di essere orientata per poter fornire il comfort termico quando le condizioni esterne lo richiedono.

In alcuni ambienti industriali in cui le condizioni esterne sono molto severe, l'obiettivo dei sistemi di riscaldamento è orientato più a fornire calore sufficiente per prevenire possibili effetti negativi sulla salute che a fornire calore sufficiente per un ambiente termico confortevole. Fattori che vanno attentamente monitorati sono la manutenzione e il corretto utilizzo degli impianti di climatizzazione, soprattutto se dotati di umidificatori, perché possono diventare fonti di contaminazione microbica con i rischi che questi contaminanti possono comportare per la salute umana.

Oggi i sistemi di ventilazione e climatizzazione tendono a coprire, congiuntamente e spesso utilizzando lo stesso impianto, le esigenze di riscaldamento, refrigerazione e condizionamento dell'aria di un edificio. Classificazioni multiple possono essere utilizzate per i sistemi di refrigerazione.

A seconda della configurazione del sistema possono essere classificati nel modo seguente:

• Unità ermetiche, con fluido refrigerante installato in fabbrica, apribili e ricaricabili in officina. Si tratta di unità di condizionamento normalmente utilizzate in uffici, abitazioni e simili.

• Unità semiermetiche di medie dimensioni, fabbricate in fabbrica, che sono di dimensioni maggiori rispetto alle unità domestiche e che possono essere riparate attraverso aperture progettate a tale scopo.

• Sistemi segmentati per magazzini e grandi superfici, costituiti da parti e componenti nettamente differenziati e fisicamente separati (il compressore e il condensatore sono fisicamente separati dall'evaporatore e dalla valvola di espansione). Sono utilizzati per grandi edifici per uffici, hotel, ospedali, grandi fabbriche ed edifici industriali.

A seconda della copertura che forniscono, possono essere classificati nel modo seguente:

• Impianti per una sola zona: un'unità di trattamento aria serve più ambienti dello stesso edificio e contemporaneamente. Gli ambienti serviti hanno esigenze di riscaldamento, refrigerazione e ventilazione simili e sono regolati da un comando comune (termostato o dispositivo simile). Impianti di questo tipo possono finire per non essere in grado di fornire un adeguato livello di comfort ad ogni ambiente se il progetto progettuale non tiene conto dei diversi carichi termici tra ambienti della stessa zona. Questo può accadere quando c'è un aumento dell'occupazione di una stanza o quando vengono aggiunte luci o altre fonti di calore, come computer o fotocopiatrici, che non erano previste durante la progettazione originale del sistema. Il disagio può verificarsi anche a causa dei cambiamenti stagionali nella quantità di radiazione solare ricevuta da una stanza, o anche a causa dei cambiamenti da una stanza all'altra durante il giorno.

• Impianti per più zone: impianti di questo tipo possono fornire a zone diverse aria a temperature e umidità diverse riscaldando, raffreddando, umidificando o deumidificando l'aria in ogni zona e variando il flusso d'aria. Questi sistemi, pur avendo generalmente un'unità di raffreddamento ad aria comune e centralizzata (compressore, evaporatore, ecc.), sono dotati di una varietà di elementi, come dispositivi di controllo del flusso d'aria, batterie di riscaldamento e umidificatori. Questi sistemi sono in grado di regolare le condizioni di un locale in base a specifici carichi termici, che rilevano tramite sensori distribuiti nei locali in tutta l'area che servono.

• A seconda del flusso d'aria che questi sistemi immettono nell'edificio, vengono classificati nel modo seguente:

• Volume costante (CV): questi sistemi pompano un flusso d'aria costante in ogni stanza. Le variazioni di temperatura vengono effettuate riscaldando o raffreddando l'aria. Questi sistemi miscelano frequentemente una percentuale di aria esterna con aria interna riciclata.

• A volume variabile (VAV): questi sistemi mantengono il comfort termico variando la quantità di aria riscaldata o raffreddata fornita a ciascun ambiente. Pur funzionando principalmente in base a questo principio di miscelazione, possono essere abbinati anche a sistemi che modificano la temperatura dell'aria che immettono nell'ambiente.

I problemi che più frequentemente affliggono queste tipologie di impianti sono l'eccessivo riscaldamento o raffrescamento se l'impianto non è adeguato a rispondere alle variazioni dei carichi termici, oppure la mancanza di ventilazione se l'impianto non immette una minima quantità di aria esterna per rinnovare la circolazione aria interna. Questo crea ambienti interni viziati in cui la qualità dell'aria si deteriora.

Gli elementi base di tutti i sistemi di climatizzazione sono (vedi anche figura 4):

• Unità per trattenere la materia solida, generalmente filtri a maniche o precipitatori elettrostatici.

• Unità di riscaldamento o raffrescamento ad aria: in queste unità il calore viene scambiato per scambio termico con acqua fredda o liquidi refrigeranti, per ventilazione forzata in estate e per riscaldamento con serpentine elettriche o per combustione in inverno.

• Unità per il controllo dell'umidità: in inverno è possibile aggiungere umidità per immissione diretta di vapore acqueo o per evaporazione diretta dell'acqua; in estate può essere rimossa da serpentine frigorifere che condensano l'umidità in eccesso nell'aria, oppure da un sistema ad acqua refrigerata in cui l'aria umida scorre attraverso una cortina di gocce d'acqua più fredda del punto di rugiada dell'aria umida.

Figura 4. Schema semplificato del sistema di climatizzazione

Di ritorno