Progettazione di Impianti a Servizio di Strutture Ospedaliere

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INTRODUZIONE 
 
 
L’obiettivo di questa tesi è la progettazione degli impianti di condizionamento e 
trattamento dell’aria, comprese le reti aerauliche, o reti di canali d’aria all’interno, destinati a 
servire strutture ospedaliere. 
 A questo fine, sono stati sviluppati due programmi: 
 
- “datcon”: programma per l’introduzione e correzione dei dati di descrizione della 
geometria della rete e delle sue caratteristiche aerauliche; 
- “condotte”: programma per il dimensionamento dei canali d’aria e il calcolo dei 
parametri fondamentali. 
 
 Tutti i dati inseriti e quelli ottenuti dal dimensionamento della rete sono riportati in un file 
di testo e sono facilmente consultabili tramite un qualsiasi programma di lettura testi. 
 Durante l’introduzione dei dati è possibile scegliere, per le varie parti di rete, il metodo di 
dimensionamento desiderato fra i tre piø comunemente utilizzati nella pratica. 
 Il software per il dimensionamento fornisce per ogni canale d’aria i valori ottimali delle 
dimensioni della sezione, la velocità, la resistenza, le perdite di pressione distribuita, 
concentrata e totale; per ciascun ramo la caduta di pressione totale e la pressione disponibile. 
 Alla fine del dimensionamento, è possibile avvalersi di un’opzione che consente di 
attribuire una dimensione comune a piø canali consecutivi. 
 Prima di poter usufruire del software, è necessario effettuare la descrizione geometrica 
della rete che si intende dimensionare, utilizzando poche e intuitive regole che vengono 
comunque fornite all’interno della tesi, tra cui formule e normative. 
 Tesi che si articola otto capitoli. 
 Nel primo capitolo vengono trattate le reti aerauliche, vengono fornite formule utilizzate 
nel loro dimensionamento e vengono descritti i tre metodi principali di dimensionamento. 
 Nel secondo capitolo si discute della qualità dell’aria, con la descrizione delle parti 
meccaniche destinate alla climatizzazione dell’ambiente ove è possibile ottenere risultati 
ottimali attraverso il controllo di quattro condizioni ambientali fondamentali: la temperatura, 
l'umidità, il movimento e la filtrazione dell'aria. 
 Nel terzo capitolo viene approfondito il problema della rumorosità, descrivendo il 
fenomeno di propagazione delle onde sonore all’interno dei condotti, i limiti del rumore e le 
soluzioni per l’attenuazione acustica. 
 Il quarto capitolo si occupa del comfort e della sicurezza degli ambienti attraverso la 
distribuzione dell’aria condizionata. 
 Nel quinto capitolo si entra nell’ambito degli edifici ospedalieri partendo dalle 
problematiche relative alla progettazione degli impianti di distribuzione dell’aria, 
all’evoluzione tecnologica e normativa degli ultimi decenni, fino alla descrizione delle parti 
meccaniche dell’impianto e degli ambienti a cui essi sono destinati. 
 Il capitolo sesto tratta gli algoritmi di calcolo, spesso schematizzati tramite diagrammi di 
flusso. 
 Il settimo capitolo è un vero e proprio manuale d’uso dei due programmi, che consente a 
qualsiasi utente di apprendere le regole necessarie per il loro utilizzo. 
 Nel ottavo capitolo è mostrato un esempio di dimensionamento, al fine di comprendere 
meglio il funzionamento dei programmi e di verificare numericamente la validità delle 
procedure di calcolo.
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CAPITOLO 1 – Principi generali di aeraulica 
 
 
1.1  Condizionamento dell’aria 
 
Il condizionamento è l’insieme delle trasformazioni alle quali viene sottoposta l’aria al 
fine di mantenere negli ambienti le condizioni di benessere termoigrometrico. Il 
condizionamento prevede quindi il controllo, all’interno degli ambienti, di temperatura, 
umidità relativa, purezza e velocità dell’aria. A tal fine, gli impianti di condizionamento 
devono far fronte ai carichi termici estivi ed invernali e devono garantire il rinnovo 
programmato dell’aria interna, accompagnato da misure aggiuntive quali la filtrazione e 
l’ottimizzazione dei sistemi di immissione ed estrazione. I vari tipi di impianto di 
condizionamento adottati nella pratica possono essere classificati in base al fluido o ai fluidi 
che vengono impiegati per controbilanciare il carico termico sensibile e latente dell’ambiente. 
In tale senso si possono distinguere: 
 
• Impianti a sola aria, che impiegano l’aria come fluido vettore del caldo e/o freddo in 
ambiente; 
• Impianti ad aria-acqua, che impiegano aria ed acqua come fluidi vettori del caldo e/o 
del freddo in ambiente; 
• Impianti a sola acqua, che impiegano l’acqua come fluido vettore del caldo e/o del 
freddo in ambiente; 
• Impianto a fluido refrigerante o a condizionatori da finestra, eventualmente del tipo a 
pompa di calore. 
 
Limitiamoci ora a considerare di un impianto di climatizzazione la parte relativa all’aria. 
Volendo schematizzare, un generico impianto aeraulico è costituito da: 
 
1. unità di trattamento dell’aria, dove si trovano i componenti nei quali hanno luogo le 
trasformazioni termoigrometriche dell’aria (batterie per il riscaldamento, batterie per il 
raffreddamento e la deumidificazione, filtri, lavatori d’aria, umidificatori etc.); 
2. ventilatori per la circolazione dell’aria; 
3. apparecchi per la diffusione o per la ripresa dell’aria; 
4. la rete di distribuzione o rete di canali d’aria, che ha la funzione di convogliare l’aria 
dall’unità nella quale viene prodotta ai vari locali da trattare e/o di estrarla dagli stessi 
per espellerla definitivamente o per ritrattarla in parte; 
5. controlli automatici di tutti i parametri. 
 
 
1.2  Classificazione delle condotte 
 
E’ stato appena visto come una rete per la distribuzione dell’aria sia una delle componenti 
fondamentali di un impianto aeraulico; è bene ora scendere piø in dettaglio e analizzare come 
possono essere classificate le condotte.
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1.2.1  Classificazione in base all’utilizzo 
 
Una prima classificazione possibile riguarda la natura del loro utilizzo: una parte delle 
condotte viene impiegata per “immettere” aria negli ambienti (condotte di immissione o di 
mandata), e una parte per “estrarre” aria dagli ambienti (condotte di estrazione o di ripresa). 
E’ comunque corretto parlare di estrazione dell’aria dagli ambienti, a prescindere dal fatto che 
la destinazione successiva dell’aria sia l’espulsione all’esterno o il ricircolo nell’unità di 
trattamento, per il miglior funzionamento del sistema nel complesso. In generale, però, il 
concetto di estrazione viene riferito anche ai casi in cui la direzione del flusso d’aria è verso 
un ventilatore (aspirazione) oppure ha origine dal ventilatore ed è verso l’atmosfera 
(espulsione). Tali definizioni consentono di effettuare la seguente classificazione: 
 
• condotte di mandata; 
• condotte di ripresa; 
• condotte di aspirazione; 
• condotte di espulsione. 
 
Questa classificazione è sostanzialmente ininfluente sulla tecnologia costruttiva delle 
condotte, poichØ la tecnica della loro realizzazione non varia, nella maggior parte dei casi, con 
la variazione di direzione del flusso d’aria. La distinzione può diventare invece importante nel 
momento in cui intervengono fattori o vincoli che determinano un diverso dimensionamento 
delle condotte, oppure esigenze che obbligano al conseguimento di una determinata tenuta 
alle fughe d’aria, oppure ancora le problematiche connesse alla coibentazione termica. 
 
 
1.2.2  Classificazione in base alla velocità 
 
Negli impianti di condizionamento esistono due metodi per convogliare l’aria verso i 
locali condizionati, chiamati “a bassa” e “ad alta” velocità. La linea di separazione tra i due 
sistemi non è ben definita, tuttavia, come valori di riferimento per le velocità iniziali, il 
progettista può assumere i seguenti: 
 
1. Impianti commerciali e residenziali: 
a) Bassa velocità: fino a 13 m/s. Normalmente compresa fra i 6 e gli 11 m/s; 
b) Alta velocità: sopra i 13 m/s. 
2. Impianti industriali: 
a) Bassa velocità: fino a 13 m/s. Normalmente compresa tra gli 11 ed i 13 m/s; 
b) Alta velocità: da 13 a 25 m/s. 
 
I canali di ripresa negli impianti a bassa o ad alta velocità vengono normalmente dimensionati 
a bassa velocità. 
Per i canali di ripresa le velocità raccomandate sono: 
 
1. Impianti commerciali e residenziali: 
• Bassa velocità: fino a 10 m/s. Normalmente compresa tra 7.5 e 9 m/s. 
2. Impianti industriali: 
• Bassa velocità: fino a 13 m/s. Normalmente compresa tra 9 e 11 m/s.
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1.2.3  Classificazione in base alla pressione 
 
In base alle pressioni, i canali per la distribuzione dell’aria vengono divisi in tre categorie. 
Queste, che corrispondono alle classi I, II e III dei ventilatori, vengono definite nel modo 
seguente: 
 
1. Bassa pressione: fino a 900 Pa, ventilatore della classe I. 
2. Media pressione: da 900 a 1700 Pa, ventilatore della classe II. 
3. Alta pressione: da 1700 a 3000 Pa, ventilatore della classe III. 
 
Questi valori si riferiscono alla pressione totale e comprendono le perdite di carico che si 
verificano nella centrale di trattamento dell’aria, nei canali di distribuzione e nei diffusori. 
 
 
1.3  Canali per la distribuzione dell’aria: spazio disponibile ed 
aspetto estetico 
 
Come abbiamo già detto, la funzione di una rete di canali è di convogliare l’aria dalla 
centrale di trattamento ai vari locali da condizionare. Per assolvere questa funzione nel 
migliore dei modi, la rete di distribuzione deve essere progettata avendo presente diversi 
fattori, quali: lo spazio a disposizione, le perdite di carico, la velocità dell’aria, il livello di 
rumorosità, le rientrate e le dispersioni di calore, le fughe per la non perfetta tenuta. Per i 
canali di mandata e di ripresa, lo spazio disponibile per la loro sistemazione e l’aspetto 
estetico determinano, molto spesso, il progetto ed impongono, a volte, un tipo di impianto. 
Negli alberghi e negli uffici, con una disponibilità di spazio limitata, l’impiego di 
terminali ad induzione con canali d’aria circolari ad alta velocità può risultare spesso, a parte 
ogni altra considerazione, la soluzione migliore. 
Nei grandi magazzini o nei grossi centri commerciali già esistenti, l’impianto può 
richiedere dei canali in vista appesi al soffitto. 
In questo caso sono particolarmente consigliati dei canali a sezione rettangolare costante che 
assumono l’aspetto di travi. Per ottenere questo risultato, i canali dovranno essere 
esternamente lisci e ridotti al massimo i cambiamenti di sezione. 
Negli impianti industriali, l’ingombro e l’aspetto estetico dei canali assumono un’importanza 
secondaria. Anche per questi impianti, comunque, spesso il canale a forma rettangolare 
rappresenta la soluzione migliore e piø economica. 
 
 
1.4  Moto dell’aria nelle condotte 
 
Il passaggio dell’aria nelle condotte dà luogo, come si sa, a una perdita di pressione, 
definita perdita di carico, che possiamo indicare con D P, che è costituita da una parte 
uniformemente distribuita su tutta la linea, D Pd, e da una parte localizzata o accidentale in 
corrispondenza a una discontinuità del circuito D Pc. 
Le perdite di carico distribuite su un tratto circolare di lunghezza L e di diametro D (note 
anche come resistenza), espresse in Pa/m, sono pari a: 
 
 
                 (eq. Di Darcy)     (1.1) 
 
D
f
ρu
2
1
L
ΔP
2 d
=
9 






+ - =
f Re
2.51
D 3.7
log 2
f
1
10
e dove: 
r è la densità dell’aria, espressa in Kg/m
3
; 
u è la velocità media dell’aria, espressa in m/s; 
f è il coefficiente di attrito. 
f è un numero dimensionale, dipendente dal numero di Reynolds e dalla rugosità relativa del 
canale (rapporto tra l’altezza media delle asperità della superficie interna del canale e il 
diametro). E’ ricavabile da tabelle, diagrammi, ma anche da formule, come quella di 
Colebrook: 
 
        
 (1.2) 
 
 
dove: 
e è la rugosità del canale; 
Re è il numero di Reynolds, definito come: 
 
 
                            (1.3) 
 
 
dove m è la viscosità dell’aria, espressa in Kg/(m s). 
Si noti in particolare come la perdita di pressione distribuita sia proporzionale al quadrato 
della velocità media dell’aria nel canale o piø precisamente al termine 
2
ρu
2
1
, che rappresenta 
la pressione dinamica. 
Nella tabella 1.1 sono riportati i valori di rugosità e relativi ad alcune tipologie di 
materiale: 
 
Materiale Classificazione 
Canale in PVC 
Canale in lamiera di alluminio 
Canale in lamiera di ferro, lisciato 
Liscio 
(e = 0.03 mm) 
Canale in lamiera zincata, aggraffatura longitudinale e flangiatura ogni 1.2 mt. 
Canale circolare in lamiera zincata, spiroidale e giunti trasversali ogni 3 mt. 
Mediamente Liscio 
(e = 0.09 mm) 
Canale in lamiera zincata ogni con frangiatura ogni 0.8 mt. Medio 
(e = 0.15 mm) 
 
Canale in fibra di vetro Mediamente Rugoso 
(e = 0.9 mm) 
 
Tubo flessibile metallico 
Tubo flessibile 
Calcestruzzo 
Rugoso 
(e = 3 mm) 
Tabella 1.1 Rugosità e in funzione del materiale del canale. 
 
 
Quanto abbiamo visto finora è valido per i canali a sezione circolare, ma possiamo 
estenderlo con opportune precisazioni al caso dei canali a sezione rettangolare. 
Si definisce come diametro equivalente di un canale rettangolare di date dimensioni il 
diametro del canale circolare che, percorso dalla stessa portata d’aria, determina la stessa 
caduta di pressione. 
μ
ρuD
Re =