Unità di trattamento aria. In questo articolo impareremo come funzionano le unità di trattamento dell’aria, o AHU. Vedremo diversi esempi di AHU tipiche insieme ad animazioni per componenti come serrande, serpentine di riscaldamento e raffreddamento, ruote di calore, umidificatori, bobine di scorrimento, scambiatori di calore e altro ancora, per aiutarti ad imparare l’ingegneria HVAC.
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Dove troviamo le unità di trattamento aria?
Le unità di trattamento aria, che solitamente hanno la sigla A.H.U si trovano in edifici commerciali e industriali di medie e grandi dimensioni.
Sono di solito situate nel seminterrato, sul tetto o sui piani di un edificio. Le UTA servono un’area specifica o una zona all’interno di un edificio, come il lato est, o i piani 1 – 10 o forse un singolo scopo, come solo i servizi igienici dell’edificio. Pertanto, è molto comune trovare più UTA intorno a un edificio.
Alcuni edifici, in particolare i vecchi grattacieli, avranno una sola grande UTA, di solito situata sul tetto. Queste alimenteranno l’intero edificio. Potrebbero non avere un condotto di ritorno, alcuni vecchi progetti si affidano all’aria che fuoriesce dall’edificio. Questo design non è più così comune nei nuovi edifici perché è molto inefficiente, ora è più comune avere più piccole UTA che alimentano diverse zone. Gli edifici sono anche più a tenuta d’aria quindi abbiamo bisogno di un condotto di ritorno per regolare la pressione all’interno dell’edificio.
Quindi, qual è lo scopo di un’unità di trattamento dell’aria?
Le unità di trattamento dell’aria condizionano e distribuiscono l’aria all’interno di un edificio. Prendono l’aria fresca dall’esterno, la puliscono, la riscaldano o la raffreddano, forse la umidificano e poi la forzano attraverso alcune condutture verso le aree progettate all’interno di un edificio. La maggior parte delle unità avrà un ulteriore condotto per tirare l’aria sporca usata fuori dalle stanze, di nuovo alla UTA, dove un ventilatore la scaricherà di nuovo nell’atmosfera. Parte di quest’aria di ritorno potrebbe essere ricircolata nella fornitura di aria fresca per risparmiare energia, lo vedremo più avanti nell’articolo. Altrimenti, dove questo non è possibile, l’energia termica può essere estratta e immessa nella presa d’aria fresca. Anche questo lo vedremo più avanti in modo più dettagliato.
Diamo un’occhiata a un design semplice e tipico, e poi ad alcuni più avanzati.
In questo modello molto semplice abbiamo i due alloggiamenti AHU per la mandata e il ritorno dell’aria. Nella parte anteriore dell’ingresso e dell’uscita di ogni alloggiamento abbiamo una griglia per evitare che gli oggetti e la vita selvaggia entrino nei componenti meccanici all’interno dell’UTA.
In questa foto si può vedere che la presa AHU avrebbe risucchiato un sacco di spazzatura se la griglia non ci fosse stata, ecco perché è importante.
All’ingresso dell’alloggiamento dell’aria esterna e allo scarico dell’alloggiamento dell’aria di ritorno abbiamo delle serrande. Le serrande sono delle lastre di metallo multiple che possono ruotare. Possono chiudersi per impedire all’aria di entrare o uscire, possono aprirsi per permettere all’aria di entrare o uscire completamente, e possono anche variare la loro posizione a metà strada per limitare la quantità di aria che può entrare o uscire.
Dopo gli ammortizzatori avremo dei filtri. Questi sono lì per cercare di catturare tutta la sporcizia e la polvere ecc. che entra nell’ahu e nell’edificio. Se non abbiamo questi filtri, la polvere si accumulerà all’interno delle condutture e delle apparecchiature meccaniche, entrerà anche nell’edificio e sarà respirata dagli occupanti, oltre a sporcare l’edificio. Quindi, vogliamo rimuoverne il più possibile. Attraverso ogni banco di filtri, avremo un sensore di pressione. Questo misurerà quanto sono sporchi i filtri e avviserà gli ingegneri quando è il momento di sostituire i filtri. Quando i filtri raccolgono lo sporco, la quantità d’aria che può passare è limitata e questo causa una caduta di pressione attraverso i filtri. In genere, abbiamo alcuni filtri a pannello o prefiltri per catturare le particelle di polvere più grandi. Poi abbiamo dei filtri a sacco per catturare le particelle di polvere più piccole. Abbiamo in effetti ricoperto i filtri ahu in grande dettaglio in precedenza. Puoi guardare un video tutorial su questo cliccando qui.
La prossima cosa che troveremo sono le bobine di raffreddamento e riscaldamento. Queste sono lì per riscaldare o raffreddare l’aria. La temperatura dell’aria di alimentazione è misurata quando lascia l’AHU ed entra nei condotti. Questa deve essere ad una temperatura progettata per mantenere le persone all’interno dell’edificio confortevoli, questa temperatura progettata è chiamata temperatura di set point. Se la temperatura dell’aria è inferiore a questo valore, la batteria di riscaldamento aggiunge calore per aumentare la temperatura dell’aria e portarla al setpoint. Se l’aria è troppo calda, la serpentina di raffreddamento toglie calore per abbassare la temperatura dell’aria e raggiungere il setpoint. Le serpentine sono scambiatori di calore, all’interno della serpentina c’è un fluido caldo o freddo, di solito qualcosa come acqua riscaldata o refrigerata, refrigerante o vapore. Ne abbiamo parlato in dettaglio in precedenza, puoi guardare un video tutorial su questo cliccando qui.
Prossimo avremo una ventola. Questo tirerà l’aria dall’esterno e poi attraverso le serrande, i filtri e le bobine e poi la spingerà fuori nei condotti intorno all’edificio. I ventilatori centrifughi sono molto comuni nelle AHU vecchie ed esistenti, ma i ventilatori EC vengono ora installati e anche adattati per una maggiore efficienza energetica. Di fronte al ventilatore avremo anche un sensore di pressione, che rileverà se il ventilatore è in funzione. Se è in funzione, creerà una differenza di pressione, che possiamo usare per rilevare un guasto nell’attrezzatura e avvertire i tecnici del problema. Probabilmente avremo anche un sensore di pressione del condotto poco dopo il ventilatore, questo leggerà la pressione statica e in alcuni ahu la velocità del ventilatore è controllata come risultato della pressione nel condotto, quindi molto spesso troveremo anche un azionamento a velocità variabile collegato al ventilatore per sistemi a volume variabile. Abbiamo trattato i sistemi VAV separatamente, puoi guardare un video tutorial cliccando qui.
Poi abbiamo la canalizzazione che invierà l’aria intorno all’edificio alle aree progettate. Avremo anche dei condotti di ritorno che portano tutta l’aria usata dall’edificio a una parte separata della UTA. Questa UTA di ritorno di solito si trova vicino all’alimentazione, ma non deve essere necessariamente così, può essere situata altrove. Se vuoi imparare come dimensionare e progettare i condotti, puoi guardare un video tutorial cliccando qui.
La AHU di ritorno nella sua forma più semplice ha solo una ventola e una serranda all’interno. Il ventilatore tira l’aria all’interno dell’edificio e poi la spinge fuori dall’edificio. La serranda si trova all’uscita dell’alloggiamento ahu e si chiude quando l’AHU si spegne.
Questa è una AHU molto semplice e tipica. Cos’altro potremmo trovare?
Se ti trovi in una parte fredda del mondo dove la temperatura dell’aria raggiunge il punto di congelamento o vi si avvicina. Allora è probabile che troveremo un preriscaldatore all’ingresso della presa d’aria fresca. Questo è di solito un riscaldatore elettrico. Quando l’aria esterna arriva a circa 6*c (42.8F) il riscaldatore si accende e riscalda l’aria per proteggere i componenti interni dal gelo. Altrimenti questo potrebbe congelare le bobine di riscaldamento e raffreddamento all’interno e farle scoppiare.
Come si controlla l’umidità? Alcuni edifici hanno bisogno di controllare l’umidità dell’aria che immettono nell’edificio. Troveremo un sensore di umidità all’uscita dell’AHU di fornitura per misurare l’umidità nell’aria di fornitura, questo avrà anche un setpoint per la quantità di umidità che dovrebbe esserci nell’aria per progetto.
Se il contenuto di umidità dell’aria è al di sotto di questo valore, allora abbiamo bisogno di introdurre umidità nell’aria usando un umidificatore, questo è di solito una delle ultime cose nell’AHU. Questo dispositivo di solito aggiunge vapore o spruzza una nebbia d’acqua nell’aria. Molti edifici standard di tipo ufficio nel nord Europa e nel nord America hanno spento le loro unità di umidità o le hanno disinstallate per risparmiare energia. Anche se sono ancora fondamentali per luoghi come magazzini di documenti e sale computer.
Se l’aria è troppo umida, questa può essere ridotta attraverso la bobina di raffreddamento. Quando l’aria colpisce la serpentina di raffreddamento, la superficie fredda fa sì che l’umidità all’interno dell’aria si condensi e fluisca via, troverete una vaschetta di scarico sotto la serpentina di raffreddamento per catturare l’acqua e farla defluire. La serpentina di raffreddamento può essere usata per ridurre ulteriormente il contenuto di umidità rimuovendo più calore, ma naturalmente questo diminuirà la temperatura dell’aria al di sotto del setpoint di fornitura, se questo accade, allora la serpentina di riscaldamento può anche essere accesa per riportare la temperatura in alto, questo funzionerà anche se è molto dispendioso in termini di energia.
Recupero energetico
Se le UTA di mandata e di ripresa sono situate in aree diverse, un modo comune per recuperare parte dell’energia termica è quello di utilizzare una batteria run around. Questa utilizza una serpentina all’interno di entrambe le UTA di mandata e di ritorno che sono collegate tramite tubature. Una pompa fa circolare l’acqua tra i due. Questo raccoglierà il calore di scarto dall’UTA di estrazione e lo aggiungerà all’UTA di alimentazione. Questo ridurrà la domanda di riscaldamento della batteria di riscaldamento quando la temperatura dell’aria esterna è al di sotto della temperatura nominale di mandata e la temperatura dell’aria di ritorno è più alta della temperatura nominale, il calore sarebbe altrimenti respinto nell’atmosfera. Avremo quindi bisogno di un sensore di temperatura dell’aria nell’UTA di ritorno all’ingresso e probabilmente avremo sensori di temperatura dell’aria dopo la batteria di ritorno e prima dell’ingresso dell’aria fresca. Questi saranno usati per controllare la pompa e misurarne l’efficacia. Poiché la pompa consumerà elettricità, è conveniente accenderla solo se l’energia risparmiata è più di quella consumata dalla pompa.
Un’altra versione molto comune che incontreremo è di avere un condotto situato tra lo scarico e la presa d’aria fresca. Questo permette ad una parte dell’aria di scarico di essere ricircolata nella presa d’aria fresca, per compensare la richiesta di riscaldamento o di raffreddamento. Questo è sicuro e salutare da fare, ma è necessario assicurarsi che l’aria di scarico abbia un basso livello di Co2, quindi abbiamo bisogno di alcuni sensori di Co2 per monitorarlo. Se il livello di Co2 è troppo alto, l’aria non può essere riutilizzata, la serranda di miscelazione si chiude e tutta l’aria di ritorno viene respinta dall’edificio. Quando è in modalità di ricircolo, le serrande principali di entrata e uscita non si chiudono completamente in questa configurazione perché abbiamo ancora bisogno di una quantità minima di aria fresca per entrare nell’edificio. Possiamo usarlo in inverno se l’aria di ritorno è più calda dell’aria esterna e possiamo usarlo in estate se l’aria di ritorno è più fredda dell’aria esterna, rispettivamente alla temperatura di setpoint dell’aria di alimentazione, quindi avremo anche bisogno di alcuni sensori di temperatura all’ingresso, al ritorno e subito dopo la regione di miscelazione. Alcuni edifici richiedono il 100% di aria fresca, quindi questa strategia non può essere usata ovunque, le leggi e i regolamenti locali lo imporranno.
Un’altra variazione che potremmo incontrare è la ruota termica. Questa è molto comune nelle UTA compatte più recenti. Questa utilizza una grande ruota rotante, metà della quale si trova nel flusso d’aria di scarico e metà nella presa d’aria fresca. La ruota ruoterà, guidata da un piccolo motore a induzione, mentre ruota raccoglie il calore indesiderato dal flusso di scarico e lo assorbe nel materiale della ruota. La ruota ruota poi ruota nel flusso d’aria fresca, quest’aria è a una temperatura più bassa del flusso di scarico, quindi il calore si trasferisce dalla ruota al flusso d’aria fresca che ovviamente riscalda questo flusso d’aria in entrata e quindi riduce la domanda sulla bobina di riscaldamento. Questo è molto efficace, ma una parte dell’aria si disperde dallo scarico nel flusso d’aria fresca, quindi non può essere usato in tutti gli edifici.
Un’altra versione che potremmo incontrare è lo scambiatore di calore a piastre. Questo utilizza sottili fogli di metallo per separare i due flussi d’aria in modo che non entrino in contatto o si mescolino affatto, la differenza di temperatura tra i due flussi d’aria causerà il trasferimento di calore dal flusso di scarico caldo attraverso le pareti di metallo dello scambiatore di calore e nel flusso di aspirazione freddo.