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La ventilazione meccanica per l'efficienza energetica degli edifici
Statisticamente passiamo circa l’80% del nostro tempo in ambienti chiusi, spesso respirando aria contaminata, con conseguenti effetti sulla salute e sul nostro benessere: la ventilazione meccanica ci assicura un ricambio d’aria adeguato, migliorando al tempo stesso l’efficienza energetica dell’edificio.
Contenuti
Cos'è la ventilazione meccanica controllata (VMC)?
A seconda dell’impiego o meno di sistemi meccanici e quindi del consumo o meno di energia, possiamo distinguere tra ventilazione naturale e ventilazione meccanica. La ventilazione meccanica si caratterizza dunque per la presenza di ventilatori che impulsano o estraggono l’aria in un ambiente regolando le portate d’aria in modo più efficiente e preciso rispetto alla ventilazione naturale.
Come funziona un sistema di ventilazione meccanica?
Il funzionamento di un sistema di ventilazione, sia naturale che meccanico, dipende fondamentalmente dalla differenza di pressione che siamo capaci di ottenere tra il punto di immissione e il punto di estrazione. In un sistema meccanico tale differenza è generata dai ventilatori: avremo tendenzialmente una pressione negativa di risucchio nelle zone umide come bagni o cucine, e una pressione positiva nelle zone secche.
Perché la VMC è importante?
La ventilazione degli ambienti è fondamentale per:
- Garantire una corretta qualità dell’aria (umidità, CO2, VOC) evitando la possibile formazione di condensazioni e muffe.
- Dissipare i carichi termici durante l’estate, riducendo i fabbisogni energetici per il raffrescamento.
Nel primo caso l’impiego di sistemi meccanici è utile in quanto ci permette di regolare le portate d’aria riducendo al minimo le perdite termiche, specie con l’aggiunta di un recuperatore di calore.
Nel secondo caso è generalmente preferibile servirsi della ventilazione naturale a causa del consumo elettrico dei ventilatori, che aumenta notevolmente all’aumentare le portate d’aria, maggiori rispetto a quelle della ventilazione minima.
Quali sono i tipi di VMC?
A seconda di dove vengono collocati i ventilatori e del loro funzionamento possiamo distinguere tra:
- VMC a singolo flusso
- VMC a doppio flusso
La presenza di un recuperatore di calore è possibile solo in un sistema a doppio flusso, poiché è necessario che l’aria di estrazione ceda il proprio calore all’aria immessa nell’ambiente attraverso uno scambiatore.
Sistemi di VMC a singolo flusso
I sistemi meccanici a singolo flusso si caratterizzano per la presenza di un ventilatore, o di immissione o di estrazione: nel primo caso si genera una pressione positiva, nel secondo un risucchio. La soluzione maggiormente diffusa è quella con solo ventilatori di estrazione, e in questo caso possiamo distinguere tra:
- Estrazione costante.
- Estrazione ibrida.
L’estrazione ibrida si differenzia da quella costante in quanto la ventilazione viene realizzata naturalmente e il ventilatore entra in funzione solamente quando le portate minime d’aria non vengono raggiunte. L’immissione avviene per infiltrazione in facciata mentre per l’estrazione si sfrutta l’effetto camino con uno shunt.
Il movimento dell’aria fino alla zona di estrazione si può ottenere o con apposite aperture nelle porte o con condotti di estrazione.
Sistemi di VMC a doppio flusso
Un sistema a doppio flusso regola tanto l’immissione come l’estrazione attraverso un’unica unità di ventilazione. La differenza sostanziale rispetto a un sistema a singolo flusso è la necessità di condotti di distribuzione, che può prevedere:
- Una distribuzione ad albero: avviene a partire da un condotto principale che si ramifica per arrivare in ogni singolo ambiente.
- Una distribuzione a stella: si realizza con condotti indipendenti.
La distribuzione ramificata rappresenta la tipologia più diffusa in ambito residenziale, con diametri dei condotti che variano in genere tra i 150 e i 300 mm. Per evitare la trasmissione di rumori, dispone di silenziatori acustici dopo l’unità di ventilazione e tra ambienti.
La distribuzione a stella o polipo non necessita di silenziatori acustici e presenta condotti dai diametri più ridotti, attorno ai 70-80 mm. A differenza del primo caso, non occorre dimensionare la rete di distribuzione.
Recuperatori di calore
Come detto, il sistema a doppio flusso permette l’implementazione di un recuperatore di calore, che può essere:
- Recuperatore sensibile o statico: il recupero avviene solo a livello di temperatura dell’aria, senza variare il contenuto di vapore acqueo
- Recuperatore entalpico: il recupero avviene tanto a livello di temperatura come di umidità (calore latente)
Esistono diverse tipologie di recuperatori statici, con maggiore o minore efficienza a seconda della sofisticazione e della superficie di scambio. Quelli a flussi controcorrente raggiungono efficienze del 90% e rappresentano la tipologia più diffusa a livello residenziale. Altri recuperatori statici sono quelli a flussi incrociati, più semplici e con efficienze intorno al 60-70%, e quelli heat-pipe, utilizzati in impianti di grandi dimensioni e con efficienze inferiori, del 40-65%.
I recuperatori entalpici sono in genere di tipo rotativo, con efficienze che possono variare dal 60 all’80%. Sono utili in climi umidi ma presentano diversi inconvenienti, come un maggiore consumo elettrico, l’introduzione di odori e il maggior costo iniziale.
Flussi igroregolabili e sonde di CO2
Un modo per migliorare l’efficienza energetica riducendo il consumo elettrico e minimizzando le perdite termiche è l’introduzione di sensori di umidità o di anidride carbonica capaci di regolare l’attivazione del sistema di ventilazione in funzione della qualità dell’aria interna. In questo modo il funzionamento sarà vincolato alla presenza di persone o di altri agenti contaminanti.
Recuperatore di calore o pre-riscaldamento naturale dell’aria?
In edifici di nuova costruzione o riqualificati le perdite termiche maggiori sono associate alla ventilazione degli ambienti. Ridurre tali perdite risulta dunque l’intervento più efficace in ottica di efficientamento e di riduzione dei fabbisogni energetici, e le opzioni possibili in questo senso sono l’introduzione di sonde e controlli in funzione di umidità e CO2 oppure di un recuperatore di calore, che rappresenta la soluzione più efficace.
La presenza di un sistema di ventilazione meccanico a doppio flusso suppone però un investimento iniziale notevolmente maggiore rispetto a un sistema a singolo flusso: in questi casi, un’alternativa interessante è l’implementazione di sistemi solari passivi come serre solari o muri Trombe in grado di riscaldare naturalmente l’aria immessa nell’ambiente, evitando cosí l’utilizzo di un recuperatore. In questi casi, tuttavia, è fondamentale valutare l’efficacia del sistema e la capacità di accumulazione del calore (inerzia termica) affinché tale riscaldamento si protragga anche nelle ore in cui non possiamo sfruttare la radiazione solare.
Riscaldare e raffrescare con la VMC
Se stiamo progettando una casa passiva dai consumi quasi nulli (nZEB), può risultare interessante approfittare il sistema di ventilazione meccanica (a doppio flusso) per riscaldare o rinfrescare l’ambiente, evitando l’installazione di un impianto di climatizzazione. In questo caso la potenza e dunque l’energia sarà limitata da due fattori:
- La portata d’aria
- Il salto termico tra temperatura dell’aria e temperatura ambiente
L’energia apportabile può essere calcolata con la seguente formula:
Dove:
P = potenza apportata (W)
Δt = differenza di temperatura tra aria immessa e ambiente (ºC)
Q = portata d’aria (m3/h)
Una simulazione dinamica oraria ci permette in questi casi di valutare preliminarmente se tale potenza è in grado di coprire i fabbisogni energetici per il riscaldamento o per il raffrescamento.
La produzione di energia necessaria a riscaldare o raffrescare l’aria può essere affidata a:
- Batterie elettriche (per il solo riscaldamento)
- Batterie DX (a espansione diretta)
- Batterie ad acqua con pompa di calore
Tali batterie sono posizionate all’interno dell’unità di ventilazione.
Componenti della ventilazione meccanica controllata
Un sistema di ventilazione meccanica controllata a doppio flusso si compone generalmente di:
- Una unità di ventilazione
- Condotti di distruzione o aerazione
- Bocchette di immissione o diffusori
- Bocchette di estrazione o aspiratori
- Filtri e silenziatori
In linea generale, i punti di estrazione vengono collocati in una posizione opposta rispetto a quelli di immissione, per favorire una corretta ventilazione di tutto l’ambiente. L’immissione, inoltre, è preferibile avvenga a un’altezza inferiore considerando il gradiente verticale e il movimento dell’aria calda e contaminata verso l’alto.
L’unità di ventilazione si compone a suo volta di:
- Ventilatori di immissione ed estrazione
- Filtri
- Recuperatore di calore
- Batterie per il riscaldamento e raffrescamento dell’aria
Vantaggi della ventilazione meccanica controllata
Riassumendo i vantaggi della ventilazione meccanica controllata, potremmo elencare:
- Migliore qualità dell’aria interna.
- Riduzione dei fabbisogni termici, a maggior ragione incorporando un recuperatore di calore.
- Possibilità di utilizzare l’aria immessa nell’ambiente per riscaldare o raffrescare attraverso batterie (elettrica, ad acqua o ad espansione diretta) o in modo passivo (pre-riscaldamento naturale e free cooling), arrivando a prescindere da un impianto di climatizzazione.
Esistono svantaggi nell'uso della VMC?
L’uso di un sistema di ventilazione meccanico è, come abbiamo visto, beneficioso da molti punti di vista. Tuttavia, un aspetto negativo è sicuramente l’elevato investimento iniziale unito all’ingombro dell’impianto con i condotti di distribuzione, e va tenuto in considerazione il consumo elettrico dei ventilatori. Occorre inoltre prestare attenzione tanto nell’installazione come nella manutenzione e nell’uso del sistema al fine di non compromettere l’efficienza energetica e la salute degli inquilini. In particolare occorre:
- Considerare le necessità specifiche dell’edificio o dell’ambiente nella scelta del sistema e nella determinazione delle portate d’aria
- Evitare la disposizione delle bocchette d’immissione in corrispondenza di zone particolarmente inquinate
- Eseguire una manutenzione periodica per evitare l’accumulazione di polveri, polline o altri agenti contaminanti nei filtri e nei condotti di distribuzione
- Prestare attenzione a eventuali rumori inusuali che potrebbero essere sintoma di difetti nel funzionamento
- Controllare le portate d’aria attraverso i sistemi di controllo e monitoraggio remoto
Come posso scegliere il sistema di ventilazione meccanica controllata più adatto al mio edificio?
Parlando di ventilazione minima, la scelta del sistema di ventilazione più adeguato dipende da molteplici fattori, in primis le condizioni climatiche del luogo e l’impatto della ventilazione sui fabbisogni energetici. In climi particolarmente rigidi, con temperature estreme tanto in inverno come d’estate, la presenza di un recuperatore può risultare molto beneficiosa, mentre in climi più miti sistemi a singolo flusso igroregolabili o con l’ausilio di dispositivi passivi per il riscaldamento dell’aria possono risultare alternative ragionevoli e migliori da un punto di vista dei costi e dei benefici.
Se parliamo di ventilazione per dissipare i carichi termici e raffrescare l’ambiente, il discorso cambia: occorrerà valutare la fattibilità della strategia di ventilazione, i ricambi d’aria necessari e il consumo di ventilatori associato, valutando la possibilità di realizzarla naturalmente. I condotti di ventilazione possono essere dimensionati generalmente fino i a portate d’aria quattro volte superiori alla portata minima, ma con un impatto sulla dimensione delle rete di distribuzione non trascurabile.
Normativa sulla ventilazione meccanica controllata: metodologie
Esistono attualmente due approcci principali per giustificare a livello normativo la corretta ventilazione di un ambiente:
- Approccio prescrittivo o Ventilation Rate: vengono stabiliti i valori minimi delle portate d’aria, ipotizzando l’immissione di aria esterna pulita in aree non particolarmente inquinate. È la metodologia più utilizzata e per la determinazione delle portate d’aria si fa riferimento alle UNI EN 13779 e UNI EN 15251. Per un calcolo dettagliato della portata di ventilazione si fa invece riferimento alla UNI EN 15242.
- Approccio prestazionale o Indoor Air Quality: vengono stabiliti i valori massimi della concentrazione di inquinanti, e di conseguenza si determinano le portate d’aria necessarie al mantenimento dei valori entro i limiti di legge. È meno utilizzato poiché necessita la conoscenza precisa degli agenti inquinanti e del valore di concentrazione che occorre rispettare.
La norma UNI 10339, attualmente in vigore e risalente all’anno 1995, determina inoltre che gli impianti, allo scopo di garantire livelli accettabili di comfort, devono garantire:
- Un’immissione di aria esterna non contaminata rispettando le portate d’aria minime in funzione dell’uso specifico dell’edificio e dell’indice di affollamento
- Una filtrazione minima dell’aria
- Un movimento dell’aria con velocità controllate al fine di non generare sensazioni di malessere termico
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