Il raffrescamento evaporativo o adiabatico

Il raffrescamento evaporativo (chiamato in alcuni casi anche raffrescamento adiabatico), i cui benefici effetti sono utilizzati con sempre maggiore frequenza per il raffrescamento di edifici di medie e grandi dimensioni, si basa su un semplice principio fisico conosciuto da centinaia di anni e utilizzato in diverse forme e sistemi già nell’antichità.

L’avvento della tecnologia, la disponibilità di materiali più duttili e resistenti e soprattutto l’introduzione dell’elettronica, ha permesso lo sviluppo di apparecchiature sempre più pratiche ed efficienti per utilizzare al meglio questo principio fisico che fornisce come effetto un raffrescamento del tutto “naturale”, che non utilizza cioè alcun fluido frigorigeno, con consumi energetici bassissimi, necessitando esclusivamente di pochissima energia elettrica (necessaria al funzionamento di un semplice ventilatore e di una piccola pompa di distribuzione dell’acqua).

Principio di funzionamento del raffrescatore evaporativo

Il raffrescamento evaporativo utilizza una delle proprietà fisiche dell’aria la quale, come noto, è in grado di assorbire, e quindi contenere, una certa quantità di vapor acqueo (acqua) in funzione della sua temperatura. Il rapporto tra la quantità effettiva di vapor acqueo contenuto in un dato momento ed il valore massimo che questa può contenere, definisce la % (percentuale) di umidità relativa (U.R.) dell’aria in questione.
Il raffrescamento evaporativo consente di aggiungere all'aria la quantità di vapor acqueo mancante per renderla satura (o molto prossima alla saturazione), cioè con una umidità prossima al 100%. Se un volume d’aria ha una % di umidità relativa (% di U.R.) bassa, significa che, se opportunamente trattata, può assorbire altra acqua fino ad avvicinarsi al 90/95% di U.R. L’assorbimento del vapor acqueo da parte dell’aria è possibile grazie al calore contenuto nell'aria, che consente di far evaporare una certa quantità di acqua che si trasforma appunto in vapor acqueo. Questo calore “di evaporazione” viene prelevato alla stessa aria, che quindi aumenta la sua % di U.R. perdendo contemporaneamente parte del suo calore, e quindi abbassando la sua temperatura.
Più l’aria è secca e più vapor acqueo è in grado di assorbire, mentre più è umida, meno è in grado di riceverne altro. Inoltre, la quantità assoluta di vapor acqueo che l’aria può contenere dipende dalla sua temperatura: più l’aria è calda e più è in grado di assumere vapor acqueo e viceversa. Questa caratteristica fisica dell’aria è espressa con chiarezza nel diagramma psicrometrico (Fig. 1) che riporta le diverse condizioni e caratteristiche tipiche dell’aria umida.
Le condizioni dell’aria che la rendono capace di assumere una quantità di vapore maggiore sono quelle più lontane dalla zona di saturazione (la regione priva di curve sulla parte in alto a sinistra del diagramma), sono quindi le condizioni a minore percentuali di U.R. (condizioni rappresentate dalle curve più basse sul diagramma) e a maggiore temperatura (condizioni rappresentate sul lato destro del diagramma).
La trasformazione termodinamica che subisce l’aria durante il raffrescamento evaporativo è assimilabile a una trasformazione isoentalpica ovvero a una trasformazione in cui non varia il contenuto entalpico dell’aria. Questa trasformazione avviene per definizione in assenza di uno scambio diretto di lavoro o di uno scambio diretto di calore con l’ambiente: da qui il concetto di raffrescamento adiabatico.

Fig. 1 - Diagramma psicrometrico dell’aria umida – Trasformazione isoentalpica

La trasformazione è caratterizzata da una riduzione di energia termica sensibile (diminuzione della temperatura dell’aria) compensata da un aumento di energia termica latente (aumento del contenuto di vapor acqueo) come si vede nel grafico tracciato sul seguente diagramma psicrometrico (Fig. 2).

In sintesi possiamo quindi dire che nel processo di raffrescamento evaporativo l’aria in ingresso (punto A Fig. 2) si è umidificata (punto B) e contemporaneamente raffreddata (punto C), passando dalle condizioni a U.R. = 50% e Temperatura=35°C, alle condizioni U.R. = 88% e Temperatura=27°C.

Fig. 2 - Diagramma psicrometrico dell’aria umida – aria esterna in ingresso 35°C e 50 % U.R. (p.to A) – umidificazione fino 90 % U.R. (p.to B) con raffreddamento a 27°C.

Le apparecchiature di raffrescamento evaporativo sono costruite per utilizzare al meglio questo principio: raffreddare l’aria esterna umidificandola e quindi inviarla all’interno degli edifici, che percepiranno come effetto un flusso d’aria più o meno fredda rispetto all’esterno in funzione della temperatura e dell’umidità dell’aria esterna (Fig. 3).

Fig. 3 – Principio di funzionamento di un raffrescatore evaporativo

L’efficienza del sistema

L’effetto di raffrescamento ottenibile non può essere paragonato ad un sistema di condizionamento “tradizionale” ottenuto per mezzo di macchinari che producono un effetto di raffreddamento utilizzando un fluido refrigerante in un circuito chiuso o ermetico. Il raffrescamento più o meno spinto infatti, come già detto, dipende in buona parte:

• dalle condizioni di temperatura e U.R. dell’aria esterna, che viene trattata ed inviata all’interno dell’edificio;
• dal grado di saturazione ottenibile dalla macchina di raffrescamento utilizzata. Maggiore è la capacità di saturazione, maggiore sarà il raffreddamento dell’aria in uscita dall’apparecchio verso il locale da raffrescare.

La tabella di Fig. 4 riporta le temperature dell’aria fredda elaborata dal raffrescatore Robur AD a seconda delle condizioni di temperatura e umidità dell’aria esterna.
Come si può notare più l’aria in ingresso è bassa sia di temperatura ma soprattutto di U.R., minore sarà la temperatura ottenibile dell’aria elaborata.

Fig. 4 – Temperature di uscita del raffrescatore in funzione dell’aria esterna in ingresso

Il sistema di scambio aria/acqua in queste apparecchiature è realizzato per mezzo di pacchi evaporativi ad alta efficienza, da 100 mm di spessore, che consentono di ottenere una capacità di saturazione intorno all'85/90%.
Sono pannelli costituiti da fogli di cellulosa rivestiti da una pellicola protettiva che ne consente la durabilità, ne permette l’installazione esterna esposta ai raggi UV e ne evita il degradamento dovuto al passaggio dell’acqua.

Fig. 5 – Pannelli evaporativi in cellulosa

Ma quale sarà la temperatura ottenibile all'interno dell’edificio, conoscendo la temperatura di uscita dall’apparecchio?
Per poter rispondere a questa domanda è necessario conoscere almeno il valore di ricambio d’aria che è stato previsto. Ricordiamo infatti che il raffrescatore prende continuamente una certa quantità di aria esterna (nel caso del modello Robur AD14 pari a 13.000 m³/h), la abbassa ad una data temperatura che è possibile conoscere dalla tabella di Fig. 4, e la immette all’interno dell’edificio. I valori di ricambio d’aria di progetto normalmente non sono mai inferiori a 10/15 vol/h, quindi possiamo ragionevolmente stimare che la temperatura dell’aria all’interno del locale sarà al massimo di circa 2/3°C maggiore rispetto a quella immessa. E’ opportuno ricordare da subito che questo effetto è ottenibile solo se si garantisce all’edificio un adeguato ricambio d’aria, cioè assicurare che la massa d’aria in ingresso venga estratta o espulsa costantemente dall’edificio. In altre parole l’edificio deve essere in grado di eliminare costantemente l’aria immessa dai raffrescatori, in modo naturale (porte, portoni, finestre costantemente aperte) oppure meccanico (utilizzando in modo opportuno degli estrattori d’aria).

Ma come possiamo combattere il caldo, e soprattutto l’afa estiva, che notoriamente è quella maggiormente fastidiosa durante alcune giornate d’estate, considerando che con alti tassi di umidità l’efficienza del sistema è minore?
E’ utile, per affrontare questo tema, una premessa: normalmente all’aumentare della temperatura dell’aria, la sua Umidità Relativa in percentuale (% di U.R.) diminuisce, in quanto l’aria ha una maggiore capacità di assorbimento del vapore acqueo (richiamiamo a questo proposito il diagramma di Fig. 1). Normalmente quindi nelle ore più calde della giornata si hanno le percentuali di U.R. più basse. A conferma di ciò, in figura 6, sono evidenziati gli andamenti di temperature e umidità relativa del mese di luglio 2018 nell'area di Milano.

Fig. 6 - Andamento delle temperature e dell’umidità dell’aria a Milano, luglio 2018.

Ma alcune giornate possono comunque essere particolarmente afose. Aggiungiamo a questo che il sistema di raffrescamento evaporativo incrementa il tasso di umidità dell’aria nei locali interni e questo potrebbe far venire il dubbio sull’effettivo beneficio ottenibile. Per questo ci viene molto utile un altro diagramma, rappresentato in Fig. 7.

Questo diagramma esprime il concetto di “calore percepito”, mettendo in relazione i valori di temperatura e umidità relativa dell’aria. Questo concetto, spesso utilizzato anche dai mezzi di informazione durante l’estate, indica che la temperatura dell’aria unita alla sua U.R. genera una percezione da parte di una persona media, simile ad una temperatura dell’aria più elevata. Tanto è maggiore l’umidità nell’aria, tanto maggiore sarà la temperatura percepita.

Questo diagramma fornisce anche un altro importante valore da considerare: man mano che la temperatura dell’aria diminuisce, diminuisce anche l’influenza dei valori di umidità sulla percezione. Infatti se l’aumento dal 30 al 60 % dell’ U.R. a 33°C comporta un aumento della temperatura percepita di 8°C (da 32 a 40°C), quando l’aria ha una temperatura intorno ai 29°C lo stesso aumento della percentuale di umidità comporta un aumento del percepito di soli 3°C (da 28 a 31°C).

In questo contesto deve essere considerato il lavoro del raffrescatore evaporativo se l’apparecchio è in grado di fornire una temperatura dell’aria immessa nel locale inferiore a 27/28°C, l’aumento di umidità generato dal raffrescatore sarà del tutto trascurabile ai fini del benessere delle persone.

Non dobbiamo infatti dimenticarci che nelle fresche giornate primaverili e autunnali l’umidità dell’aria può essere anche molto alta, ma questa non influisce sul benessere da noi percepito grazie alla bassa temperatura dell’aria.

Fig. 7 – Diagramma di Stedman – Heat index - indice di calore. Indica la temperatura percepita in relazione a temperatura e umidità relativa dell’aria.

Ma cosa succede nelle poche ma fastidiose giornate afose?
Se la percentuale di umidità dell’aria è particolarmente alta, il sistema ha una minore efficienza, ma in queste condizioni, facendo nuovamente riferimento al diagramma di Fig. 6, si può capire come anche in queste condizioni l’abbassamento anche di soli pochi gradi della temperatura di immissione nel locale abbassa notevolmente la temperatura percepita. Infatti con una temperatura dell’aria di 33°C e umidità al 70 %, il calore percepito è uguale ad una temperatura di 44°C. Abbassando di 2 soli gradi la temperatura dell’aria con la stessa umidità, la temperatura percepita è di 6°C in meno.

L’igienicità del sistema

Un raffrescatore evaporativo utilizza nel suo processo di funzionamento acqua (che evapora in una determinata quantità durante il funzionamento) per raffreddare una massa d’aria. Per mantenere costante ed elevata l’igienicità del sistema, i raffrescatori sono dotati di una serie di accorgimenti tecnici ed elettronici. Infatti i più moderni e sofisticati raffrescatori evaporativi, come il modello Robur AD14, sono equipaggiati di una scheda elettronica a microprocessore che presiede ai controlli di carico e scarico dell’acqua, evita il ristagno di acqua nel serbatoio ad unità spenta, previene l’eccessiva concentrazione di calcare nell’acqua di ricircolo del serbatoio, provvede alla pulizia dei pacchi evaporativi in cellulosa mediante autolavaggi programmati a frequenza costante.

Il sistema si completa infine di filtri lavabili sull'ingresso dell’aria in aspirazione, che evitano lo sporcamento dei pacchi evaporativi.

L’installazione

L’installazione dei raffrescatori evaporativi richiede semplici operazioni. Gli apparecchi possono essere applicati a tetto (la soluzione più tipica, esempio di installazione in Fig. 8), oppure a parete. In tutti i casi questi dovranno essere collegati ad una canalizzazione che porti all’interno l’aria prelevata dall’esterno e raffreddata sui pacchi evaporativi. Il canale potrà avere forma e lunghezze in base alle esigenze dell’edifico, potendo contare su un ventilatore con circa 80 Pa di pressione netta disponibile.

Fig. 8 – Esempio di installazione a tetto con canalizzazione verticale

Per il funzionamento l’unità ha bisogno di un allacciamento idrico di acqua e di un’alimentazione elettrica a 230 V. L’allacciamento idrico sarà connesso in modo permanente tramite un apposito tubo flessibile fornito a corredo. L’elettronica dell’unità provvederà in modo autonomo ad effettuare i vari riempimenti ed integrazione dell’acqua in funzione dell’effettiva evaporazione. Provvederà inoltre a scaricare solo al momento opportuno i residui d’acqua con elevata concentrazione di calcare. L’energia elettrica richiesta per alimentare una piccola pompa di circolazione dell’acqua e per il ventilatore, è a 230 V monofase, grazie al basso assorbimento necessario.

L’installazione dei raffrescatori non richiede altro se non il posizionamento del comando di controllo a distanza, fornito a corredo a seconda del modello selezionato, che permette l’avviamento ed eventualmente la regolazione e la gestione del sistema da remoto. Il raffrescatore Robur AD è infatti predisposto per essere controllato anche da un timer, da un termostato ambiente e da un umidostato per il controllo dell’umidità relativa interna all’edificio.

Il sistema di raffrescamento evaporativo non è però completo se, come già accennato in precedenza, non viene garantito il totale ricambio d’aria nell’ambiente servito. Il raffrescatore immette costantemente un volume di aria fresca all’interno dell’edificio, quindi un volume all’incirca uguale dovrà uscirne. Per garantire che questo ricambio d’aria avvenga è necessario che l’edificio servito abbia ampie aperture verso l’esterno sempre aperte (vedere esempio di Fig. 8 con aperture naturali quali finestre, portoni, porte, lucernari). In caso non sia possibile garantire queste aperture, sarà necessario installare degli estrattori d’aria (a tetto o a parete) in grado di mantenere l’adeguato ricambio d’aria nel locale. I raffrescatori Robur sono per questo motivo dotati di un consenso di funzionamento in modo tale che all’avviamento del ventilatore sia messo in moto anche il rispettivo estrattore d’aria.

I vantaggi offerti dal sistema

L’utilizzo di questi apparecchi offre la possibilità di raffrescare edifici anche di grande volumetria con un impegno economico e di gestione probabilmente proibitivo per i sistemi di condizionamento più tradizionali. Infatti il basso costo di acquisto dei raffrescatori, sommato al basso costo di gestione di questi, ne fanno un sistema particolarmente apprezzato in tutti quegli edifici che hanno necessità di abbassare le temperature interne, a causa delle condizioni climatiche esterne e/o dei processi di produzione e lavorazione che prevedono sviluppo di calore. La presenza di portoni aperti durante la stagione invernale non fa altro che aiutare il ricambio d’aria naturale del locale e quindi, a differenza di altri sistema di condizionamento, l’impianto funziona perfettamente anche con porte e portoni completamente aperti.

Il sistema è apprezzato anche perché consente un costante ricambio d’aria, mantenendo in questo modo pulita l’aria interna al locale, soprattutto se in questo vi sono lavorazioni con rilascio di fumi, vapori o pulviscolo in sospensione.

Infine anche la manutenzione del sistema non è particolarmente onerosa, in quanto non è presente alcun fluido frigorigeno, e non sono richieste particolari attrezzature o competenze specializzate per il controllo e la pulizia degli apparecchi.