Autore: reparto tecnico Mycond
L'aria non è solo una miscela di gas, ma un sistema termodinamico complesso che contiene vapore acqueo in quantità variabili. È lo stato di questo sistema a determinare la sensazione di comfort, a influenzare il consumo energetico delle apparecchiature e la durabilità delle strutture edilizie. Per un ingegnere professionista nel campo del riscaldamento, ventilazione e condizionamento (HVAC), la conoscenza delle proprietà dell'aria umida è una base fondamentale senza la quale è impossibile calcolare correttamente, progettare e configurare i sistemi di microclima.
Per un'analisi accurata dello stato dell'aria umida si utilizzano sette parametri chiave, ciascuno con una propria funzione nei calcoli ingegneristici. Analizziamoli in dettaglio e capiamo come applicare queste conoscenze nella pratica.
1. Temperatura a bulbo secco
La temperatura a bulbo secco (T, °C) è la normale temperatura dell'aria che misuriamo con un termometro standard. Si chiama "secca" per distinguerla dalla temperatura a bulbo umido, di cui parleremo più avanti. È il parametro per noi più familiare ed è la base per la valutazione del comfort termico.
Per gli ambienti residenziali, i valori di comfort sono 20–22 °C in inverno e 23–25 °C in estate. Negli uffici si raccomanda 21–23 °C tutto l'anno. Sul diagramma psicrometrico, la temperatura a bulbo secco è rappresentata come l'asse orizzontale, il che consente di seguirne facilmente le variazioni durante i diversi processi di trattamento dell'aria.
2. Umidità relativa
L'umidità relativa (φ o RH, %) è definita come il rapporto percentuale tra il contenuto effettivo di vapore acqueo nell'aria e il contenuto massimo possibile alla stessa temperatura. La caratteristica chiave di questo parametro è la forte dipendenza dalla temperatura a quantità assoluta di acqua invariata.
Ad esempio, un'aria invernale a −5 °C e 80% di umidità relativa, se riscaldata a +21 °C (senza aggiunta di umidità), avrà un'umidità relativa di soli circa 20%. Ciò spiega perché in inverno negli ambienti riscaldati l'aria diventa secca, anche se all'esterno l'umidità relativa è elevata.
I valori di comfort per l'umidità relativa sono 40–60%. Sotto il 30% si avvertono secchezza della pelle e delle mucose e cariche elettrostatiche sulle superfici; sopra il 70% si percepisce una sgradevole "appiccicosità" e aumenta la probabilità di formazione di funghi e muffe. Sul diagramma psicrometrico l'umidità relativa è rappresentata da una famiglia di curve.
3. Contenuto di umidità
Il contenuto di umidità (d, w o x, g/kg di aria secca) è la quantità fisica reale di vapore acqueo contenuta in un chilogrammo di aria secca. Il principale vantaggio di questo parametro è che non cambia durante il riscaldamento o il raffreddamento dell'aria (se non avvengono condensazione o aggiunta di umidità).
Valori tipici del contenuto di umidità:
- Giornata invernale secca: 2–4 g/kg
- Condizioni di comfort residenziale: 6–9 g/kg
- Giornata estiva umida: 12–18 g/kg
- Clima tropicale: oltre 20 g/kg
Per calcolare la quantità di umidità rimossa (ad esempio da un deumidificatore) si usa la semplice formula:
W = G × (d₁ − d₂), dove W è la massa di umidità rimossa (kg/h), G è la portata massica d'aria (kg/h), d₁ e d₂ sono il contenuto di umidità iniziale e finale (kg/kg).
Nel diagramma psicrometrico il contenuto di umidità è rappresentato da linee orizzontali con scala sul lato destro.
4. Temperatura di rugiada
La temperatura di rugiada (Td, °C) è la temperatura alla quale l'aria diventa satura e, raffreddandosi, inizia la condensazione del vapore acqueo. Il significato fisico è semplice: se la temperatura di qualsiasi superficie a contatto con l'aria è inferiore al punto di rugiada, su quella superficie compare condensa.
Un esempio classico è un bicchiere con acqua fredda, la cui superficie "suda" in un ambiente caldo e umido. Per una stanza tipica a 21 °C e 50% di umidità relativa, il punto di rugiada è circa 10 °C. Ciò significa che le superfici più fredde di 10 °C (ad esempio vetri singoli in inverno) condurranno a condensazione.
Situazioni critiche si verificano non solo sulle superfici visibili, ma anche all'interno delle pareti, dove la condensa può portare alla formazione di muffe e al degrado delle strutture. Raccomandazione pratica: mantenere la temperatura delle superfici interne almeno 2–3 °C al di sopra del punto di rugiada.
Nel diagramma psicrometrico, la temperatura di rugiada corrisponde alla temperatura sull'asse verticale sinistro (linea di saturazione) per un dato contenuto di umidità.
5. Pressione parziale del vapore acqueo
La pressione parziale del vapore acqueo (pv, Pa o kPa) è la pressione generata dalle molecole d'acqua nell'aria. Ogni molecola "spinge" l'ambiente circostante e questa forza complessiva crea una pressione. Questo parametro è estremamente importante per comprendere i processi di diffusione dell'umidità attraverso le strutture edilizie.
L'umidità si muove sempre dalla zona a pressione parziale più alta a quella più bassa. Ad esempio, in inverno la pressione parziale del vapore in un ambiente riscaldato (circa 1200 Pa a 21 °C e 50% RH) supera di molto quella esterna (circa 300 Pa a −5 °C e 80% RH). Questa differenza "spinge" l'umidità dall'interno verso l'esterno attraverso le pareti, il che può portare ad accumulo e danneggiamento dei materiali.
Per questo la corretta progettazione della barriera al vapore è fondamentale per proteggere le strutture. Nel diagramma psicrometrico la pressione parziale del vapore è riportata su una scala a destra, parallela a quella del contenuto di umidità.
6. Entalpia
L'entalpia (h o i, kJ/kg) è l'energia totale dell'aria umida, che include il calore sensibile (legato alla temperatura) e il calore latente (legato all'evaporazione dell'acqua). Questo parametro è fondamentale per i bilanci energetici.
Consideriamo un esempio: aria a 21 °C con contenuto di umidità di 7,8 g/kg ha un'entalpia di circa 41 kJ/kg, di cui circa 21 kJ/kg sono calore sensibile e 20 kJ/kg calore latente. È importante ricordare che per evaporare 1 kg d'acqua servono circa 2500 kJ di energia.
La potenza necessaria per il trattamento dell'aria si calcola con la formula:
Q = G × (h₁ − h₂), dove Q è la potenza (kW), G è la portata massica d'aria (kg/s), h₁ e h₂ sono l'entalpia iniziale e finale (kJ/kg).
Ad esempio, per raffreddare 1000 kg/h d'aria dallo stato 32 °C / 70% RH (entalpia circa 85 kJ/kg) a 22 °C / 50% RH (entalpia circa 43 kJ/kg) è richiesta una potenza: Q = 1000 × (85 − 43) / 3600 = 11,7 kW.
Nel diagramma psicrometrico l'entalpia è rappresentata da linee diagonali inclinate, con scala nell'angolo in alto a sinistra.
7. Temperatura a bulbo umido
La temperatura a bulbo umido (Tw, °C) è la temperatura indicata da un termometro avvolto in un panno umido attraverso cui passa l'aria. L'acqua del panno evapora, assorbendo calore e raffreddando il termometro.
Per aria a 21 °C e 50% di umidità relativa, la temperatura a bulbo umido è circa 15 °C. Nel caso limite di umidità relativa al 100%, l'evaporazione non è possibile e la temperatura a bulbo umido coincide con quella a bulbo secco.
Questo parametro è utilizzato per:
- Misurazioni semplici dell'umidità con uno psicrometro a rotazione
- Valutare il potenziale del raffrescamento evaporativo
Ad esempio, in una giornata calda a 35 °C e 30% di umidità relativa, la temperatura a bulbo umido è circa 22 °C. Ciò significa che con il raffrescamento evaporativo (senza freddo meccanico) è possibile raffreddare l'aria di circa 10–11 °C. È il principio di funzionamento delle torri di raffreddamento, degli umidificatori adiabatici e dei raffrescatori evaporativi.
Nel diagramma psicrometrico le linee della temperatura a bulbo umido sono quasi parallele a quelle dell'entalpia, ma con un'angolazione leggermente diversa.
Il diagramma psicrometrico come strumento dell'ingegnere
Il diagramma psicrometrico è uno strumento grafico che mette in relazione tutti e sette i parametri dell'aria umida. Il suo vantaggio principale è che, conoscendo due qualunque parametri, è possibile determinare tutti gli altri.
Le combinazioni di parametri più utili:
- Temperatura a bulbo secco + umidità relativa (le misure più comuni)
- Temperatura a bulbo secco + punto di rugiada (per il controllo della condensa)
- Temperatura a bulbo secco + contenuto di umidità (per i calcoli di deumidificazione)
Vediamo un esempio pratico: raffreddamento dell'aria esterna da 32 °C e 70% RH a 22 °C.
Passo 1. Troviamo il punto iniziale sul diagramma (32 °C e 70% RH).
Determiniamo i parametri iniziali:
- Contenuto di umidità: 22 g/kg
- Entalpia: 85 kJ/kg
- Temperatura a bulbo umido: 27 °C
- Temperatura di rugiada: 26 °C
Passo 2. Durante il raffreddamento a 22 °C il contenuto di umidità diminuisce poiché una parte dell'umidità condensa. Individuiamo lo stato finale:
- Temperatura: 22 °C
- Umidità relativa: circa 70%
- Contenuto di umidità: 12 g/kg
- Entalpia: 53 kJ/kg
Passo 3. Calcoliamo la quantità di umidità condensata:
W = G × (d₁ − d₂) = 1000 × (0,022 − 0,012) = 10 kg/h (per una portata d'aria di 1000 kg/h)
Passo 4. Calcoliamo la potenza di raffreddamento:
Q = G × (h₁ − h₂) = 1000 × (85 − 53) / 3600 = 8,9 kW
Errori tipici nella gestione dei parametri dell'aria umida
Gli ingegneri commettono spesso i seguenti errori:
- Confondere l'umidità relativa con la quantità assoluta di acqua nell'aria
- Ignorare il cambiamento dell'umidità relativa durante il riscaldamento dell'aria
- Sottovalutare la differenza di pressioni parziali del vapore nella progettazione della barriera al vapore
- Non considerare il calore latente nei calcoli energetici
Questi errori possono comportare gravi conseguenze operative:
- Condensa su finestre, tubazioni e all'interno delle pareti
- Accumulo di umidità nelle strutture edilizie
- Errato dimensionamento di condizionatori e deumidificatori
- Disagio degli occupanti a causa di un microclima inappropriato
Domande frequenti sull'aria umida
Perché in inverno in casa l'aria è secca anche se all'esterno l'umidità è alta?
L'aria esterna fredda con alta umidità relativa contiene molta meno acqua di quanta ne possa contenere l'aria calda. Riscaldando quest'aria con l'impianto, senza aggiunta di umidità, l'umidità relativa crolla a causa del forte aumento della sua capacità di trattenere vapore.
Come determinare rapidamente il punto di rugiada senza strumenti?
Formula semplificata: Td ≈ T − ((100 − RH) / 5). Ad esempio, a 20 °C e 60% RH: Td ≈ 20 − ((100 − 60) / 5) = 20 − 8 = 12 °C. È un'approssimazione, ma sufficientemente accurata per scopi pratici.
Che cos'è il calore latente e perché è importante?
Il calore latente è l'energia necessaria per evaporare l'acqua senza cambiarne la temperatura. È circa 2500 kJ/kg d'acqua. Nei sistemi di condizionamento fino al 70% dell'energia può essere spesa proprio per rimuovere questo calore latente durante la deumidificazione dell'aria.
Qual è la differenza tra contenuto di umidità e umidità relativa?
Il contenuto di umidità è la quantità effettiva di vapore acqueo nell'aria (g/kg), che non cambia con il riscaldamento/raffreddamento in assenza di condensazione. L'umidità relativa è la percentuale di saturazione dell'aria con vapore acqueo, che dipende fortemente dalla temperatura.
In che modo la temperatura a bulbo umido aiuta a valutare il potenziale di raffreddamento?
La temperatura a bulbo umido è il limite teorico del raffrescamento mediante evaporazione dell'acqua. Quanto maggiore è la differenza tra bulbo secco e bulbo umido, tanto più efficiente sarà il raffrescamento evaporativo.
Perché nei calcoli di deumidificazione si usa il contenuto di umidità e non l'umidità relativa?
Il contenuto di umidità indica la quantità reale di acqua da rimuovere, mentre l'umidità relativa cambia al variare della temperatura anche senza cambiare la quantità d'acqua. Per determinare la capacità dei deumidificatori occorre conoscere la massa d'acqua da estrarre.
Conclusioni
Ciascuno dei sette parametri dell'aria umida è uno strumento indispensabile per affrontare specifici compiti ingegneristici:
- Temperatura a bulbo secco — base per la valutazione del comfort termico e il calcolo dei carichi termici
- Umidità relativa — indicatore di comfort e di sicurezza per materiali e strutture
- Contenuto di umidità — base per i calcoli dei sistemi di deumidificazione e umidificazione
- Temperatura di rugiada — parametro critico per prevenire la condensazione
- Pressione parziale del vapore acqueo — fattore chiave per la progettazione della barriera al vapore
- Entalpia — base dei calcoli energetici dei sistemi di raffreddamento e recupero
- Temperatura a bulbo umido — indicatore del potenziale di raffrescamento evaporativo
Una profonda comprensione dell'interrelazione tra questi parametri consente all'ingegnere di progettare sistemi HVAC efficienti, confortevoli e affidabili, prevenire problemi di umidità negli edifici e ottimizzare i costi operativi.
