Autore: reparto tecnico Mycond.
Il calcolo accurato del carico termico generato da un deumidificatore a desiccante è un componente critico nella progettazione di sistemi di condizionamento e ventilazione efficienti. Trascurare questo aspetto porta a seri problemi in fase di esercizio e a un uso inefficiente dell’energia. In questo articolo analizziamo i metodi ingegneristici di calcolo dei carichi termici che si generano durante il funzionamento dei deumidificatori ad adsorbimento e spieghiamo i processi fisici di conversione del calore latente in calore sensibile.
Perché è importante calcolare il carico termico di un deumidificatore a desiccante
I deumidificatori a condensazione e quelli a desiccante sfruttano processi fisici fondamentalmente diversi per rimuovere l’umidità dall’aria. I deumidificatori a condensazione funzionano raffreddando l’aria al di sotto del punto di rugiada, provocando la condensazione del vapore acqueo. Questo processo avviene con variazioni relativamente contenute della temperatura dell’aria trattata.
Al contrario, i deumidificatori a desiccante utilizzano l’adsorbimento dell’umidità sulla superficie dell’adsorbente. Questo processo non richiede il raffreddamento dell’aria — anzi, è accompagnato da un marcato aumento della temperatura. L’incremento termico dipende dalla quantità di umidità rimossa, dal tipo di adsorbente utilizzato e dal regime di rigenerazione. Senza un adeguato calcolo di tale riscaldamento, la potenza del sistema di condizionamento risulterà insufficiente, con conseguente surriscaldamento degli ambienti e aumento dei consumi energetici.
Base fisica: conversione del calore latente in calore sensibile
Per comprendere il riscaldamento nei sistemi a desiccante è necessario definire alcuni termini chiave. Il calore latente è l’energia contenuta nel vapore acqueo che non modifica la temperatura: viene assorbita durante l’evaporazione dell’acqua e rilasciata durante la condensazione. Il calore sensibile è il calore che influisce direttamente sulla temperatura di una sostanza senza modificarne il contenuto di umidità.
Durante l’adsorbimento, le molecole d’acqua aderiscono alla struttura porosa del desiccante (gel di silice, zeoliti, setacci molecolari). In questo processo si libera il calore di adsorbimento. Il meccanismo di rilascio del calore si spiega con il fatto che, nel passaggio delle molecole d’acqua dallo stato gassoso allo stato adsorbito sulla superficie, viene liberata l’energia dei legami intermolecolari. L’entità di questa energia è prossima al calore di condensazione (2500 kJ/kg) per la similitudine dei processi fisici: in entrambi i casi avviene una variazione dello stato di legame delle molecole d’acqua.
Sul diagramma psicrometrico di Mollier, questo processo è rappresentato da una linea inclinata verso destra in basso: la diminuzione del contenuto di umidità è accompagnata da un aumento della temperatura a bulbo secco. Al contrario, la deumidificazione a condensazione è rappresentata da una linea verso sinistra in basso, poiché in questo caso diminuiscono contemporaneamente sia il contenuto di umidità sia la temperatura.
Fonti del carico termico in un deumidificatore a desiccante
Per calcolare con precisione il carico termico di un deumidificatore a desiccante è necessario considerare tutte le fonti di calore nel sistema. Esistono quattro fonti principali:
1. Calore di adsorbimento — è la fonte principale, rilasciata direttamente nel flusso di processo durante l’adsorbimento del vapore acqueo. Sebbene il calore di adsorbimento costituisca il contributo dominante al carico termico totale, la quota esatta dipende dalla costruzione dell’apparecchiatura, dal rapporto tra i settori del deumidificatore e dalla qualità dell’isolamento termico.
2. Trasmissione di calore dal settore di rigenerazione — è il settore in cui l’adsorbente viene riscaldato per ripristinare le proprietà di adsorbimento. La temperatura di rigenerazione dipende dal tipo di desiccante: per il gel di silice è necessaria meno energia per via della minore energia di desorbimento, mentre per i setacci molecolari occorre più energia a causa dei legami più forti nella loro struttura cristallina. Parte di questo calore viene trasferita all’aria di processo attraverso il rotore, anche in presenza di zone di spurgo.
3. Calore meccanico dalla rotazione del rotore e dai ventilatori — l’energia elettrica utilizzata per muovere i componenti meccanici viene in parte convertita in calore che entra nel flusso d’aria.
4. Perdite termiche attraverso il carter — con isolamento termico insufficiente, parte del calore dalle sezioni calde può essere trasferita all’ambiente circostante o all’aria di processo.
Il carico termico complessivo è determinato dall’insieme di tutti questi fattori, ma la fonte principale rimane il calore di adsorbimento.
Metodologia di calcolo tramite bilancio di massa dell’umidità
Questo metodo consente di calcolare il carico termico determinando la quantità di umidità rimossa dall’aria. Il calcolo si esegue secondo il seguente algoritmo:
Passo 1: Determinazione dei parametri dell’aria in ingresso e in uscita (temperatura, contenuto di umidità) mediante diagramma psicrometrico o tabelle di calcolo. Questi dati possono essere ottenuti dalla documentazione tecnica del deumidificatore o dai requisiti di progetto.
Passo 2: Calcolo della portata massica di aria secca. Se è nota la portata volumetrica, la portata massica si determina dalla densità dell’aria, che dipende da temperatura e pressione.
Passo 3: Determinazione della quantità di umidità rimossa. La massa di umidità rimossa è data dal prodotto tra la portata massica di aria secca e la differenza di contenuto di umidità all’ingresso e all’uscita del deumidificatore.
Passo 4: Calcolo del calore di adsorbimento. Il calore di adsorbimento si ottiene moltiplicando la massa di umidità rimossa per il calore specifico di adsorbimento. Il valore specifico dipende dal tipo di adsorbente: per il gel di silice è riconducibile all’energia dei legami intermolecolari e approssimativamente corrisponde al calore di condensazione dell’acqua; per i setacci molecolari è più elevato per via dei legami più forti nella struttura cristallina.
Passo 5: Determinazione dell’incremento di temperatura. L’incremento di temperatura si ottiene dal rapporto tra il calore di adsorbimento e il prodotto della portata massica dell’aria per il calore specifico dell’aria.
Passo 6: Determinazione della temperatura effettiva in uscita considerando tutte le fonti di calore. I contributi aggiuntivi da rigenerazione, calore meccanico e perdite si valutano in base alle caratteristiche costruttive o vengono forniti dal produttore dell’apparecchiatura.
È importante notare che si tratta di una metodologia semplificata per valutazioni preliminari. Un calcolo accurato richiede dati del produttore o la modellazione computerizzata del sistema in conformità con gli standard ASHRAE 90.1 e ISO 16818, che regolano la metodologia di modellazione energetica e l’analisi dei sistemi HVAC.
Metodologia di calcolo tramite variazione di entalpia dell’aria
Il calcolo tramite la variazione di entalpia dell’aria è un approccio più accurato, poiché tiene automaticamente conto della variazione simultanea di temperatura e contenuto di umidità. L’entalpia dell’aria umida è la somma dell’entalpia dell’aria secca e dell’entalpia del vapore acqueo in essa contenuto.
L’entalpia dell’aria in uscita dal deumidificatore include l’entalpia dell’aria in ingresso più il calore di adsorbimento dell’umidità rimossa. Il carico termico sul sistema di raffreddamento è dato dal prodotto tra la portata massica dell’aria e la differenza tra l’entalpia dopo il deumidificatore e l’entalpia obiettivo necessaria per l’immissione in ambiente.
Ad esempio, se la portata massica d’aria è 1 kg/s, l’entalpia dopo il deumidificatore è 75 kJ/kg (che corrisponde ad aria a 45°C e 10% di umidità relativa, considerando un calore di adsorbimento di 2500 kJ per ogni chilogrammo di umidità rimossa), e l’entalpia obiettivo per l’immissione in ambiente è 45 kJ/kg (che corrisponde ad aria a 22°C e 50% di umidità relativa), allora il carico di raffreddamento sarà pari a 30 kW. Questi numeri sono illustrativi e in un progetto reale sono determinati in base alle condizioni operative effettive, ai parametri dell’ambiente e alle caratteristiche dell’apparecchiatura. Non possono essere trasferiti ad altri progetti senza un ricalcolo.
In conformità agli standard europei, come la EN 16798, relativi alle prestazioni energetiche degli edifici, il calcolo accurato dell’entalpia e dei carichi termici è un requisito necessario per la progettazione di sistemi di ventilazione e condizionamento energeticamente efficienti.
Influenza dei parametri costruttivi e operativi
Il carico termico di un deumidificatore a desiccante è influenzato da molti fattori legati alla sua costruzione e al regime di esercizio:
1. Rapporto tra le aree dei settori di adsorbimento e rigenerazione: una maggiore area di rigenerazione aumenta la trasmissione di calore al flusso di processo, ma migliora il ripristino dell’adsorbente. Il rapporto ottimale si determina per la specifica applicazione, bilanciando l’efficacia di deumidificazione e il carico termico.
2. Temperatura dell’aria di rigenerazione: temperature più alte accelerano la desorbizione, ma aumentano la trasmissione di calore all’aria di processo. Il gel di silice richiede temperature di rigenerazione inferiori a causa della minore energia di desorbimento, mentre i setacci molecolari necessitano di temperature più elevate per via dei legami più forti nella loro struttura.
3. Velocità di rotazione del rotore: influisce sul tempo di contatto dell’aria con l’adsorbente e sulla quantità di calore trasferito. La velocità ottimale dipende da molti fattori, tra cui umidità dell’aria in ingresso, profondità di deumidificazione richiesta e tipo di adsorbente.
4. Grado di saturazione dell’adsorbente: un adsorbente più saturo è meno efficace nella rimozione dell’umidità, ma si riscalda meno poiché il processo di adsorbimento rallenta. Questo fattore è particolarmente importante in condizioni operative variabili.
5. Tipo di desiccante: diversi adsorbenti hanno differenti calori di adsorbimento. Ad esempio, il gel di silice presenta un calore di adsorbimento inferiore per via di legami intermolecolari più deboli, mentre i setacci molecolari hanno un calore di adsorbimento più alto a causa dei legami più forti nella loro struttura cristallina.
6. Presenza di settori di raffreddamento: alcune configurazioni prevedono settori per il raffreddamento del rotore prima del suo ingresso nel flusso di processo, riducendo la trasmissione di calore.
È importante comprendere che tutti questi parametri sono interconnessi e il loro impatto non può essere espresso con semplici coefficienti. Per determinare con precisione il carico termico sono necessarie le caratteristiche del produttore o una modellazione dettagliata del sistema secondo le raccomandazioni degli standard internazionali, come la ISO 52000, relativa all’efficienza energetica degli edifici.
Integrazione del deumidificatore nel sistema di ventilazione e condizionamento
Il posizionamento del deumidificatore nel sistema di ventilazione e condizionamento influisce in modo significativo sul carico termico complessivo e sull’efficienza del sistema. Esistono due opzioni principali di integrazione:
SE il deumidificatore è installato dopo la batteria di raffreddamento, ALLORA l’aria è già parzialmente deumidificata per condensazione sulla batteria, riducendo il carico sull’adsorbente. Tuttavia, la temperatura dopo la deumidificazione sarà più alta, richiedendo una fase di raffreddamento aggiuntiva. I vantaggi di questo approccio sono la riduzione del carico sul deumidificatore e, di conseguenza, dei costi di rigenerazione. Gli svantaggi sono uno schema più complesso e la necessità di apparecchiature aggiuntive. Il carico termico in questo caso è determinato come somma del carico di pre-raffreddamento e del carico di raffreddamento addizionale a valle del deumidificatore.
SE il deumidificatore è installato prima della batteria di raffreddamento, ALLORA il deumidificatore lavora con aria calda e umida, e l’intero incremento di temperatura viene compensato dalla batteria successiva. La potenza della batteria in questo caso deve essere significativamente maggiore. I vantaggi sono uno schema semplice, in cui l’intero incremento di temperatura è compensato da un unico scambiatore. Gli svantaggi sono una potenza di raffreddamento più alta e un maggiore carico sull’adsorbente. Il carico termico è determinato come il prodotto della portata massica dell’aria per la differenza tra l’entalpia dopo il deumidificatore e l’entalpia obiettivo per l’immissione in ambiente.
La scelta della configurazione ottimale dipende dai parametri obiettivo, dai requisiti di efficienza energetica, dal budget, dallo spazio disponibile per le apparecchiature e da altri fattori. Deve essere definita mediante un confronto tecnico-economico, non con una regola universale. In conformità allo standard ASHRAE 62.1, relativo alla ventilazione per garantire una qualità accettabile dell’aria interna, il sistema deve assicurare il ricambio d’aria necessario con prestazioni energetiche ottimali.
Errori ingegneristici tipici e idee sbagliate
Nella progettazione di sistemi con deumidificatori a desiccante si riscontrano spesso i seguenti errori:
1. Ipotesi di processo isoentalpico: alcuni ingegneri ritengono erroneamente che la deumidificazione avvenga senza variazione dell’entalpia dell’aria, come nell’effetto di laminazione. Ciò porta a sottostimare il carico termico. La sottostima può variare dal 20% al 50%, a seconda della quantità di umidità rimossa. Più umidità viene rimossa, maggiore è la sottostima a causa dell’aumento proporzionale del calore di adsorbimento rilasciato.
2. Uso di formule empiriche per deumidificatori a condensazione: i deumidificatori a condensazione di solito aumentano la temperatura dell’aria di 2-3 gradi per il calore proveniente dal compressore. I deumidificatori a desiccante, invece, producono incrementi di temperatura molto maggiori per il calore di adsorbimento rilasciato direttamente nel flusso d’aria. L’approccio corretto richiede un calcolo dedicato per i sistemi a desiccante, come descritto nelle sezioni 4 e 5.
3. Ignorare l’influenza dell’aria di rigenerazione: parte del calore dal settore di rigenerazione è trasferita all’aria di processo attraverso il rotore. Questo contributo può costituire dal 10% al 30% del carico termico totale, a seconda della temperatura di rigenerazione e della costruzione del rotore. Temperature di rigenerazione più elevate e minore isolamento tra i settori amplificano tale effetto.
4. Valutazione errata dei parametri a valle del deumidificatore: per dimensionare correttamente il carico sullo scambiatore di raffreddamento è necessario conoscere con precisione temperatura e umidità dell’aria dopo il deumidificatore. Errori in tali stime portano alla scelta errata della potenza di raffreddamento.
5. Mancata compensazione nel bilancio termico: il carico del deumidificatore può rappresentare una quota significativa del carico termico complessivo dell’ambiente, in funzione delle condizioni climatiche e dei requisiti di microclima. In climi umidi questa quota può raggiungere il 30-40%, determinata dall’elevata umidità assoluta dell’aria esterna.
6. Uso di dati di catalogo senza precisare le condizioni di prova: le caratteristiche dei deumidificatori sono in genere fornite per condizioni standard che possono differire da quelle operative reali. L’approccio corretto richiede il ricalcolo delle prestazioni per le condizioni effettive o l’ottenimento di dati dal produttore per l’applicazione specifica.
In base alla direttiva europea EPBD (Energy Performance of Buildings Directive), tutti i sistemi di condizionamento devono essere progettati considerando la loro efficienza energetica, cosa impossibile senza un calcolo corretto dei carichi termici.
Limiti di applicazione della metodologia e casi particolari
Le metodologie di calcolo del carico termico descritte presentano alcuni limiti che è importante considerare in fase di progettazione:
1. Limiti di temperatura: a basse temperature (inferiori a 0°C) la diffusione delle molecole di vapore acqueo rallenta, riducendo l’efficacia dell’adsorbimento. Ad alte temperature (superiori a 50°C) la capacità adsorbente della maggior parte dei materiali diminuisce per ragioni termodinamiche — temperature più elevate favoriscono la desorbizione, non l’adsorbimento. Queste soglie dipendono dal tipo di adsorbente: il gel di silice mantiene l’efficacia a temperature più basse, mentre i setacci molecolari possono operare a temperature più alte grazie alla loro stabilità termica.
2. Limiti di umidità: a umidità molto basse (inferiori al 20% di UR) la quantità di molecole d’acqua nell’aria è insufficiente per un’adsorbimento efficace, riducendo sia l’efficienza di deumidificazione sia il calore di adsorbimento rilasciato. A umidità molto elevate (superiori al 90%) può verificarsi condensazione capillare nei pori dell’adsorbente, modificando la natura del processo e i relativi effetti termici.
3. Sistemi con rigenerazione parziale: se l’adsorbente non è completamente rigenerato (per temperatura di rigenerazione insufficiente o tempo troppo breve), l’umidità residua altera le proprietà di adsorbimento e gli effetti termici. L’accumulo di umidità nell’adsorbente nel tempo può portare a una riduzione dell’efficienza e a una variazione del bilancio termico.
4. Sistemi con raffreddamento integrato: alcuni deumidificatori moderni dispongono di sistemi integrati di recupero di calore o di raffreddamento che modificano il bilancio termico complessivo. Le metodologie standard non considerano questi flussi termici interni, il che può introdurre imprecisioni nei calcoli.
5. Sistemi a desiccante liquido: questi sistemi utilizzano adsorbenti liquidi (ad es. soluzioni di cloruro di litio) con proprietà termofisiche e meccanismi di adsorbimento diversi rispetto agli adsorbenti solidi. Gli effetti termici in tali sistemi sono determinati non solo dall’adsorbimento, ma anche dalla diluizione della soluzione, richiedendo un approccio di calcolo specifico.
In tutti questi casi è necessaria un’analisi specialistica, la modellazione computerizzata o la consultazione con i produttori delle apparecchiature per determinare con precisione i carichi termici. In conformità con lo standard ISO 16818, relativo alla progettazione di edifici energeticamente efficienti, per i sistemi di condizionamento complessi si raccomanda l’uso di una modellazione dettagliata per valutare accuratamente i consumi energetici.
FAQ (Domande frequenti)
Di quanti gradi aumenta la temperatura dopo il deumidificatore?
L’aumento di temperatura dipende dalla quantità di umidità rimossa, dal tipo di adsorbente e dal regime di rigenerazione. Indicativamente, rimuovendo 1 g di umidità per ogni metro cubo d’aria, la temperatura può aumentare di 2-3°C per sistemi a gel di silice e di 3-4°C per sistemi con setacci molecolari. Questo intervallo è determinato dal rapporto tra calore di adsorbimento e calore specifico dell’aria. Tuttavia, l’incremento effettivo può variare in modo significativo in base alle condizioni operative e alla costruzione del deumidificatore.
È sufficiente aumentare la potenza del condizionatore per compensare il carico termico?
Sì, aumentare la potenza del condizionatore è necessario per compensare il carico termico del deumidificatore. Tuttavia, questa soluzione comporta maggiori costi di investimento per apparecchiature più potenti e maggiori costi operativi per l’energia elettrica. Approcci alternativi possono essere: l’uso di un sistema di recupero di calore, l’applicazione di un pre-raffreddamento dell’aria prima del deumidificatore, oppure l’impiego di un sistema di deumidificazione multistadio con raffreddamenti intermedi.
Come minimizzare il carico termico del deumidificatore?
Il carico termico può essere minimizzato nei seguenti modi:
- Uso di efficaci zone di spurgo per separare i settori di adsorbimento e rigenerazione
- Applicazione di raffreddamento intermedio del rotore
- Scelta dell’adsorbente con rapporto ottimale tra efficacia di deumidificazione e calore di adsorbimento
- Ottimizzazione della velocità di rotazione del rotore
- Implementazione del pre-raffreddamento dell’aria prima del deumidificatore
- Utilizzo del recupero di calore per la rigenerazione
L’efficacia di ogni misura dipende dalle condizioni operative specifiche e dai requisiti di microclima.
Il calcolo differisce per gel di silice e setacci molecolari?
Sì, il calcolo differisce a causa delle diverse proprietà fisiche degli adsorbenti. I setacci molecolari hanno un calore di adsorbimento più elevato (fino a 3000-3200 kJ/kg) rispetto al gel di silice (2400-2600 kJ/kg) per via dei legami più forti nella loro struttura cristallina. Ciò significa che, a parità di umidità rimossa, un deumidificatore con setacci molecolari genera più calore. Inoltre, differisce la cinetica di adsorbimento: i setacci molecolari sono più efficaci a basse umidità, mentre il gel di silice lavora meglio a umidità medie e alte.
È meglio il deumidificatore prima o dopo la batteria di raffreddamento?
Non esiste una risposta universale. La scelta dipende da molti fattori: condizioni climatiche, requisiti di microclima, vincoli energetici ed economici, spazio disponibile. È necessario condurre un’analisi tecnico-economica per ogni progetto specifico, confrontando costi di investimento e operativi, efficienza energetica e conformità ai parametri di microclima per entrambe le opzioni.
Serve un calcolo separato per ogni modalità di funzionamento?
Sì, il carico termico varia in funzione della modalità di funzionamento, poiché la quantità di umidità rimossa, l’efficienza di adsorbimento e gli effetti termici dipendono dai parametri dell’aria in ingresso. Per una progettazione responsabile è necessario eseguire calcoli per più condizioni caratteristiche: carico di picco, regime operativo tipico e carico minimo. Ciò consente di selezionare correttamente le apparecchiature e assicurarne l’efficienza su tutto il range operativo.
Qual è l’accuratezza del calcolo con le metodologie proposte?
Le metodologie semplificate forniscono un errore dell’ordine del 10-20%, che dipende dalla complessità del sistema e dallo scostamento delle condizioni reali da quelle standard. Per la progettazione definitiva si raccomanda di utilizzare i dati del produttore o una modellazione dettagliata del sistema. Nella progettazione dei sistemi di condizionamento è opportuno prevedere un margine di potenza del 10-15% per compensare possibili errori di calcolo e variazioni operative. Per progetti particolarmente critici è consigliabile verificare i calcoli con più metodi.
Conclusioni
1. I deumidificatori a desiccante aumentano sempre la temperatura dell’aria a causa del rilascio del calore di adsorbimento. Si tratta di una proprietà fondamentale, spiegata dai processi fisici dell’adsorbimento del vapore acqueo, e non può essere eliminata completamente.
2. Il carico termico dei deumidificatori a desiccante può rappresentare una quota significativa del carico termico complessivo del sistema di condizionamento. Ignorare questo carico è un errore critico che porta a una potenza di raffreddamento insufficiente e al mancato rispetto dei parametri di microclima.
3. Il calcolo del carico termico si esegue con due metodologie principali: tramite bilancio di massa dell’umidità per le valutazioni preliminari e tramite variazione di entalpia per la progettazione dettagliata. Entrambi i metodi considerano tutte le fonti di calore, ma l’approccio entalpico fornisce un errore minore (5-10% contro 15-20% per il metodo del bilancio di massa) grazie alla considerazione automatica della variazione sia di temperatura sia di contenuto di umidità.
4. La scelta della configurazione del sistema (deumidificatore prima o dopo la batteria di raffreddamento) influisce sulla ripartizione dei carichi tra i componenti. La soluzione ottimale va definita analizzando il progetto specifico considerando tutti i fattori tecnici ed economici.
5. Esistono diverse misure costruttive e operative per minimizzare il carico termico, ognuna con propri vantaggi e costi. La loro convenienza deve essere valutata tramite un’analisi tecnico-economica.
6. L’accuratezza del calcolo del carico termico dipende dalla qualità dei dati di input. Per progetti critici è necessario utilizzare dati di prova, modellazione computerizzata e prevedere ragionevoli margini di potenza.
7. Le metodologie di calcolo presentano limiti in condizioni operative estreme, per le quali è richiesto un esame specialistico.
La corretta considerazione del carico termico dei deumidificatori a desiccante è un requisito obbligatorio per la progettazione di sistemi di condizionamento di qualità. L’ingegnere deve padroneggiare la metodologia di calcolo, comprendere la fisica dei processi, utilizzare dati verificati e valutare criticamente i risultati per garantire il funzionamento ottimale del sistema.
