Distribuzione non uniforme dell'umidità negli ambienti: approccio ingegneristico al posizionamento dei sensori di controllo

Autore: reparto tecnico Mycond

Il controllo dell'umidità negli ambienti produttivi e di stoccaggio è un aspetto critico per garantire la qualità dei prodotti, la conservazione dei beni e il rispetto dei processi tecnologici. Tuttavia, spesso gli ingegneri si trovano di fronte a situazioni in cui, a valori di umidità normali sul sensore, si verifica condensa localizzata in determinate zone dell'ambiente. Ciò è dovuto a una fondamentale incomprensione dei processi fisici di trasporto di massa dell'umidità e a una progettazione non corretta dei sistemi di controllo del microclima.

Meccanismi fisici del trasporto di massa del vapore acqueo nell'aria

Il vapore acqueo nell'aria si muove principalmente in due modi: trasporto convettivo e diffusione molecolare. Il trasporto convettivo avviene grazie al movimento delle masse d'aria, mentre la diffusione molecolare è dovuta al gradiente di concentrazione del vapore acqueo nello spazio.

La velocità di uniformazione dell'umidità in un ambiente dipende direttamente dall'intensità del ricambio d'aria e dal campo termico. Un parametro chiave è il coefficiente di diffusione del vapore acqueo (D), che per l'aria in condizioni normali è pari a 2,2×10^-5 m²/s. È importante capire che con l'aumento della temperatura il coefficiente di diffusione cresce, accelerando il processo di uniformazione dell'umidità.

La geometria dell'ambiente influisce in modo significativo sulla struttura dei flussi d'aria. Negli ambienti lunghi e stretti si formano prevalentemente flussi longitudinali, mentre in quelli quadrati compaiono strutture vorticiose. Tale effetto può essere valutato tramite il tempo caratteristico di rimescolamento (t_mix), calcolato come il rapporto tra il volume dell'ambiente e la portata volumetrica d'aria del sistema di ventilazione.

Stratificazione dell'aria e gradiente verticale del contenuto di umidità

La densità dell'aria umida dipende da temperatura e contenuto di umidità secondo l'equazione di stato del gas ideale. L'aria calda e umida ha una densità inferiore rispetto a quella fredda e secca, il che porta alla formazione di strati verticali con parametri differenti – la stratificazione.

Il profilo verticale del contenuto di umidità è determinato dalla posizione delle sorgenti di calore e di umidità a diverse altezze. Ad esempio, se la sorgente di umidità è in basso e la sorgente di calore in alto, si genera una stratificazione stabile: l'aria calda e umida sale verso l'alto, mentre quella fredda e secca rimane in basso.

Il gradiente di umidità lungo l'altezza può variare dal 2-3% di umidità relativa per metro in caso di stratificazione debole fino al 10-15% per metro in presenza di processi intensi di evaporazione e riscaldamento. La stratificazione si annulla grazie alla ventilazione forzata con un adeguato numero di ricambi d'aria oppure mediante l'uso di ventilatori di circolazione.

Influenza del sistema di ventilazione e della distribuzione dell'aria sull'uniformità dei parametri

Il tipo di distribuzione dell'aria influisce in modo critico sulla distribuzione dell'umidità nell'ambiente. Esistono tre schemi principali:

• Ventilazione a miscela con immissione nella zona superiore – garantisce un buon rimescolamento dell'aria, ma può creare zone stagnanti vicino al pavimento;
• Ventilazione a dislocamento (displacement) con immissione nella zona inferiore – genera un moto verticale dell'aria dal basso verso l'alto, ma può accentuare la stratificazione;
• Schemi combinati – combinano elementi di entrambi gli approcci per ottimizzare il ricambio d'aria.

Il numero di ricambi d'aria necessario per garantire l'uniformità dei parametri si calcola tramite un bilancio di trasporto di massa, tenendo conto dell'intensità delle sorgenti di umidità e della geometria dell'ambiente. Va sottolineato che un'elevata frequenza di ricambio d'aria non garantisce sempre l'uniformità se la distribuzione dell'aria è organizzata in modo scorretto.

Sorgenti locali di emissione di umidità e zone a rischio elevato

Negli ambienti esistono diverse sorgenti di umidità, ognuna delle quali crea attorno a sé una zona con contenuto di umidità elevato:

• Superfici d'acqua aperte – creano una zona a umidità elevata con raggio fino a 2-3 m;
• Processi tecnologici con evaporazione – possono generare zone locali con umidità relativa superiore del 15-25% rispetto alla media dell'ambiente;
• Persone – un operatore emette circa 50-100 g d'acqua all'ora tramite respirazione e sudorazione.

Occorre prestare particolare attenzione alle superfici fredde – elementi dell'involucro edilizio, apparecchiature frigorifere, tubazioni – dove può avvenire la condensazione dell'umidità. Anche con umidità media normale, se la temperatura della superficie è inferiore alla temperatura di rugiada, si forma condensa.

L'interazione tra sorgenti locali di umidità e ventilazione generale è caratterizzata dal coefficiente di efficacia di rimozione degli inquinanti (ε), che indica quanto efficacemente il sistema di ventilazione rimuove l'umidità dalle sorgenti.

Metodologia per determinare il numero e il posizionamento dei sensori di umidità

Per un controllo corretto dell'umidità è necessario applicare il seguente algoritmo di posizionamento dei sensori:

1. Analisi della planimetria dell'ambiente – identificare tutte le sorgenti di emissione di umidità e le superfici fredde;
2. Determinazione del tipo di sistema di ventilazione – stabilire le direzioni dei principali flussi d'aria;
3. Individuazione delle zone caratteristiche – zone di ventilazione attiva, apparecchiature di processo, possibili zone di ristagno, vicino a superfici fredde;
4. Valutazione della necessità di un sensore dedicato per ciascuna zona – se è presente una sorgente locale di umidità o una superficie fredda, oppure se la distanza dalla zona di ventilazione attiva supera la lunghezza caratteristica di rimescolamento, è necessario un sensore separato;
5. Determinazione dell'altezza di installazione del sensore – per diversi tipi di ventilazione l'altezza ottimale di posizionamento è diversa;
6. Verifica dell'assenza di influenza dei getti di mandata ed estrazione – il sensore non deve essere posizionato a una distanza inferiore a tre diametri del condotto oppure a meno di 1 m dai terminali di distribuzione dell'aria.

Errori tipici nella progettazione dei sistemi di misura dell'umidità

L'analisi dei progetti dei sistemi di controllo dell'umidità evidenzia i cinque errori più comuni:

1. Un solo sensore per l'intero volume dell'ambiente – non considera la non uniformità spaziale della distribuzione dell'umidità;
2. Posizionamento del sensore nel getto di mandata o di estrazione – porta a misurare i parametri della mandata/estrazione, e non quelli reali nell'ambiente;
3. Ignorare la stratificazione termica – posizionamento errato del sensore in altezza rispetto alle zone critiche;
4. Mancanza di sensori vicino alle superfici fredde – non consente di controllare le zone con il massimo rischio di condensa;
5. Installare i sensori solo nei punti comodi per il montaggio – senza considerare la struttura dei flussi d'aria e la fisica dei processi.

Conseguenze operative di un posizionamento scorretto dei sensori

Un posizionamento errato dei sensori di umidità porta a tre scenari tipici:

1. Sensore in una zona di ricambio d'aria attivo indica un'umidità normale (45-55%), ma nelle zone stagnanti l'umidità è più alta (65-80%) e si verifica condensa, con conseguente danneggiamento dei prodotti, corrosione delle strutture e sviluppo di microrganismi;
2. Sensore vicino a una sorgente locale di umidità indica costantemente valori elevati (70-90%); il sistema di deumidificazione lavora alla massima potenza, causando un sovraconsumo energetico del 30-50% e un eccessivo disseccamento di altre zone;
3. Sensore all'altezza errata, ad esempio vicino al soffitto in un ambiente con ventilazione a dislocamento, indica un'umidità elevata (65-75%), sebbene nella zona di lavoro sia normale (50-55%), causando un funzionamento inutile del deumidificatore.

Limiti nell'applicazione degli approcci tradizionali

Le metodologie standard di posizionamento dei sensori presentano alcuni limiti:

• Negli ambienti con volume superiore a 5000 m³, anche sensori posizionati correttamente possono non garantire un controllo completo – è necessario un sistema di monitoraggio aggiuntivo;
• A temperature inferiori a -20°C, la precisione di misura dell'umidità dei sensori standard diminuisce – servono sensori specifici per basse temperature;
• Negli ambienti con sorgenti intense di polveri o sostanze aggressive, i sensori capacitivi standard si guastano rapidamente – occorrono custodie protettive o tipologie di sensori alternative;
• In caso di variazioni stagionali del regime d'esercizio può essere necessario ricalibrare o spostare i sensori in base alle nuove condizioni.

FAQ: Domande frequenti sul controllo dell'umidità negli ambienti

Perché si forma condensa sulle pareti nonostante le letture normali del sensore centrale?

Questo è un tipico effetto della distribuzione non uniforme dell'umidità. Se il sensore è posizionato in una zona di ricambio d'aria attivo, indica l'umidità media, ma nelle zone stagnanti o vicino alle superfici fredde l'umidità può essere superiore del 15-25%. Quando la temperatura della superficie è inferiore al punto di rugiada per tale umidità elevata, si forma condensa, anche se i valori medi sono nella norma.

A quale altezza installare il sensore di umidità?

L'altezza ottimale dipende dal tipo di ventilazione. Per la ventilazione a miscela – all'altezza della zona di lavoro (1,5-1,8 m). Per la ventilazione a dislocamento – all'altezza di massimo rischio di condensa (di solito più in basso, vicino alle sorgenti di umidità). Per magazzini a più livelli – su ogni livello separatamente, poiché il gradiente verticale può raggiungere il 5-10% per metro di altezza.

È possibile installare il sensore vicino a porte o finestre?

Non è consigliabile posizionare i sensori a meno di 2-3 m da porte, finestre, portoni a causa dell'influenza dell'infiltrazione di aria esterna. L'infiltrazione crea un gradiente locale di umidità e il sensore mostrerà valori non rappresentativi delle condizioni generali dell'ambiente.

Conclusioni

Il corretto posizionamento dei sensori di umidità non è un requisito formale, ma un'esigenza ingegneristica derivante dalla fisica del trasporto di massa dell'umidità nell'aria. Senza comprendere i processi di stratificazione, convezione, diffusione e l'influenza del sistema di ventilazione non è possibile garantire un controllo efficace del microclima.

Per i progettisti è fondamentale:

• Analizzare la struttura dei flussi d'aria prima di definire i punti di controllo;
• Considerare le sorgenti locali di umidità e le superfici fredde come zone a rischio elevato;
• Non risparmiare sul numero di sensori quando giustificato dalle dimensioni e dalla complessità dell'impianto;
• Verificare periodicamente la correlazione tra le letture dei diversi sensori per individuare anomalie.

L'applicazione dell'approccio ingegneristico descritto al posizionamento dei sensori di umidità consentirà di prevenire problemi di condensa, aumentare la vita utile di apparecchiature e strutture, ridurre i consumi energetici per la deumidificazione e garantire condizioni stabili per i processi tecnologici.