Autore: Dipartimento Tecnico Mycond
Hai mai notato le goccioline che compaiono su un bicchiere d'acqua fredda in una giornata calda? Da dove vengono? Non è magia, ma un normale fenomeno fisico che studia la psicrometria. Queste semplici osservazioni sono alla base di complessi calcoli ingegneristici dei sistemi di condizionamento, ventilazione e riscaldamento.
Che cos'è la psicrometria e a cosa serve?
La psicrometria è la scienza delle proprietà e del comportamento dell'aria umida. In sostanza, è un "manuale d'uso" per l'aria con vapore acqueo. Per gli ingegneri HVAC, comprendere la psicrometria è importante quanto la matematica per un contabile.
Grazie alla psicrometria, gli ingegneri possono rispondere a domande pratiche come:
- Quanta acqua condensa sugli impianti di refrigerazione di un supermercato?
- Quali sono temperatura e umidità più confortevoli per un ufficio?
- Perché in inverno in appartamento l'aria è così secca da far screpolare le labbra?
- Come prevenire la formazione di muffa in bagno?
- Quanta energia serve per essiccare l'aria destinata a una produzione farmaceutica?
Sette parametri chiave dell'aria umida
Per descrivere completamente lo stato dell'aria, è necessario conoscerne alcune caratteristiche. Immaginiamo 1 chilogrammo d'aria in una scatola invisibile di una tipica stanza di abitazione: temperatura 21°C, umidità relativa 50%. Consideriamo i parametri chiave di quest'aria.
1. Temperatura a bulbo secco (Dry Bulb Temperature)
È la normale temperatura dell'aria misurata da un comune termometro. Indicata con t o T, si misura in °C. Quando diciamo "in stanza +21°C", intendiamo proprio la temperatura a bulbo secco. Nel diagramma psicrometrico è l'asse orizzontale in basso, dove la temperatura aumenta da sinistra a destra.
Significato pratico: è il parametro principale del comfort termico. L'uomo si sente meglio a 20-24°C in inverno e 23-26°C in estate.
2. Umidità relativa (Relative Humidity)
È la percentuale della quantità massima di vapore acqueo che l'aria può contenere a una data temperatura. Indicata RH o φ, misurata in %.
Caratteristica importante: il termine "relativa" indica che questo parametro dipende dalla temperatura — è fonte di molti equivoci. Immagina una spugna: a 21°C la spugna può contenere al massimo 100 unità d'acqua (100% di umidità). Se ora ne contiene 50 — è il 50% RH. Se riscaldiamo la spugna a 30°C — ora può contenere 200 unità, ma l'acqua resta 50, quindi l'RH diventa 50/200=25%.
Nel diagramma: linee curve dal basso-sinistra verso l'alto-destra. La linea più alta (100% RH) è la linea di saturazione o curva di saturazione.
Umidità confortevole per l'uomo: 40-60% RH. Sotto il 30% — troppo secco (pelle secca, elettricità statica), sopra il 70% — troppo umido (rischio di muffe, sensazione di afa).
3. Rapporto di umidità (Humidity Ratio, Specific Humidity)
È la quantità reale di vapore acqueo in grammi per chilogrammo di aria secca. Indicata con d o w o x, misurata in g/kg.
A differenza dell'umidità relativa, il rapporto di umidità non dipende dalla temperatura — è una grandezza assoluta. Nel nostro esempio: temperatura 21°C, RH 50%, rapporto di umidità 7.8 g/kg. Significa che in 1 kg di aria secca ci sono 7.8 g di vapore acqueo.
Se quest'aria viene riscaldata a 30°C — il rapporto di umidità rimane lo stesso (7.8 g/kg), ma l'umidità relativa diminuisce a ~27%.
Applicazione pratica: calcolo dell'acqua da rimuovere con un deumidificatore.
Formula: Quantità d'acqua (kg/ora) = Portata d'aria (kg/ora) × Differenza del rapporto di umidità (g/kg) / 1000.
Valori tipici di umidità assoluta: giornata invernale secca — 2-4 g/kg, giornata confortevole — 6-9 g/kg, giornata estiva umida — 12-18 g/kg, tropici — oltre 20 g/kg.
4. Temperatura di rugiada (Dew Point Temperature)
È la temperatura a cui è necessario raffreddare l'aria affinché diventi satura (100% RH) e inizi a condensare l'umidità. Indicata Td, misurata in °C.
Esempio reale: un bicchiere con acqua fredda. Quando la temperatura della superficie scende sotto il punto di rugiada dell'aria ambiente, il vapore dell'aria condensa sul bicchiere.
Nel nostro esempio: aria 21°C, 50% RH, 7.8 g/kg ha un punto di rugiada di +10°C. Significa che se c'è una superficie a +10°C o inferiore (tubazione fredda, finestra), su di essa l'umidità condensa.
Formula semplificata per il calcolo: Td ≈ T - ((100 - RH) / 5).
Per gli ingegneri il punto di rugiada è critico per risolvere i problemi di condensa sui serramenti e di condensa nascosta nelle pareti, che porta a muffe e degrado dei materiali.
5. Pressione del vapore (Vapor Pressure)
È la pressione parziale esercitata dalle molecole d'acqua nell'aria. Indicata pv, misurata in Pa o kPa.
Significato fisico: ogni molecola d'acqua "spinge" l'ambiente circostante; più molecole — maggiore è la pressione di vapore. Nel nostro esempio: un rapporto di umidità di 7.8 g/kg corrisponde a una pressione di vapore di 1240 Pa = 1.24 kPa.
Significato pratico: l'umidità si muove dalla zona a più alta pressione di vapore a quella più bassa. In inverno in casa è caldo e l'umidità è al 40% (pressione di vapore ~1000 Pa), mentre fuori ci sono -10°C e 80% RH (pressione di vapore ~200 Pa). La differenza di 800 Pa spinge l'umidità attraverso la parete verso l'esterno.
Così funzionano i deumidificatori essiccanti: la superficie dell'essiccante crea una pressione di vapore molto bassa e il vapore acqueo viene attratto verso di essa.
6. Entalpia dell'aria (Enthalpy)
È l'energia totale dell'aria, che include il calore dell'aria stessa (calore sensibile) e il calore speso per l'evaporazione dell'acqua (calore latente). Indicata h o i, misurata in kJ/kg.
Entalpia = calore sensibile + calore latente. Nel nostro esempio: temperatura 21°C, rapporto di umidità 7.8 g/kg, entalpia circa 41 kJ/kg, di cui calore sensibile ~21 kJ/kg, calore latente ~20 kJ/kg.
Applicazione pratica: calcolo del carico del condizionatore.
Potenza frigorifera (kW) = Portata d'aria (kg/s) × Differenza di entalpia (kJ/kg).
L'entalpia è importante anche per il calcolo del risparmio energetico con i recuperatori, che possono restituire fino al 70-80% dell'entalpia dell'aria di espulsione.
7. Temperatura a bulbo umido (Wet Bulb Temperature)
È la temperatura indicata da un termometro avvolto da un tessuto bagnato, attraverso il quale passa l'aria. Indicata Tw, misurata in °C.
Fisica del processo: l'acqua dal tessuto evapora assorbendo calore, raffreddando il termometro. Più l'aria è secca — più intensa è l'evaporazione — più bassa è la temperatura a bulbo umido.
Nel nostro esempio: temperatura a bulbo secco 21°C, RH 50%, temperatura a bulbo umido circa 15°C.
Applicazione pratica: la temperatura a bulbo umido è la temperatura minima a cui si può raffreddare l'aria con l'evaporazione dell'acqua senza freddo meccanico. Così funzionano torri evaporative, raffrescatori evaporativi e sistemi di umidificazione adiabatica.
Il diagramma psicrometrico: la mappa dell'aria umida
Tutti e sette i parametri sono correlati tra loro. Il diagramma psicrometrico (diagramma di Mollier) è uno strumento grafico che mostra tutte queste relazioni simultaneamente.
Regola principale d'uso: se conosci QUALSIASI DUE parametri, puoi trovare tutti gli altri. Ad esempio:
- Se sappiamo T=21°C e RH=50%, dal diagramma possiamo trovare: d=7.8 g/kg, Td=10°C, h=41 kJ/kg, Tw=15°C.
- Se sappiamo T=30°C e Td=20°C, all'intersezione di queste linee sul diagramma troviamo: RH≈57%, d≈13 g/kg, h≈63 kJ/kg.
Esempi pratici per gli ingegneri HVAC
Esempio 1: Raffreddamento e deumidificazione dell'aria con un condizionatore
Obiettivo: aria esterna 32°C, 70% RH da raffreddare a 18°C.
Passo 1: Determiniamo i parametri iniziali: T₁=32°C, RH₁=70%, d₁=21 g/kg, h₁=85 kJ/kg, Td₁=26°C.
Passo 2: Processo di raffreddamento: l'aria passa attraverso l'evaporatore con temperatura superficiale +8°C. Al raggiungimento del punto di rugiada (26°C) inizia la condensazione. A 8°C: d₂=6.5 g/kg, RH=100%.
Passo 3: Calcolo della condensa: umidità rimossa = 21-6.5 = 14.5 g per ogni kg d'aria. Con una portata di 1000 m³/ora (≈1200 kg/ora) si formano 17.4 kg/ora di condensa.
Passo 4: Calcolo della potenza frigorifera: 21 kW ≈ 6 tonnellate di refrigerazione.
Esempio 2: Perché in inverno negli appartamenti è secco
Situazione: inverno, all'esterno -5°C, 80% RH. Quest'aria entra in appartamento e si riscalda fino a 21°C.
Parametri iniziali: T₁=-5°C, RH₁=80%, d₁=2.2 g/kg.
Riscaldandosi a 21°C il rapporto di umidità non cambia, ma l'umidità relativa scende a RH₂=14% — molto secco!
Conclusione: l'aria fredda contiene fisicamente poca acqua. Quando si riscalda, questa piccola quantità si distribuisce in un volume maggiore di aria calda, dando una bassa umidità relativa.
Per ottenere un confortevole 45% RH è necessario umidificare ulteriormente l'aria, aggiungendo circa 4.8 g d'acqua per ogni kg d'aria.
Esempio 3: Essiccazione dell'aria con essiccante
Obiettivo: una produzione farmaceutica richiede aria con punto di rugiada -10°C a una temperatura di 21°C.
Parametri richiesti: T=21°C, Td=-10°C, d=1.6 g/kg, RH=15%.
Aria di immissione in estate: T₁=28°C, RH₁=65%, d₁=15.5 g/kg.
Da rimuovere: 15.5 - 1.6 = 13.9 g/kg di umidità.
Un normale condizionatore non è adatto, perché per ottenere d=1.6 g/kg con il raffreddamento bisognerebbe raffreddare l'aria a -10°C, ma sotto +4°C la condensa ghiaccia sullo scambiatore. Soluzione: deumidificatore essiccante.
FAQ: Domande frequenti
Che cos'è la psicrometria in parole semplici?
La psicrometria è la scienza che studia le proprietà e il comportamento dell'aria umida, cioè la miscela di aria secca e vapore acqueo. È come la fisica per i sistemi di condizionamento e ventilazione.
Perché l'umidità relativa non indica la reale quantità d'acqua nell'aria?
Perché è una grandezza relativa che dipende dalla temperatura. Il 50% RH a 30°C contiene molta più acqua del 50% RH a 10°C. Per determinare la quantità reale d'acqua usa il rapporto di umidità (g/kg).
Come determinare rapidamente il punto di rugiada senza il diagramma?
Si può usare una formula semplificata: Td ≈ T - ((100 - RH) / 5). Ad esempio, con T=21°C e RH=50%, il punto di rugiada Td ≈ 21 - ((100-50)/5) = 21-10 = 11°C (valore esatto +10.2°C).
Perché in inverno gli ambienti interni sono secchi anche se all'esterno l'umidità è alta?
L'aria fredda contiene poca acqua, anche con umidità relativa elevata. Quando si riscalda, la quantità d'acqua resta la stessa, ma l'umidità relativa cala bruscamente perché l'aria calda può contenere molta più umidità.
Qual è la differenza tra calore sensibile e calore latente?
Il calore sensibile cambia la temperatura dell'aria (percepibile dal termometro). Il calore latente viene speso per evaporazione o condensazione dell'acqua senza variazione di temperatura (non percepibile dal termometro).
Conclusioni: perché un ingegnere HVAC ha bisogno della psicrometria
La psicrometria non è solo teoria, ma uno strumento quotidiano per l'ingegnere HVAC. La sua importanza è definita da quattro ragioni chiave:
- Progettazione dei sistemi: senza psicrometria è impossibile calcolare la potenza frigorifera dei condizionatori, la capacità dei deumidificatori, la potenza degli umidificatori.
- Risparmio energetico: il diagramma consente di trovare la strategia ottimale di trattamento dell'aria e le possibilità di free cooling/deumidificazione.
- Prevenzione dei problemi: comprendere il punto di rugiada evita condensa, gelo delle pareti, sviluppo di muffe.
- Controllo della qualità dell'aria: la corretta combinazione di temperatura e umidità garantisce comfort per le persone e conservazione dei materiali.
Regola fondamentale: per determinare completamente lo stato dell'aria è necessario conoscere almeno DUE parametri; tutti gli altri si possono ricavare dal diagramma. Le combinazioni più utili: T+RH (le più facili da misurare), T+Td (le migliori per il controllo della condensa), T+d (le migliori per il calcolo della deumidificazione).
La psicrometria aiuta gli ingegneri a prendere decisioni corrette, risparmiare energia e creare condizioni confortevoli negli ambienti. È la base per la progettazione e l'esercizio efficaci di qualsiasi sistema HVAC.
