Questo progetto è nato per due motivi principali, il primo è per combattere contro i problemi creati dall'umidità in alcuni punti della casa, il secondo è per purificare l'aria ed incrementare la classe energetica dell'abitazione. Riassumendo: per aumentare la qualità della vita!

Il problema principale è ben definito e visibile nella seguente immagine:

E' una foto di qualche anno fa, ripresa dal basso verso l'alto del vano scala. Come sappiamo, l'umidità contenuta nell'aria inzia a condensare a contatto con le superfici fredde quando il delta della temperatura supera il punto di rugiada. Gli angoli e le linee di giunzione tra le superfici sono i punti più soggetti a tale fenomeno a causa dei ponti termici insiti nei metodi costruttivi standard, diventando visibile con la crescita di muffe e spore.

In questa immagine è mostrato il vecchio oblò in legno presente originariamente, per il nuovo oblò seguire il relativo progetto al link un oblò in doppio vetro camera. La superficie sopra l'oblò era il punto maggiormente soggetto al fenomeno della condensa, lo zoom dell'immagine in basso infatti mostra come l'aria si trasforma in gocce d'acqua che cadono dal soffitto. Questo è il punto più alto dell'abitazione e come si può vedere è un problema considerevole.

Il tema è molto semplice da comprendere, perchè questa sezione dell'abitazione è situata sul lato nord ed è sempre in ombra, inoltre nel progetto di questa sezione i materiali utilizzati non sono stati selezionati con la dovuta cura, tenendo conto dei processi termici e dei vincoli dovuti alla struttura e all'umidità (da considerare che la porzione principale dell'abitazione risale ai primi del '900, poi una ulteriore sezione è stata aggiunta a metà anni '80). Inoltre le condizioni ambientali di questa particolare zona in Italia è soggetta ad una media annuale con elevato tasso di umidità, circa 76% RH, misurato e mappato qualche anno fa dall'Aeronautica Militare con la seguente immagine:

Dalla quale è possibile vedere che la zona dell'Anconetano è un'area con uno dei maggiori livelli di umidità annuale d'Italia. Questa è una delle variabili da tenere in considerazione per un simile progetto. Quelle descritte fino ad ora sono condizioni fisse che al momento non voglio modificare (per alcune non posso, ovviamente!), da tener conto che incrementare l'isolamento delle superfici spesso aumenta il problema, se usato come unica soluzione. Non voglio considerare altri tipi di soluzioni come ad es. l'uso di deumidificatori elettrici, perchè sono macchine rumorose e poco ecologiche. Ho progettato dei deumidificatori passivi, ma l'efficienza calcolata non è sufficiente a scambiare il corretto volume d'aria orario per ridurre notevolmente il problema, forse saranno oggetto di un prossimo progetto, perchè hanno comunque delle singolarità.

Dunque, le altre condizioni che influenzano la creazione del fenomeno della condensa, che posso controllare perfettamente, sono il flusso d'aria e la distribuzione della temperatura tra gli ambienti. Il progetto consiste nella ventialzione meccanica controllata (VMC) e centralizzata, con uno scambiatore entalpico ad alta efficienza.

Dopo vari set di misura di temperatura ed umidità interno/esterno, sia delle superfici che dell'aria nei diversi locali (considerando anche nella loro variabilità stagionale) in punti strategici dell'abitazione, sono pronto a studiare a fondo i fenomeni usando l'analisi agli elementi finiti (FEA) con una simulazione thermo fluid dynamic non isothermal flow. Innanzi tutto disegnando in 3D tutta la struttura coinvolta e aggiungendo i particolari più ingombranti che potrebbero influenzare i flussi fluidi o le condizioni di scambio termico. La mesh risulta alquanto dettagliata ed equilibrata rispetto alla topologia, alla fisica coinvolta ed al tempo computazionale.

Dal risultato della simulazione è possibile visualizzare bene il problema. Nell'immagine sottostante le iso-superfici in rosso rappresentano gli elementi radianti del sistema di riscaldamento, durante la loro condizione operativa nella stagione invernale. Le iso-superfici in blue scuro rappresentano i punti in cui viene superato il punto di rugiada, l'aria su queste superfici si raffredda ed il vapore contenuto in essa cambia stato, creando il fenomeno di condensazione.

La simulazione successiva mostra il sistema di ventilazione meccanica, a partire dai due plenums dai quali l'aria viene distribuita nei vari ambienti attraverso i relativi condotti.

Le streamlines colorate rappresentano il range di pressione, tali valori sono utili per valutare il comportamento della macchina e definire le target performaces delle curve di prevalenza. Il colore rosso rappresenta alta pressione ed il blue rappresenta una pressione relativamente più bassa, quindi il plenum in rosso è quello di aspirazione d'aria per la mandata negli ambienti, mentre il plenum in celeste è quello di espulsione. La simulazione in alto ha le porte chiuse, mentre nella successiva ci sono alcune porte aperte.

Di seguito ci sono altre simulazioni atte a modificare la velocità nei condotti e la pressione tra gli ambienti, in modo da muovere i flussi e trovare la migliore soluzione per una corretta miscleazione dell'aria.

La prossima immagine rappresenta la simulazione della velocità dell'aria all'interno dei condotti di distribuzione, in una possibile condizione di lavoro di potenza medio-alta del sistema la velocità in uscita dei condotti è di 2.5 m/s. Questa è la mia velocità target, per poter ottenere una corretta portata dei flussi d'aria rispetto al rumore generato alla bocca dei condotti.

La posizione del sistema centralizzato ed il dimensionamento dei condotti, cioè il loro diametro, la lunghezza e la tortuosità  del percorso dei flussi, il numero di condotti e la loro conformazione interna (che ne caratterizza gli atttriti viscosi) sono tutte variabili da tenere in considerazione per le performances di efficienza del sistema. Ho calcolato il sistema in modo tale da non avere necessità di utilizzo di regolatori di flusso delle bocchette di ripresa o mandata, riducendo in tal modo le resistenze fluido dinamiche e massimizzandone l'efficienza. La velocità dell'aria e la portata sono gestite per ogni ambiente direttamente da progetto attraverso la conformazione ed il dimensionamento dei condotti, per cui il sistema non necessita di calibrazione. Ho seguito le norme UNI EN 15251, UNI EN 13779 e UNI EN 15242 per il corretto dimensionamento delle portate, tenendo conto delle perdite degli infissi il sistema lavora sempre in un loop di depressione.

Ok, adesso possiamo passare all'azione!

Il primo step è l'isolamento interno del tetto del vano scala, utilizzando dei pannelli di xps. L'xps selezionato ha bassa deformazione alla variazione di temperatura ≤5%  (@40 kPa - 70 °C) ed una buona stabilità dimensionale all'assorbimento acqua ≤4% (@70 °C - 90 %RH). Le altre caratteristiche del materiale non le ritengo importanti.

Lo strato di isolante, come previsto, riduce di circa il 24% del problema della condensa sulla superficie del tetto del vano scala. Comunque questo step è necessario, perchè lavorerà in combinazione con il sistema di ventilazione controllata.

Nella prossima immagine è visibile il sistema VMC appena installato nel reparto macchine, con i relativi plenums da cui derivano i condotti di smistamento.

Di seguito alcuni lavori di cartongesso per l'installazione dei condotti:

con alcune soluzioni di design estetico/funzionale. L'estetica si adatta alla silhouette delle forme già presenti in ambiente, mentre la funzionalità permette di far passare i condotti attraverso gli ambienti e  nascondere le bocche di mandata e ripresa

Per rendere invisibili i due tubi e soprattutto le due relative bocche di ripresa

ho trovato questa soluzione di trave interrotta ad angolo cieco:

le cui perdite fluido dinamiche sono le più basse che potessi avere in questo ambiente, rispetto all'ottimizzazione dei flussi di ricambio aria.