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Il condizionatore d’aria è una macchina termica in grado di abbassare o innalzare la temperatura di una stanza o in generale di un ambiente di un edificio in cui si trovi. Per ottenere questo risultato, sviluppa calore sensibile (positivo o negativo) attraverso il quale avviene la trasmissione del calore con un fluido, il quale messo a sua volta in circolazione cede tale calore ad un ambiente. La potenza di un condizionatore si misura in BTU/h, frigorie/h, o kW com’è d’obbligo nell’etichetta energetica europea.

Cenni storici

Il primo apparecchio per il raffreddamento climatico dell’aria fu brevettato nel 1886 da Lewis Latimer, statunitense, disegnatore e progettista di Thomas Edison. L’espressione “aria condizionata” fu coniata da Stuart Warren Cramer, che si interessò come Willis Carrier allo studio dell’umidità e del condizionamento dell’aria. Intorno al 1911 Willis Carrier, statunitense, sfruttò i cambiamenti di stato di un gas per produrre variazioni di temperatura sia positive (“riscaldamento”) sia negative (“raffrescamento”) nell’ambiente. Tuttavia tale sistema venne inizialmente implementato ed utilizzato per deumidificare piuttosto che per rinfrescare l’aria. Carrier lavorava come ingegnere in un’impresa di impianti industriali. Il metodo che consiste nel far evaporare un liquido dotato di bassa temperatura intrinseca di evaporazione — ad esempio ammoniaca — era già noto in precedenza, ma avveniva con rilascio del fluido refrigerante nell’ambiente, e quindi era sfruttabile solo per brevi periodi; Carrier ideò il sistema per recuperare il fluido in un circuito chiuso. Dopo un anno di lavoro gli fu affidato il compito di risolvere il problema del controllo dell’eccessiva umidità dell’aria in una tipografia di Brooklyn, dove la carta raggrinziva e risultava inutilizzabile.

In precedenza l’eccesso di umidità veniva contrastato semplicemente aumentando la ventilazione, o aprendo finestre per rimuoverla con correnti d’aria. L’umidità creava notevoli problemi di produttività, perché portava ad un’interruzione dell’attività degli operai e quindi del lavoro. Carrier completò il primo progetto di un impianto di condizionamento dell’aria il 17 luglio 1902; la tecnologia alla base del suo impianto era già simile a quella degli impianti che troviamo in commercio attualmente.

Elementi costitutivi

I condizionatori d’aria possono essere costituiti da due unità, una detta unità interna e la seconda detta unità esterna (con una o due ventole). Tra le due unità corrono due tubi in rame per la circolazione dei fluidi (uno in ingresso e uno in uscita) e i cavi dei collegamenti di controllo e comando, mentre l’alimentazione elettrica solitamente viene portata dalla rete all’unità esterna e da essa all’unità interna.

Nel caso di un condizionatore in grado anche di riscaldare l’ambiente, entrambe le unità necessitano di un tubo di scarico per evacuare l’acqua che si forma per condensazione sullo scambiatore che funge da evaporatore. Sono entrate in commercio anche macchine formate da un unico elemento le quali, se addossate ad una parete, assolvono ad entrambe le funzioni delle due prima descritte ma con notevoli limiti di rendimento termodinamico e alto costo d’acquisto.

Le unità interne poi possono essere distinte in cinque tipologie costruttive:

• a muro: per installazioni a muro in posizione alta;
• a pavimento: tipo fancoil;
• a consolle: per installazione a soffitto senza controsoffitto;
• a cassetta: per installazioni a incasso nei controsoffitti;
• canalizzabili: per l’installazione assiemata a canalizzazioni aerauliche e anemostati.

Funzionamento e dettagli costruttivi

Il funzionamento di un condizionatore d’aria si basa sul principio della pompa di calore che, grazie all’utilizzo di un ciclo termodinamico che viene svolto su un fluido refrigerante racchiuso in un circuito, sottrae energia calorifica da un lato del circuito stesso per cederla dal lato opposto.

Il condizionatore è in genere costituito dai seguenti elementi essenziali:

• compressore: ha lo scopo di comprimere il fluido refrigerante, cioè aumentarne la pressione; nel compressore il fluido refrigerante si trova allo stato gassoso; in accordo con le equazioni di stato dei gas (nel caso più semplice l’equazione di stato dei gas perfetti) aumentando la pressione di un gas aumenta anche la sua temperatura, per cui il gas all’uscita dal compressore ha una temperatura e una pressione maggiore rispetto all’entrata; inoltre, il compressore è lubrificato da un olio lubrificante caratterizzato da una formulazione chimica che gli consente di dissolversi nel fluido refrigerante e quindi circolare nel circuito frigorifero;
• condensatore: ha lo scopo di favorire la condensazione del gas, cioè portarlo allo stato liquido sfruttando l’aumento di pressione impartito al gas dal compressore. Essendo tale passaggio esotermico, il gas cede calore, e tale calore viene disperso nell’ambiente tramite una superficie di scambio attraversata da una corrente d’aria;
• organo di laminazione: corrisponde ad una strozzatura della condotta; durante il passaggio in tale strozzatura, il liquido viene sottoposto a perdite di carico localizzate, per cui diminuisce la sua pressione e di conseguenza la sua temperatura; la strozzatura in questione può inoltre essere fissa (tubo capillare) oppure variabile (ad esempio, valvola di laminazione termostatica oppure elettronica). La strozzatura variabile consente una regolazione del flusso del fluido refrigerante, sfruttata per la regolazione del surriscaldamento del vapore di refrigerante in uscita dall’evaporatore;
• evaporatore: ha lo scopo di favorire la vaporizzazione del fluido refrigerante allo stato liquido, un processo endotermico, assorbendo quindi calore dall’esterno mediante una superficie di scambio attraversata da una corrente d’aria. Deve essere evitato il congelamento della superficie di scambio, al fine di consentire l’assorbimento del calore dell’ambiente e il conseguente cambiamento di stato del fluido refrigerante da liquido a vapore surriscaldato, e la ventilazione dell’ambiente;
• filtro dell’aria: dispositivo atto a depurare l’aria dalle particelle solide in sospensione, come le polveri, e viene impiegato dove si renda necessario avere un flusso d’aria esente da impurità.

I fluidi refrigeranti più utilizzati nei condizionatori d’aria sono (o sono stati):

• R12: condizionatori industriali (ormai fuori legge);
• R22: condizionatori civili e terziario (ormai fuori legge);
• R407C: condizionatori civili e terziario;
• R410A: condizionatori civili e terziario.
• R32: condizionatori civili e terziario.

Vi sono poi una serie di componenti ed accessori che servono a completare e gestire il funzionamento del sistema, come ad esempio valvole a solenoide a una o più vie o valvole di servizio, pressostati, ventilatori, telecomandi, termistori, schede elettroniche.

Negli impieghi civili è comune la configurazione che presenta due unità separate:

• un’unità esterna, ospitante il compressore del condizionatore e solitamente caratterizzata dalla ventola radiale;
• un’unità interna (lo split), che provvede a mettere in circolo l’aria (condizionata o meno), distribuendola nei locali attraverso un’apposita feritoia.

Tipologie e caratteristiche

I condizionatori si dividono in due grandi famiglie:

• quelli chiamati solo freddo
• quelli detti erroneamente a pompa di calore (tutti funzionano “a pompa di calore”)

La differenza sostanziale è che questi ultimi, oltre a raffreddare l’aria in estate, in inverno possono anche riscaldare invertendo, tramite una valvola a più vie, il senso del flusso del refrigerante e quindi il ciclo di funzionamento, sottraendo quindi calore all’aria esterna per poi immetterlo nell’ambiente interno (ovviamente, più bassa è la temperatura esterna, più basso sarà il rendimento, dovendo tra l’altro necessariamente modulare il flusso di refrigerante in modo da evitare il congelamento dell’evaporatore). Sostanzialmente, in un condizionatore in grado di riscaldare un ambiente, lo scambiatore di calore di ogni unità può funzionare alternativamente da evaporatore o condensatore, assorbendo calore tramite il primo e rilasciandolo mediante il secondo, mentre in un condizionatore solo freddo lo scambiatore dell’unità interna è necessariamente un evaporatore e quello dell’unità esterna un condensatore.

Un’ulteriore distinzione è quella relativa alla loro alimentazione e al loro funzionamento. Sotto questo punto di vista, ci sono:

• condizionatori d’aria on-off
• condizionatori d’aria ad inverter.

La tecnologia dei condizionatori on-off è la più vetusta, semplice e meno costosa; ha tuttavia un consumo energetico (istantaneo) maggiore e offre scarso comfort, in quanto, una volta acceso, il condizionatore raggiunge subito la massima potenza di raffreddamento e vi rimane, emettendo aria molto fredda mediante una ventilazione a una determinata velocità, per fare in modo che l’ambiente da raffreddare raggiunga la temperatura impostata su un termostato meccanico o elettronico. Quando tale temperatura viene raggiunta, il compressore si disattiva (con l’unità interna che si limita a far circolare l’aria nell’ambiente senza raffreddarla), per poi riavviarsi a piena potenza una volta che la temperatura dell’ambiente è superiore a quella impostata di alcuni gradi.^[6] Tali gradi di differenza prendono il nome di isteresi e servono a evitare che la frequenza di accensione e spegnimento del compressore sia eccessiva (e che quindi la relativa usura sia molto rapida).

I condizionatori muniti di inverter modulano invece l’emissione di aria fredda tramite la regolazione elettronica della velocità di rotazione dell’albero del compressore, impiegando quindi in ogni momento solo la potenza di raffreddamento strettamente necessaria: quando l’apparecchio viene acceso e viene richiesta una temperatura che si discosti sensibilmente da quella presente, la potenza è massima per poi diminuire gradualmente man mano che la temperatura dell’ambiente si avvicina alla temperatura fissata. Quando tale temperatura viene raggiunta, il compressore non si arresta completamente, ma continua a funzionare utilizzando solo la potenza necessaria a mantenere la temperatura ambiente vicina a quella desiderata (tipicamente nell’ordine di mezzo grado di differenza).^[6] Si evita così l’emissione discontinua di aria molto fredda alternata ad aria a temperatura ambiente, garantendo maggior comfort, minori sollecitazioni del compressore dovute ai ripetuti avviamenti ed arresti e minor consumo di elettricità in caso l’uso sia continuativo, cosa che permette anche di ammortizzare il costo maggiore. La potenza di raffreddamento è inoltre ulteriormente modulabile regolando automaticamente la velocità di ventilazione in modo che la stessa diminuisca progressivamente al diminuire della differenza, istante per istante, tra la temperatura dell’ambiente e quella fissata, dato che la regolazione della portata del compressore permette di evitare il congelamento dell’evaporatore anche in presenza di carichi termici bassi.

Aspetti energetici

I condizionatori, come molti elettrodomestici, sono vincolati da norme sul risparmio energetico. Nell’Unione Europea dal 1º gennaio 2013 sul condizionatore dev’essere presente l’etichetta energetica, che riporta la classe di consumo energetico, che va da A+++ (migliore) a D (peggiore, con i consumi più alti). I condizionatori con i minori consumi solitamente hanno la tecnologia inverter. Un condizionatore on-off può essere incluso in qualunque classe nel caso risulti consumare quanto il tipo di elettrodomestico (in questo caso il condizionatore) di una stessa classe, con tecnologia inverter oppure no.

Prescrizioni normative nel mondo

Italia

I condomini italiani possono emanare dei regolamenti condominiali, deliberati in assemblea, che vietano l’installazione in facciata delle unità esterne per motivi estetici. L’argomento è controverso in quanto spesso un bene collettivo (la bellezza del palazzo) si scontra con un beneficio privato (la climatizzazione dell’unità abitativa). Il vincolo spesso è superato se nell’appartamento vive una persona che ha necessità del condizionamento per motivi di salute, in tal caso con un certificato medico si evita il regolamento condominiale ma non senza problemi. Nell’ipotesi peggiore, si montano i climatizzatori senza unità esterna.

Va specificato (per i condizionatori destinati per l’ambiente civile) che ricade solo il collegamento relativo alla potenza elettrica per l’alimentazione del condizionatore con l’impianto elettrico di casa. Il collegamento tra le due macchine (sia idraulico che elettrico) non ricade nella legge perché la normativa europea ritiene l’insieme delle due macchine (interna + esterna) un solo componente quindi come se fosse un solo elettrodomestico.

Secondo le prescrizioni dell’Ente nazionale italiano di unificazione, le norme tecniche di riferimento principali sono:

• UNI EN 378-1: “Impianti di refrigerazione e pompe di calore” – REQUISITI DI SICUREZZA ED AMBIENTALI – Requisiti di base, definizioni, classificazione e criteri di selezione.
• UNI EN 378-2: “Impianti di refrigerazione e pompe di calore” – REQUISITI DI SICUREZZA ED AMBIENTALI – Progettazione, costruzione, prove marcatura e documentazione.
• UNI EN 378-3: “Impianti di refrigerazione e pompe di calore” – REQUISITI DI SICUREZZA ED AMBIENTALI – Installazione in sito e protezione delle persone.
• UNI EN 378-4: “Impianti di refrigerazione e pompe di calore” – REQUISITI DI SICUREZZA ED AMBIENTALI – Esercizio, manutenzione, riparazione e utilizzo.
• CEI norma 64-8/7 (Impianti elettrici utilizzatori a tensione nominale non superiore a 1000 V ca e a 1500 V cc – Ambienti ed applicazioni particolari)

Unione Europea

Secondo il diritto dell’Unione Europea la direttiva dell’Unione Europea in tema è la n. 94/2/CE del 21 gennaio 1994 e al Decreto 12 aprile 1998 del Ministero dell’industria, del commercio e dell’artigianato; ogni Stato membro può poi avere una propria normativa.

Fonte: https://it.wikipedia.org/wiki/Condizionatore_d%27aria