L'impianto di ventilazione di una piscina coperta

L’impianto di ventilazione della sala vasche di una piscina coperta deve svolgere diverse funzioni; esso ha il compito fondamentale di mantenere costanti i valori prefissati per la temperatura e l’umidità dell’aria ambiente in modo da garantire il comfort dell’ambiente, ma molto spesso deve provvedere anche al riscaldamento della sala o in maniera integrale o coadiuvato da altri sistemi come il riscaldamento a pavimento del piano vasche, o dei sedili riscaldati, o ancora da termoconvettori posti alla base delle vetrate per evitare problemi di condensa superficiale.

Poiché il corpo del bagnante si trova in una condizione particolare, privo di indumenti e con la pelle bagnata, che lo rende soggetto a una consistente dispersione termica, la temperatura di questi ambienti deve essere mantenuta a valori decisamente più elevati rispetto a quelli normalmente frequentati.

Negli anni la soglia del benessere per la temperatura dell’acqua della piscina è progressivamente aumentata, passando dai 26 °C ai 28 °C, come per la temperatura dell’aria, dai 28 °C ai 30 °C, per arrivare in certi casi a 34-36 °C.

è evidente che con tali temperature le dispersioni termiche dell’edificio che ospita le vasche sono particolarmente elevate, per cui è necessario adottare spessori dell’isolamento decisamente più consistenti e, rispetto alle comuni costruzioni, la trasmittanza termica degli elementi che costituiscono l’involucro edilizio è stata progressivamente ridotta nel tempo.

Dalle analisi condotte su centinaia di piscine coperte pubbliche si è osservato che il fabbisogno termico di tale tipologia di impianto natatorio si può suddividere indicativamente secondo le funzioni di indicate nel grafico.

l’ambiente della sala vasche deve essere mantenuto riscaldato 24/24 ore per evitare problemi che possono mettere in pericolo la buona conservazione del fabbricato stesso e/o dei suoi componenti.

Pertanto lo strato isolante è opportuno che sia disposto verso l’esterno della muratura, sfruttando in questo modo il volano termico costituito dalla massa della struttura.

A causa dell’evaporazione dell’acqua della piscina, il livello dell’umidità specifica dell’aria ambiente della sala vasche è elevato; pertanto è opportuno che lo strato isolante sia protetto da una barriera al vapore molto efficace applicata sulla superficie calda dello stesso, in modo da evitare la trasmigrazione del vapore d’acqua attraverso lo spessore isolante. Questo al fine di evitare la formazione di condensa interstiziale che potrebbe comportare l’indebolimento del potere isolante della struttura stessa.

Ma la parte più consistente del fabbisogno termico della sala vasche è costituita dalla ventilazione, che è dovuta sia al ricambio dell’aria ambiente necessario per garantire la qualità della stessa, sia per deumidificare l’aria ambiente per sopperire al continuo aumento dell’umidità dovuto all’evaporazione dell’acqua della piscina.

Evaporazione

Tra la superficie dell’acqua della piscina e l’aria soprastante si forma un sottile strato liminare di aria all’interno del quale avviene lo scambio termico fra i due elementi e lo scambio materico dell’acqua che si trasforma in vapore acqueo inglobato dall’aria.

Le condizioni di termo igrometriche dello strato liminare possono essere così riassunte:

• temperatura dello strato liminare t_L = t_W temperatura dell’acqua

• umidità relativa dello strato liminare φ_L = 100%

in altri termini, il vapor d’acqua è saturo.

La fisica ci insegna che la portata d’acqua evaporante dalla superficie della piscina si può esprimere con la equazione seguente (vedi Linee Guida VDI 2089):

m_W = ε • A • (p_L – p_A)

dove

m_W = portata evaporante in g/h

ε = costante di evaporazione in g/(h m² Pa)

A = superficie della piscina in m²

p_L = pressione parziale di saturazione del vapor d’acqua alla temperatura dell’acqua in Pa

p_A = pressione parziale del vapor d’acqua alle condizioni termo igrometriche dell’aria ambiente della sala vasche in Pa

Come si vede, indipendentemente dai valori reali delle grandezze considerate, la produzione del vapor d’acqua risulta proporzionale alla differenza (p_L – p_A).

Se fissiamo le condizioni medie attuali di gestione di un impianto natatorio pubblico con la classica piscina da 25,00 metri che viene utilizzata sia come vasca natatoria sia come vasca di attività varie, la temperatura dell’acqua è pari a 28 °C.

tW	[°C]	28
φA		55%
tA	[°C]	27	28	29	30	31
pL	[Pa]	3.799	3.799	3.799	3.799	3.799
pA	[Pa]	1.791	2.089	2.214	2.346	2.484
(pL – pA)	[Pa]	2.008	1.710	1.585	1.453	1.315
variazione dell’evaporazione		17%	0%	-7%	-15%	-17%

Tab. 1 – Variazione dell’evaporazione al variare della temperatura dell’aria ambiente

Ipotizzando una umidità relativa dell’aria ambiente pari al 55% costante, dalla tabella sopra riportata si può osservare che, aumentando la temperatura dell’aria ambiente di 1 o 2 °C, la differenza (p_L – p_A) diminuisce del 7% e del 15% rispettivamente e, nella stessa proporzione, la portata d’acqua evaporante. Aumentando ulteriormente la temperatura dell’aria ambiente la modifica dell’evaporazione che si ottiene si riduce notevolmente.

Questo fatto rende conveniente mantenere la temperatura dell’aria del vano vasche di 1 o 2 °C superiore alla temperatura dell’acqua, indicazione condivisa dalle norme ASHRAE come dalle linee guida VDI 2089.

Si può osservare anche che abbassando la temperatura dell’aria ambiente, a parità delle altre condizioni, si verifica un aumento consistente dell’evaporazione. Questo dimostra che la gestione dell’impianto di ventilazione può influire significativamente sui consumi energetici di una piscina coperta. Può accadere, infatti, che il gestore, nella convinzione di risparmiare, abbassi la temperatura dell’aria, peggiorando la situazione.

tW = tA	[°C]	28
φA		50%	55%	60%	65%	70%
pL	[Pa]	3.799	3.799	3.799	3.799	3.799
pA	[Pa]	1.899	2.089	2.279	2.469	2.659
(pL – pA)	[Pa]	1.900	1.710	1.520	1.330	1.140
variazione dell’evaporazione		11%	0%	-11%	-22%	-25%

Tab. 2 – Variazione dell’evaporazione al variare dell’umidità relativa dell’aria ambiente

Variazione della temperatura variazione dell’umidità relativa

Analoga riduzione dell’evaporazione si può ottenere aumentando l’umidità relativa dell’aria ambiente.

Anche in questo caso si nota che la massima convenienza si ha aumentando l’umidità relativa al 60% o 65%, mentre non si ottengono risultati migliori portandola al 70%. Al contrario, abbassando l’umidità al 50% si ottiene l’effetto opposto.

Naturalmente, il comfort dei frequentatori impone di contenere entrambi i valori dei parametri suddetti entro determinati limiti, per cui la temperatura dell’aria ambiente normalmente viene mantenuta a 30 °C, mentre l’umidità relativa può oscillare fra 50% e 65%.

Il contenimento dell’umidità relativa è imposto anche dalla necessità di salvaguardare la struttura della sala vasche ed i suoi componenti edilizi da fenomeni di condensa sia superficiale, sia interstiziale, che ne possono compromettere la buona conservazione.

Grazie alla riduzione dell’evaporazione si ottiene un duplice vantaggio: si riduce la quantità di vapore d’acqua che deve essere espulsa tramite l’impianto di ventilazione e si limita anche il raffreddamento dell’acqua prodotto dall’evaporazione stessa.

Dal punto di vista dei costi di gestione la riduzione della evaporazione comporta notevoli vantaggi economici soprattutto per la diminuzione della ventilazione necessaria a garantire il mantenimento dell’umidità dell’aria ambiente a valori costanti.

Il problema della triclorammina

Ma quando si esamina il problema della gestione della piscina coperta è necessario tenere presente un altro fenomeno peculiare di questo impianto. Com’è noto, per assicurare la disinfezione dell’acqua della piscina è necessario utilizzare il cloro, sia esso in forma liquida, gassosa o granulare.

La reazione chimica del cloro con le sostanze organiche e inorganiche presenti nell’acqua comporta la formazione di composti indesiderati definiti sottoprodotti; tra questi possiamo elencare i seguenti:

• monoclorammina

• diclorammina

• triclorammina

trialometani.

ammoniaca (NH₃) monoclorammina (NH₂Cl) diclorammina (NHCl₂) triclorammina (NCl₃)

Mentre la monoclorammina e la diclorammina sono presenti nell’acqua e non creano particolari problemi, la triclorammina e i trialometani sono tossici e fortemente volatili e quindi sono presenti nell’aria.

In particolare la triclorammina è responsabile delle irritazioni agli occhi e alle mucose dei bagnanti e dello spiacevole “odore di cloro” che si avverte in certe piscine coperte.

Poiché la triclorammina ha un peso specifico decisamente maggiore di quello dell’aria, tende a formare una specie di cuscino sopra la superficie dell’acqua che è proprio la zona in cui il nuotatore respira. Oltre che essere tossica per l’essere umano è pure fortemente corrosiva per gli elementi costruttivi che costituiscono l’involucro edilizio che confina la piscina coperta.

Si è constatato che i sistemi di ventilazione utilizzati anziché rimuovere la triclorammina alla radice tendono a propagarla e a espanderne la presenza in tutti i punti della sala vasche, dove si muovono e respirano sia i bagnanti sia il personale addetto alla gestione dell’impianto.

Questo è dovuto al fatto che il moto indotto all’aria ambiente dall’immissione nella sala vasche dell’aria di ventilazione è un moto turbolento, con la formazione di mulinelli e vortici che miscelano l’aria con la triclorammina. Infatti numerose prove eseguite su impianti esistenti con misurazioni fatte a diverse altezze dal piano vasche confermano la presenza della triclorammina, contrariamente a quanto ci si aspetterebbe secondo quanto sopra osservato.

Il sistema di estrazione alla fonte

Per ovviare a questo inconveniente che rende meno efficace l’afflusso di aria fresca dall’esterno nella suddetta zona di respirazione è stato introdotto un sistema di ventilazione laminare per l’estrazione del cuscino di triclorammina a contatto con la superficie dell’acqua; in questo modo l’aria contenente la triclorammina viene espulsa all’esterno senza essere rimessa in circolo dall’impianto di ventilazione.

Figura 1 – Sistema di estrazione alla fonte

Normalmente, la portata dell’aria così espulsa è pari al 20% della portata nominale di ventilazione, cosa che assicura l’equivalente portata d’aria fresca di rinnovo e, nello stesso tempo, limita la velocità dell’aria sulla superficie dell’acqua al valore di 0,15 m/s consigliato dalle norme vigenti al fine di contenere l’evaporazione dell’acqua di piscina. Si noti che la velocità dell’aria ha influenza anche sul comfort del bagnante, giacché, quando esce dall’acqua con la pelle bagnata, avverte una temperatura decisamente inferiore a quella dell’aria ambiente proprio per effetto dell’evaporazione a livello cutaneo.

Ricordando che dalla superficie dell’acqua si sviluppa oltre alla formazione di triclorammina anche quella del vapor d’acqua, con questo sistema di ventilazione si allontana dalla sala vasche una buona parte sia dei sottoprodotti aerodispersi della clorazione, sia del vapore responsabile dell’aumento continuo dell’umidità dell’aria ambiente.

Il flusso turbolento dell’aria di ventilazione

Come si è già detto il sistema normalmente adottato per la ventilazione della sala vasche soprattutto nei paesi di cultura germanica provoca un moto turbolento nell’aria; il sistema consiste essenzialmente nell’immettere l’aria riscaldata dal pavimento in corrispondenza delle vetrate e nella ripresa dell’aria più calda dall’alto sul lato opposto della sala. Tale sistema è dettato anche dalla necessità di evitare l’appannamento delle vetrate nonché la formazione di eventuale condensa superficiale sulla parte più fredda dell’involucro edilizio.

Figura 2 – Sistema di ventilazione con flusso turbolento

La superficie vetrata viene così “spazzolata” da una forte corrente d’aria calda ascendente che, per effetto di induzione, trascina con sé l’aria più fredda a livello della superficie dell’acqua miscelandola con gli strati superiori proprio per evitare il fenomeno della stratificazione dovuto alla differenza di temperatura fra gli strati inferiori e quelli superiori.

Negli USA e in generale nei paesi di cultura anglosassone viene data la preferenza all’immissione dall’alto, con un flusso consistente d’aria calda discendente in corrispondenza delle vetrate esterne, ma l’effetto che si ottiene è sempre quello di una miscelazione dell’aria con un flusso turbolento.

Il flusso laminare dell’aria di ventilazione

Contando anche sul fatto che la tecnologia ha messo a disposizione vetrate a più strati dotate di una trasmittanza molto contenuta rispetto a quella delle vetrate prima utilizzate, si rende possibile l’Impiego di un sistema di ventilazione completamente diverso che, anziché impedire la stratificazione dell’aria, la sfrutta per migliorare le condizioni termo igrometriche nella zona occupata. Condizione necessaria per mantenere stabilmente la stratificazione dell’aria è che la temperatura dell’aria ambiente sia maggiore di almeno 2 °C rispetto a quella dell’acqua.

L’aria riscaldata a temperatura di 40 °C o più, normalmente viene immessa dall’alto, ma a distanza dalla copertura, e rivolta sia in orizzontale sia verso il basso; contemporaneamente l’aria più fredda viene aspirata a quota inferiore (zona occupata), mantenendo il flusso laminare.

Nell’ambito di uno studio sull’efficienza energetica nelle piscine pubbliche condotto per conto della DGfdB (Società Tedesca per la Balneazione) sono state condotte numerose prove con accurate misurazioni della temperatura, dell’umidità e della concentrazione di inquinanti presenti nell’aria, come i trialometani e la triclorammina, che hanno confermato la validità del sistema con un netto miglioramento della qualità dell’aria e una riduzione della stratificazione delle temperature nella zona di respirazione, oltre a una riduzione della temperatura a ridosso della copertura con conseguente diminuzione delle dispersioni termiche dalla superficie del tetto.

Questo ha comportato nel contempo una considerevole riduzione della portata d’aria immessa, con corrispondente diminuzione dei consumi energetici dovuti alla ventilazione, che può raggiungere il 25%.

Figura 3 – Sistema di ventilazione con flusso laminare

Naturalmente, per poter adeguare le portate d’aria all’effettiva necessità e alle variazioni richieste anche dalla frequenza dei bagnanti presenti nell’impianto natatorio, è indispensabile adottare UTA equipaggiate con ventilatori dotati di alto rendimento, mantenuto tale anche a velocità ridotte, azionati direttamente da motori elettrici a velocità variabile tramite alimentazione ad inverter. L’azionamento diretto dei ventilatori, oltre a migliorare il rendimento, ha eliminato alla radice i costi di manutenzione dovuti alla sostituzione periodica delle cinghie di trasmissione che mal sopportano la presenza della triclorammina nell’aria. Per ovviare ai problemi di corrosione i ventilatori impiegati sono interamente realizzati in alluminio con le superfici protette con vernice epossidica.

Controllo e regolazione

Il funzionamento della UTA è governato da un sistema di controllo e regolazione collocato a bordo macchina, costituito alla base da una serie di sonde per il rilievo dei principali parametri dei diversi tipi dell’aria trattata (immessa, esterna, ecc.), quali temperatura, umidità, pressione.

Un tipo particolare di dispositivo viene installato nella sala vasche, normalmente posizionato sulla cornice metallica di una vetrata esterna; è la sonda dew-point (punto di rugiada), che rileva la presenza della condensazione del vapor d’acqua su una superficie fredda.

Le sonde trasmettono il segnale rilevato, oltre alla strumentazione di misura digitale, alla centralina di controllo e regolazione che comanda gli attuatori per l’apertura/chiusura delle serrande che regolano il flusso dell’aria e della valvola che regola il flusso dell’acqua calda nella serpentina addetta al riscaldamento dell’aria di immissione.

Il software che governa il funzionamento complessivo della UTA è parte integrante del sistema di regolazione e costituisce l’elemento principale per il raggiungimento di elevati valori dell’efficienza energetica dell’intero impianto di termoventilazione. È necessario quindi che sia programmato da tecnici che conoscono tutti gli aspetti particolari che influenzano la gestione degli impianti di una piscina coperta.

Recupero energetico

Il sistema di deumidificazione dell’aria ambiente di una piscina coperta tramite l’introduzione di aria esterna più secca rende indispensabile l’adozione di un impianto per recuperare il calore dell’aria di espulsione.

Tra i vari sistemi di recupero energetico disponibili sul mercato, quello che ha incontrato maggiore accoglienza è costituito da uno scambiatore a piastre aria-aria, preferito per la semplicità di installazione all’interno della UTA, per la mancanza di parti mobili, refrigeranti, compressori, pompe di circolazione, tutti fatti che ne riducono i costi di manutenzione. Non è trascurabile nemmeno il fatto di ottenere efficienze prossime al 75%.

Figura 4 – Schema funzionale della UTA

eHa = Aria Espulsione (Exaust Air) oda = Aria Esterna (Outdoor Air)

SUP = Aria Immissione (Supply Air) eta = Aria Estrazione (Extract Air)

rca = Aria Ricircolo (Recirculated Air)

Tale apparecchio è costituito da piastre metalliche disposte a una distanza ridotta le une dalle altre in modo da formare dei canali incrociati, attraverso i quali fluisce alternatamente l’aria fresca esterna, che viene preriscaldata, e l’aria esausta.

Figura 5 – Scambiatore di calore a piastre aria-aria

Trattandosi (quest’ultima) di aria contenente sostanze corrosive come la triclorammina, tra i materiali più utilizzati per le piastre figura l’alluminio, specie se con la superficie protetta con resine epossidiche.

Estrazione alla fonte

Riguardo al sistema di estrazione alla fonte della triclorammina, posizionato a livello del piano vasche, normalmente non viene applicato alcun impianto di recupero energetico considerata la forte concentrazione nell’aria espulsa di questo sottoprodotto della clorazione altamente corrosivo, ma ancor più per la difficoltà di installazione, dovuta al fatto che il sistema è completamente isolato e lontano dalla UTA dell’impianto di termoventilazione.

Relativamente al problema della corrosione, ricordiamo che esistono sul mercato scambiatori con le piastre realizzate com materiali termoplastici anziché metallici.

Ma il problema della presenza della triclorammina nell’aria espulsa direttamente dalla sala vasche riguarda ancor prima il ventilatore; per questo è consigliabile adottare apparecchiature completamente realizzate in materiali termoplastici. Rimane il problema degli organi meccanici della girante, come i cuscinetti a sfere, che, pur essendo costruiti con acciaio inox, sono soggetti alla corrosione.

Contenimento della trasmigrazione dell’umidità

Per evitare che l’aria della sala vasche con una elevata umidità specifica possa trasmigrare nei locali adiacenti le norme ASHRAE prescrivono di mantenere la pressione dell’aria ambiente ad un livello leggermente inferiore rispetto a quello degli ambienti limitrofi (da -15 a -40 Pa).

Mantenere in depressione la sala vasche comporta il rischio di infiltrazioni di aria esterna fredda con conseguenti fenomeni di condensa che possono danneggiare gravemente la conservazione dell’integrità dell’edificio. È necessario quindi che l’intero involucro edilizio della piscina coperta sia perfettamente sigillato.

È per questo motivo che le norme prescrivono la conduzione di una prova di tenuta all’aria, normalmente denominata Blower-Door-Test, da eseguire dopo il completamento del fabbricato con porte e finestre. Tale denominazione dipende dalle modalità di esecuzione della prova. Nella sede di una porta esterna dell’edificio viene montato un telaio ermetico sul quale viene installato un ventilatore che ha la funzione di creare una depressione dell’ambiente interno rispetto a quello esterno.

Bisogna altresì fare attenzione al fatto che mantenere in depressione la sala vasche obbliga tassativamente a mantenerla isolata dai locali adiacenti. Questo è particolarmente importante per il sistema di termoventilazione precedentemente descritto, giacché anche la semplice apertura di una porta comprometterebbe il movimento laminare dell’aria ambiente.

Da questa breve panoramica sui sistemi di ventilazione e riscaldamento di una piscina coperta si può capire come le problematiche siano piuttosto complesse e richiedano una conoscenza ad ampio raggio dei diversi aspetti che si devono affrontare.

Si può anche notare che si è fatto riferimento a normative di altri paesi, come le norme ASHRAE o le Linee Guida VDI 2089 citate, giacché nel nostro paese non esiste una norma specifica che riguardi la costruzione e la gestione di una piscina coperta.