ABB Quaderno Tecnico HVAC

Buildings that are modular, eco-friendly and evolve over time. This is best done with ABB Building Solutions for efficient and intelligent spaces.

CONTROLLO DEGLI IMPIANTI HVAC NEGLI EDIFICI INTELLIGENTI

Progettazione, gestione e soluzioni professionali

INDICE

01. Introduzione

02. Benessere igrometrico e principali tipologie di impianto

03. Macchine per la produzione del caldo e del freddo

04. Unità trattamento aria

05. Logiche di regolazione

06. BACS: Building automation control systems

07. Normativa ISO 52120 e piano europeo

08. Contributo dei BACS alle Certificazioni Volontarie

09. Glossario

100

IMPIANTI HVAC PER EDIFICI INTELLIGENTI

L’automazione degli edifici e il controllo degli impianti rappresentano oggi strumenti fondamentali per promuovere la sostenibilità ambientale e migliorare l’efficienza energetica nel settore edilizio. Grazie a sistemi intelligenti e integrati, è possibile monitorare e gestire in modo coordinato aspetti chiave come l’illuminazione, la climatizzazione, la ventilazione, la sicurezza e altri servizi essenziali, con l’obiettivo di ridurre i consumi, contenere le emissioni e migliorare il comfort degli occupanti. Uno dei principali benefici offerti dalla building automation è proprio la capacità di adattare in tempo reale il funzionamento degli impianti alle condizioni ambientali e all’uso effettivo degli spazi. Sensori di presenza, temperatura e umidità, insieme a sistemi di controllo evoluti, permettono ad esempio di regolare l’illuminazione e la climatizzazione in funzione della reale occupazione degli ambienti, evitan- do sprechi e ottimizzando l’impiego delle risorse. La gestione integrata delle fonti rinnovabili, come il fotovoltaico, in sinergia con i sistemi HVAC, consente inoltre di ridurre la dipendenza dalle fonti fossili, contribuendo a una transizione energetica concreta e misurabile. Parallelamente, l’analisi continua dei dati di consumo e funzionamento permette di individuare anomalie, anticipare guasti e pianificare inter- venti di manutenzione predittiva, riducendo i costi operativi e prolungando la vita utile degli impianti. All’interno di questo ecosistema tecnologico, l’HVAC (Heating, Ventilation and Air Conditioning) gioca un ruolo centrale. Il controllo del clima interno è infatti uno degli aspetti più impattanti in termini di consumo energetico, ma anche uno dei più rilevanti per il benessere delle persone. I sistemi HVAC au- tomatizzati, grazie a sensori e algoritmi di controllo, sono in grado di regolare temperatura, umidità e ventilazione in modo dinamico, adattandosi sia alle condizioni esterne sia alle esigenze specifiche degli ambienti. Una ventilazione controllata migliora significativamente la qualità dell’aria interna, riducendo la presenza di inquinanti, allergeni e agenti patogeni, con effetti positivi tangibili sulla salute e sulla produttività degli occupanti. Attraverso l’analisi dei dati raccolti in tempo reale, è possibile individuare margini di miglioramento, correggere inefficienze e personalizzare le impostazioni in base all’utilizzo effettivo degli spazi, offrendo un livello di comfort elevato senza rinunciare alla sostenibilità.

In definitiva, la building automation e, in particolare, i sistemi HVAC, costituiscono il cuore della trasformazione intelligente degli edifici.

INTRODUZIONE

Investire in queste tecnologie significa non solo ridurre l’impatto ambientale e contenere i costi, ma anche migliorare l’esperienza quotidiana di chi vive e lavora negli spazi costruiti. È una scelta strategica che guarda al futuro, con l’obiettivo di costruire ambienti più efficienti, sani e resilienti.

IMPIANTI HVAC PER EDIFICI INTELLIGENTI

PERCENTUALI DI CONSUMO ENERGETICO

Gli impianti HVAC assorbono la quota maggiore di energia negli edifici, costituendo la principale voce sia di consumo energetico sia di costo operativo. Basti pensare che gli edifici nel loro complesso rappresentano circa il 40% dei consumi energetici a livello europeo e, all’interno di essi, i sistemi di climatizzazione (riscaldamento, ventilazione e condizionamento) coprono in media quasi la metà dei consumi totali.

Per contestualizzare l’impatto di una gestione intelligente, la tabella seguente confronta la ripartizione tipica dei consumi energetici in edifici commerciali/uffici e in edifici residenziali:

Edifici commerciali e uffici

Edifici residenziali

Nei complessi ad uso terziario l' HVAC incide tipicamente attorno al 50% dei consumi energetici totali . Seguono: • illuminazione - circa 25% • apparecchiature IT - circa 15% • (postazioni informatiche, server, ecc.,) • i restanti usi (ascensori, acs, ecc.) - circa 10%

Nelle abitazioni private il riscaldamento/ raffrescamento costituisce in media la quota più elevata (60-65% del consumo domestico) . Seguono: • acqua calda sanitaria (ACS) - circa 15% • illuminazione e elettrodomestici - circa 15% • i consumi residuali (stand-by, cottura, ecc.) - circa 5%

10%

15%

50%

65%

25%

15%

Fonti: analisi Eurostat sui consumi finali residenziali EU 2023; dati EIA/DOE per edifici commerciali (USA) con HVAC ~40–50% dell’energia totale.

INTRODUZIONE

Questi dati mettono in evidenza come un controllo intelligente e automatizzato degli impianti HVAC sia una leva strategica per migliorare la sostenibilità e ottenere riduzioni drastiche dei costi operativi.

Considerato il peso energetico dell’HVAC, ottimizzarne la gestione con sistemi avanzati di Building Automation and Control (BACS) permette di adattare finemente i consumi al fabbisogno effettivo, evitando sprechi. Soluzioni BACS evolute (sensori, regolazione automatica, integrazione con fonti rin- novabili) possono ridurre il consumo energetico degli impianti di climatizzazione in modo significativo (spesso del 20–30% o più, a seconda del livello di automazione adottato). Non a caso, le normative più recenti – ad esempio la Direttiva Europea 2018/844 (EPBD) – hanno introdotto l’obbligo di dotare gli edifici di sistemi BACS per conseguire standard minimi di prestazione energetica. In sintesi, l’efficienza energetica degli HVAC non è solo una buona pratica, ma una necessità progettuale: grazie all’automazione intelligente è possibile climatizzare gli ambienti garantendo comfort ottimale riducendo al minimo l’energia utilizzata e raggiungendo così gli obiettivi di sostenibilità prefissati.

IMPIANTI HVAC PER EDIFICI INTELLIGENTI

02 BENESSERE IGROMETRICO E PRINCIPALI TIPOLOGIE DI IMPIANTO

INDICE

010

2.1. Introduzione

011

2.2. Il benessere igrometrico

2.2.1 Sistema di raffreddamento

014

2.3. Principali tipologie di impianto HVAC

2.3.1. Impianti tutto aria

2.3.2. Impianti ad acqua

2.3.3. Impianti misti (aria + acqua)

2.3.4. Sistemi decentralizzati (unità autonome)

018

2.4. Evoluzione Digitale e Sostenibile degli Impianti HVAC

IMPIANTI HVAC PER EDIFICI INTELLIGENTI

BENESSERE IGROMETRICO E PRINCIPALI TIPOLOGIE DI IMPIANTO

2.1. Introduzione Un sistema HVAC (Heating, Ventilation and Air Conditioning – Riscaldamento, Ventilazione e Condizio- namento dell’Aria) è un insieme integrato di tecnologie progettate per controllare il clima interno degli edifici , garantendo comfort termico, qualità dell’aria e benessere per gli occupanti. Questi sistemi sono fondamentali per riscaldare, raffreddare, ventilare e deumidificare l’aria , adattandosi alle condizioni ambientali e alle esigenze specifiche degli spazi. Il riscaldamento, ad esempio, viene assicurato tramite caldaie, pompe di calore o impianti a pavimento, mantenendo una temperatura piacevole nei mesi freddi. La ventilazione ha un ruolo altrettanto cruciale: assicura il ricambio dell’aria e la rimozione di umidità, inquinanti e odori, contribuendo a un ambiente salubre e vivibile. Sistemi composti da ventilatori, condotti e filtri permettono di mantenere costantemen- te elevata la qualità dell’aria interna. Nelle stagioni calde, invece, il condizionamento e la refrigerazione entrano in gioco per abbassare la temperatura e l’umidità, spesso con il supporto di deumidificatori per evitare la formazione di muffe e garantire un clima fresco e controllato. Oltre al comfort, l’importanza degli impianti HVAC si riflette anche nella protezione di ambienti e attrez- zature sensibili: musei, laboratori, data center e ambienti industriali richiedono condizioni climatiche stabili e precise. Inoltre, un sistema HVAC efficiente contribuisce a migliorare la produttività, ridurre i costi operativi e aumentare il valore degli immobili. Nei moderni edifici residenziali, commerciali e industriali, il comfort ambientale non è più un’opzione, ma un requisito , anche alla luce degli standard energetici sempre più stringenti. Le persone trascorrono gran parte del loro tempo in ambienti chiusi, rendendo essenziale mantenere condizioni ottimali di tem- peratura, ventilazione e umidità. Tecnologie avanzate come sensori ambientali, algoritmi predittivi e sistemi di controllo centralizzati consentono di regolare in tempo reale le condizioni climatiche interne, minimizzando gli sprechi e massi- mizzando il comfort. L’integrazione con fonti di energia rinnovabile – ad esempio pannelli solari o pompe di calore – e con sistemi di building automation consente di ottimizzare il consumo energetico e ridurre le emissioni di gas serra, trasformando gli edifici in ambienti più sostenibili, intelligenti e resilienti. In conclusione, un impianto HVAC non è semplicemente un sistema per regolare la temperatura, ma una componente strategica per il benessere delle persone, la salvaguardia delle risorse e la sostenibilità ambientale. Investire in soluzioni HVAC moderne ed efficienti rappresenta una scelta responsabile e lungimirante per il presente e per il futuro.

BENESSERE IGROMETRICO E PRINCIPALI TIPOLOGIE DI IMPIANTO

2.2. Il benessere igrometrico Il benessere igrometrico (o comfort termo-igrometrico) si riferisce allo stato di soddisfazione di una persona rispetto all’ambiente termico che la circonda. In termini pratici, un ambiente confortevole è quello in cui la maggior parte degli occupanti non prova né sensazione di freddo né di caldo eccessivo, e l’aria risulta piacevole da respirare. Mantenere questa condizione di equilibrio termico è uno degli obiettivi fondamentali nella progettazione dei sistemi HVAC.

Diversi parametri ambientali influenzano il comfort percepito. In particolare, i fattori fisici principali includono:

• Temperatura dell’aria (e temperatura radiante) – È il fattore più immediato: temperature troppo bas- se o troppo elevate causano rispettivamente disagio da freddo o da caldo. Idealmente la temperatura operativa (che combina aria e irraggiamento) dovrebbe mantenersi in un intervallo neutro per il corpo umano (indicativamente 20–26 °C a seconda delle attività). • Umidità relativa – Indica il contenuto di vapore acqueo nell’aria. Un’umidità troppo alta riduce la capacità di evaporazione del sudore e accentua la sensazione di caldo afoso; al contrario un’aria troppo secca può causare secchezza delle mucose e discomfort. In ambienti climatizzati si raccomanda generalmente di mantenere l’umidità relativa tra 30% e 60% per bilanciare comfort e salute. • Velocità dell’aria – Correnti d’aria eccessive (spifferi) possono far percepire più freddo di quanto indichi la sola temperatura, aumentando la dispersione di calore dal corpo. Al contempo, un leggero movimento d’aria in estate migliora il comfort favorendo l’evaporazione del sudore. È dunque importante controllare la ventilazione in modo da evitare sia zone con aria stagnante che correnti fastidiose. Il range consigliato per la velocità dell’aria è compreso tra 0,05 m/s e 0,2 m/s. • Qualità dell’aria interna – Riguarda la pulizia e salubrità dell’aria che si respira. Un adeguato ricambio d’aria (ventilazione) serve a mantenere bassi i livelli di anidride carbonica (CO₂) e inquinanti indoor, prevenendo odori e garantendo aria fresca. La qualità dell’aria influenza indirettamente il benessere: aria viziata o carica di inquinanti causa malessere e riduce la percezione di comfort nonostante tempe- ratura e umidità siano nei ranghi ideali. Un sistema HVAC efficiente gestisce quindi anche il ricambio e la filtrazione dell’aria per assicurare ambienti salubri. Oltre a questi parametri oggettivi, vanno considerate variabili soggettive come il metabolismo indivi- duale, il livello di attività svolta e l’abbigliamento: ad esempio, una persona seduta in abiti leggeri avrà comfort con temperature più alte rispetto a chi svolge attività fisica o indossa indumenti pesanti. I mo- derni standard di comfort termico, come la norma ISO 7730 e lo standard ASHRAE 55, tengono conto sia dei parametri ambientali sia di quelli personali per definire condizioni accettabili di benessere. Tali norme introducono indici come il PMV (Predicted Mean Vote) – che predice la sensazione termica media di un insieme di persone – e il PPD (Predicted Percentage of Dissatisfied) – che stima la percentuale di indivi- dui insoddisfatti nelle condizioni date. In generale, un ambiente può dirsi confortevole quando il PMV si mantiene vicino allo zero (neutralità termica) e il PPD è basso (ad esempio <10%) . Secondo ASHRAE 55, la “comfort zone” è l’insieme di combinazioni di temperatura e umidità relativa per cui PMV è compreso tra -0,5 e +0,5, corrispondente appunto a meno del 10% di persone insoddisfatte.

IMPIANTI HVAC PER EDIFICI INTELLIGENTI

2.2.1. Benessere bioclimatico

I metodi di analisi bioclimatica stabiliscono i limiti della zona di benessere termico in funzione del tipo di attività svolta e dell’abbigliamento adottato. Questa zona rappresenta l’intervallo di condizioni ambientali in cui oltre l’80% delle persone percepisce una sensazione di comfort.

I principali strumenti di rappresentazione sono: • Il diagramma bioclimatico di Olgyay • Il diagramma psicrometrico-bioclimatico di Milne-Givoni

Il Diagramma Bioclimatico di Olgyay

Nel 1963, Olgyay ha sintetizzato numerose ricerche sul comfort termico in un diagramma che tiene conto di variabili ambientali come: • Temperatura dell’aria • Umidità relativa • Movimento dell’aria • Calore radiante

Oltre a fattori soggettivi: • Attività fisica svolta • Abbigliamento • Grado di acclimatamento

Il comfort, secondo Olgyay, è “la condizione in cui non si avverte alcuna sensazione di disagio”. Nel centro del diagramma si trova la zona di comfort, mentre nelle aree circostanti vengono suggerite azioni cor- rettive per rientrare in essa. La zona invernale è collocata più in basso rispetto a quella estiva, in quanto sono tollerate temperature inferiori.

Esempi di interpretazione:

01 Diagramma Bioclimatico di Olgyay

50°

PROBABILE INSOLAZIONE

45°

40°

35°

TMR

25° 2

26°

30°

27° 28°

25°

m/s vent.

ZONA DI COMFORT

TMR

0,75 1,25 2,00 3,00 4,00

linea d’ombra

0,5 0

21°

linea d’ombra

20°

22°

23° 24°

15°

w di radiazione

10°

5°

linea di collegamento

0°

4,5

-5°

TMR: tempertura media di radiazione

-10°

100

UMIDITÀ RELATIVA %

BENESSERE IGROMETRICO E PRINCIPALI TIPOLOGIE DI IMPIANTO

• Se il punto corrispondente alle condizioni ambientali (temperatura e umidità) si trova sopra la zona di comfort, è richiesta ventilazione. • In condizioni di caldo secco, la ventilazione è poco efficace: si preferisce il raffrescamento evaporativo, che richiede l’aggiunta di umidità all’ambiente. • Il diagramma include anche:

- Una linea limite di attività moderata, oltre la quale l’attività fisica diventa sconsigliata. - Una linea di rischio colpo di calore.

Carta Bioclimatica di Givoni

La carta di Givoni è uno strumento progettuale che indica le strategie da adottare per riportare le condi- zioni ambientali entro la zona di comfort.

02 Carta Bioclimatica di Givoni

UMIDITÀ RELATIVA

20 %

CONFORT

10 %

-5

TEMPERATURA A BULBO SECCO °C

Di seguito una sintesi delle aree presenti nella carta (rif. Architecture solaire passive pour la région méditerranéenne):

COMFORT: Nessun intervento richiesto, salvo ombreggiamento in estate e isolamento in inverno. (A) Riscaldamento convenzionale: Condizioni troppo fredde, è necessario un sistema a combustibile. (B) Riscaldamento solare attivo: Può essere sufficiente con un sistema di supporto. (C) Riscaldamento solare passivo: Richiede buon isolamento; può servire un’integrazione in caso di maltempo. (D) Guadagni interni: Il calore prodotto da persone e apparecchi è sufficiente. (E) Ventilazione: Necessaria per garantire evaporazione e comfort con alte temperature e umidità. (F) Umidificazione: Oltre al riscaldamento, serve aggiungere umidità all’aria. (G) Inerzia termica: Climi caldi con notti fredde; si raffresca di notte per sfruttare il fresco di giorno. (H) Inerzia termica + ventilazione: Notti troppo calde per raffrescare; serve ventilazione attiva/passiva. (I) Condizionamento dell’aria: I sistemi naturali non bastano; è richiesto un impianto meccanico. (J) Raffrescamento evaporativo: Possibile attraverso fontane, nebulizzatori, ecc.

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Utilizzo dei diagrammi bioclimatici nella pratica progettuale

I diagrammi bioclimatici rappresentano uno strumento fondamentale sia in fase di analisi che di progetta- zione, consentendo di valutare in modo oggettivo le condizioni di benessere termo-igrometrico all’interno di un ambiente. Nella pratica, è necessario partire dalla rilevazione dei parametri climatici misurabili - come temperatura dell’aria, umidità relativa, velocità del vento e radiazione solare - per poi confrontarli con i valori di riferimento indicati nei diagrammi (Olgyay, Givoni, psicrometrico). Questo confronto consente di capire se l’ambiente analizzato ricade all’interno della cosiddetta zona di comfort, ovvero quell’intervallo di condizioni in cui la maggior parte delle persone (oltre l’80%) percepisce una sensazione termica gradevole. Tuttavia, la semplice presenza all’interno della zona di comfort non garantisce automaticamente il benes- sere percepito. Alcuni fattori secondari, se trascurati, possono comprometterlo: ad esempio, un’eccessiva velocità dell’aria può generare fastidio o raffreddamento localizzato; un’umidità troppo bassa può causare secchezza delle mucose e disidratazione; forti gradienti termici tra zone diverse dell’ambiente possono provocare malessere; infine, una ventilazione eccessiva o mal direzionata può disturbare l’occupante anche in presenza di temperatura ottimale. Durante la fase progettuale di edifici o impianti HVAC, l’uso di questi diagrammi permette di prevedere strategie passive e soluzioni architettoniche per sfruttare al meglio le condizioni climatiche locali (orien- tamento, ombreggiamenti, materiali ad alta inerzia, ventilazione naturale). L’obiettivo è quello di ridurre al minimo il ricorso a impianti meccanici come riscaldamento o condizionamento, promuovendo un’ar- chitettura energeticamente efficiente, resiliente e centrata sul comfort umano. 2.3. Principali tipologie di impianto HVAC Esistono numerose configurazioni impiantistiche per ottenere il comfort termoigrometrico negli edifici. Ciascuna tipologia di impianto HVAC presenta caratteristiche tecniche specifiche, con propri vantaggi, svantaggi e campi di applicazione. Di seguito presentiamo una panoramica delle principali categorie di impianto:

• Impianti tutto aria • Impianti ad acqua • Impianti misti (aria + acqua) • Sistemi decentralizzati (unità autonome)

2.3.1. Impianti tutto aria

03 Impianto tutto aria

BENESSERE IGROMETRICO E PRINCIPALI TIPOLOGIE DI IMPIANTO

Gli impianti ad aria veicolano tutta l’energia termica attraverso aria trattata. In questi sistemi, un’unità di trattamento aria (UTA) centralizzata condiziona l’aria (riscaldandola o raffreddandola, e regolando l’umidità) e la distribuisce negli ambienti tramite canalizzazioni e diffusori. L’aria di mandata, una volta immessa nei locali, provvede sia al controllo della temperatura sia alla ventilazione degli spazi occupati. A differenza dei sistemi ad acqua, infatti, gli impianti tutto aria possono gestire contemporaneamente temperatura e umidità relativa dell’ambiente, deumidificando o umidificando l’aria trattata secondo necessità. Un impianto ad aria può servire una singola zona (ad esempio una grande sala open space) oppure essere multizona, rifornendo molteplici ambienti con esigenze diverse attraverso canalizzazioni sepa- rate. Nei sistemi multizona l’aria può essere distribuita a temperatura variabile per ogni zona (tramite serrande di miscelazione o batterie di post-riscaldamento), oppure – più comunemente nelle applica- zioni moderne – a portata variabile. In un impianto a portata d’aria costante (CAV), il volume di aria immesso è fisso e il controllo della temperatura ambiente avviene modulando la temperatura dell’aria stessa; in un impianto a portata variabile (VAV), invece, la temperatura di mandata è mantenuta pres- soché costante e si varia la portata (volume d’aria) fornita ad ogni ambiente in base al carico termico. I sistemi VAV risultano in genere più efficienti, perché adeguano il flusso d’aria alle reali necessità: mediamente un impianto VAV lavora a portate d’aria intorno al 60% della portata massima, ottenendo notevoli risparmi energetici rispetto a un sistema CAV equivalente.

04 ABB Cylon CBV

Di contro, i VAV richiedono una regolazione più fine e presentano una maggiore complessità di con- trollo. I sistemi tutto aria si utilizzano tipicamente in edifici terziari di medio-grandi dimensioni (uffici open-space, ospedali, centri commerciali, teatri, ecc.), dove è necessario trattare grandi volumi d’aria per il ricambio e dove lo spazio per le canalizzazioni è disponibile. Il vantaggio principale è la possibilità di garantire un’elevata qualità dell’aria indoor con un controllo preciso dell’umidità; lo svantaggio può risiedere negli ingombri maggiori (canali aeraulici) e nel potenziale rumore o correnti d’aria se il progetto non è eseguito a regola d’arte.

2.3.2. Impianti ad acqua

Negli impianti ad acqua (anche detti sistemi idronici), il fluido termovettore che trasferisce il calore è l’acqua calda o refrigerata. Un generatore centrale – tipicamente una caldaia, una pompa di calore o un chiller (gruppo frigorifero) – riscalda o raffredda l’acqua, che viene poi distribuita agli ambienti tramite tubazioni. Nei locali da climatizzare sono installati terminali come i fan-coil (ventilconvettori), le travi fredde o i pannelli radianti, che scambiano calore con l’aria ambiente utilizzando l’acqua come mezzo intermedio. A differenza dei sistemi tutto aria, i terminali idronici agiscono principalmente sulla tempe- ratura dei locali, mentre non provvedono direttamente alla ventilazione: per garantire il ricambio d’aria è spesso abbinato un sistema di aerazione (ad esempio un’unità di ventilazione meccanica controllata per immettere aria primaria fresca). Fan-coil: è il terminale idronico più comune: utilizza uno scambiatore attraversato da acqua calda o fred- da e un ventilatore che forza il passaggio dell’aria per riscaldare o raffrescare l’ambiente. Offre buona potenza in dimensioni compatte, ma comporta consumo elettrico, rumorosità e la necessità di gestire la condensa in raffrescamento. Richiede inoltre acqua molto fredda, che riduce l’efficienza del chiller e aumenta i costi di deumidificazione. Va progettato con attenzione per garantire comfort acustico e termico, spesso tramite controlli elettronici e termostati ambiente.

IMPIANTI HVAC PER EDIFICI INTELLIGENTI

Travi fredde: sono terminali idronici da soffitto che raffrescano (o riscaldano) l’ambiente tramite uno scambiatore attraversato da acqua. Nella versione attiva, integrano anche una piccola quantità di aria primaria, generando un effetto di induzione che migliora lo scambio termico senza l’uso di ventilatori locali, garantendo funzionamento silenzioso ed efficiente. Operano in raffrescamento a secco, con acqua a temperatura superiore al punto di rugiada (15–18 °C), evitando la formazione di condensa e migliorando l’efficienza energetica del sistema. Tuttavia, rispetto ai fan coil, hanno capacità frigorifera inferiore e richiedono controllo preciso dell’umidità ambientale. Sono ideali in ambienti come uffici e aule, dove il comfort acustico e la manutenzione ridotta sono prioritari. Le versioni passive (senza aria primaria) sono meno diffuse e funzionano solo per raffrescamento per convezione naturale. Pannelli radianti: sono sistemi in cui l’acqua calda o fredda circola in tubazioni inserite in pavimenti, soffitti o pareti, oppure in moduli radianti a soffitto. Regolano la temperatura tramite irraggiamento, scambiando calore con le persone e l’ambiente circostante attraverso superfici ampie e uniformi. Offrono un elevato livello di comfort (niente aria forzata, silenziosità, temperatura omogenea) e ottima efficienza energetica, poiché funzionano con acqua a temperature moderate (30–40 °C per riscaldamento, 15–18 °C per raffrescamento). Di contro, non gestiscono il ricambio d’aria e richiedono deumidificazione ausiliaria in estate per evitare condensa. Inoltre, hanno elevata inerzia termica, quindi rispondono lentamente ai cambi di temperatura e necessitano di regolazioni anticipate. Sono ideali in edifici residenziali e di pre- stigio dove il comfort acustico e ambientale è fondamentale. In sintesi, i sistemi ad acqua presentano il vantaggio di unità terminali compatte nell’ambiente, grande flessibilità (ogni locale ha il suo terminale controllabile) e spesso costi installativi inferiori per grandi edi- fici (l’acqua ha una capacità termica maggiore dell’aria; quindi, le tubazioni sono più piccole dei condotti aeraulici equivalenti). Offrono inoltre inerzia termica che può contribuire alla stabilità della temperatura. Di contro, non controllando direttamente ventilazione e umidità, vanno quasi sempre integrati con un si- stema di aria primaria per il rinnovo e la deumidificazione dell’aria. La presenza di acqua comporta anche potenziali rischi di perdite e una manutenzione concentrata su pompe, valvole e generatori.

2.3.3. Impianti misti (aria + acqua)

Come intuibile, gli impianti misti combinano le due tipologie precedenti, nel tentativo di sfruttarne i vantaggi complementari. In un sistema misto coesistono sia componenti tutto aria sia terminali idronici locali. Tipicamente, l’aria trattata viene utilizzata principalmente per garantire la qualità dell’aria indoor (ventilazione, filtrazione e controllo dell’umidità), mentre la componente ad acqua provvede al bilancia- mento termico degli ambienti (carico di riscaldamento/raffrescamento).

Un esempio classico di impianto misto è dato dall’abbinamento di un sistema aria primaria con terminali fan-coil in ambiente: l’UTA centrale fornisce ad ogni locale una certa quantità di aria esterna pulita e deumidificata (a temperatura neutra), sufficiente a coprire il fabbisogno di ventilazione, mentre i ventil- convettori in ciascun ambiente gestiscono il mantenimento della temperatura desiderata. In questo modo si ottiene un controllo completo sia del clima che della salubrità dell’aria. Un altro esempio sono proprio le travi fredde attive menzionate in precedenza, che richiedono sempre un apporto di aria primaria: le travi provvedono al raffrescamento locale per induzione, mentre l’aria primaria assicura il

BENESSERE IGROMETRICO E PRINCIPALI TIPOLOGIE DI IMPIANTO

ricambio d’aria e asporta l’umidità in eccesso. Anche i sistemi a pannelli radianti sono spesso configurati in impianti misti, abbinando pannelli a soffitto o pavimento per il carico termico e unità di ventilazione dedicate per l’aria di rinnovo e la deumidificazione. Gli impianti misti aria-acqua sono oggi molto diffusi negli edifici ad alte prestazioni, poiché consentono di ottimizzare il meglio dei due mondi: ad esempio, rispetto a un tutto aria, possono ridurre i volumi di aria da muovere (con risparmio energetico sui ventilatori e sezioni di trattamento aria più compatte) e miglio- rare il comfort acustico; rispetto a un sistema solo acqua, assicurano un controllo completo di umidità e qualità dell’aria. La complessità impiantistica risulta però maggiore, dovendo gestire due reti (canali aria e tubazioni acqua) e coordinare il controllo tra parte aria e parte acqua. Una progettazione accurata e un sistema di supervisione (BMS) sono fondamentali per sfruttare appieno i benefici degli impianti misti.

2.3.4. Sistemi decentralizzati (unità autonome)

Accanto ai grandi impianti centralizzati, esiste un’ampia famiglia di soluzioni HVAC decentralizzate, in cui il condizionamento è affidato a unità compatte poste localmente, senza un unico generatore centrale al servizio di tutto l’edificio. Queste soluzioni sono spesso scelte per edifici di piccola e media dimensione, per applicazioni residenziali o come retrofit in edifici esistenti dove non è presente una rete di distribu- zione centralizzata.

05 Sistema decentralizzato

Un esempio tipico sono i condizionatori split e multi-split : sistemi a espansione diretta in cui il fluido refrigerante viene compresso e condensato in un’unità esterna e inviato direttamente alle unità interne installate nei vari locali. Ogni unità interna (split) contiene una batteria attraverso cui il refrigerante evapora (in raffreddamento) o condensa (in riscaldamento), scambiando calore con l’ambiente. I sistemi mono-split collegano una singola unità interna a una esterna (adatti per climatizzare un singolo ambiente), mentre i multi-split consentono di collegare più unità interne a un unico compressore esterno. Queste soluzioni decentralizzate hanno il vantaggio di una notevole semplicità impiantistica (niente centrali termiche o tubazioni idroniche) e costi iniziali contenuti; inoltre, permettono di controllare in modo indipendente ogni ambiente tramite telecomando o termostato locale. Sono molto utilizzate nel settore residenziale (ad esempio negli appartamenti, dove ogni stanza può avere il suo split) e in piccoli uffici o negozi. Di contro, quando il numero di ambienti climatizzati cresce, la moltiplicazione di unità esterne e interne può diven- tare poco efficiente e antiestetica, e la manutenzione di tanti dispositivi separati può risultare onerosa.

IMPIANTI HVAC PER EDIFICI INTELLIGENTI

Inoltre, gli split tradizionali gestiscono solo aria/temperatura: non ricambiano l’aria (se non prelevandola dalla stessa stanza) e quindi non migliorano l’IAQ se non abbinati a sistemi di ventilazione dedicati.

Evoluzione dei multi-split sono i sistemi VRF/VRV (Variable Refrigerant Flow/Volume) , nei quali un’unica rete di tubazioni frigorifere collega numerose unità interne a uno o più gruppi esterni, con la possibilità di modulare in continuo il flusso di refrigerante verso ciascun locale. Il principio di funzionamento è sempre quello della pompa di calore a espansione diretta, ma grazie a compressori inverter e valvole di regolazio- ne elettroniche, il VRF adatta la portata di refrigerante in base alle richieste termiche delle singole zone. Ciò consente di servire un elevato numero di ambienti con un solo sistema, ottenendo climatizzazione multizona altamente flessibile. I VRF possono funzionare sia in raffrescamento sia in riscaldamento; al- cune configurazioni a recupero di calore sono in grado di raffrescare e riscaldare contemporaneamente ambienti diversi, trasferendo il calore dalle zone in freddo a quelle in caldo tramite appositi scambiatori. I vantaggi principali di questa tecnologia sono la personalizzazione del clima in ogni ambiente (ogni unità interna è regolabile indipendentemente) e l’assenza di un fluido intermedio: l’energia termica viene fornita o rimossa direttamente nel locale, senza perdite di scambio con circuiti idronici. Ciò si traduce spesso in un’ottima efficienza energetica, specialmente a carico parziale, e nella possibilità di modularità: i sistemi VRF sono scalabili e adatti sia a edifici medio-piccoli che a grandi strutture con decine di zone (uffici multi-piano, hotel, ospedali). Alcuni VRF possono collegare l’unità esterna alle interne con tuba- zioni molto estese (fino a >100 metri), offrendo grande flessibilità progettuale. Di contro, l’installazione e la progettazione di un VRF richiede competenze specifiche (calcolo accurato delle tubazioni, gestione dell’olio lubrificante, rispetto delle normative sui refrigeranti F-Gas). Inoltre, la dipendenza da refrige- rante come fluido termovettore impone limiti sulla carica massima ammissibile all’interno degli edifici per ragioni di sicurezza. Oltre agli split e VRF, rientrano nei sistemi decentralizzati anche le pompe di calore autonome (ad esem- pio le unità rooftop o i sistemi packaged): apparecchi monoblocco installati in copertura o a parete, che integrano al loro interno compressore, batterie di scambio e ventilatori per distribuire direttamente aria trattata nell’ambiente. Ogni unità opera autonomamente su una zona specifica. Questo tipo di soluzione è frequente in capannoni industriali, piccoli supermercati, ristoranti o edifici senza impianto centralizzato, in cui si installano uno o più rooftop per climatizzare ciascun volume. Le unità autonome sono relativamente semplici da installare e possono essere accese/spente in base all’utilizzo dei locali, garantendo flessibilità d’esercizio. D’altro canto, possono risultare meno efficienti di un sistema centralizzato ben progettato (ogni unità ha il proprio compressore, senza condivisione ottimizzata del carico) e possono introdurre più rumore nell’ambiente servito, trovandosi spesso vicine agli occupanti. La manutenzione distribuita su molte unità è un ulteriore fattore da considerare. In sintesi, la scelta tra impianti centralizzati (aria, acqua o misti) e decentralizzati dipende da variabili come le dimensioni e la destinazione d’uso dell’edificio, il budget, la necessità di controllo fine per zona, la disponibilità di spazio tecnico e le preferenze in termini di efficienza e manutenzione. Ogni tipologia presenta pro e contro: gli impianti centralizzati offrono in genere un controllo più integrato e potenzial- mente maggiori efficienze su larga scala, mentre le soluzioni decentralizzate brillano per semplicità e indipendenza operativa delle singole zone. Spesso, nelle realizzazioni pratiche, si adottano combinazioni di queste soluzioni (ad esempio VRF per uffici + ventilazione centralizzata, oppure pannelli radianti + split in supporto, ecc.) per soddisfare al meglio le esigenze specifiche di comfort ed esercizio. 2.4. Evoluzione Digitale e Sostenibile degli Impianti HVAC Il settore HVAC è in continua evoluzione per rispondere alle sfide poste dalla transizione digitale e dalla necessità di una maggiore sostenibilità ambientale. Da un lato, la digitalizzazione e l’automazione stanno rivoluzionando la gestione degli impianti; dall’altro, cresce la richiesta di soluzioni più efficienti e integrate per ridurre i consumi e l’impatto ambientale. Gli edifici tendono così a diventare sempre più intelligenti, connessi e a basso impatto energetico. Tra le tendenze più significative spicca la diffusione dell’Internet of Things (IoT) e dei sistemi di controllo digitali. Gli impianti moderni utilizzano reti di sensori ambientali (temperatura, umidità, CO₂, presenza, ecc.) che forniscono dati in tempo reale. Queste informazioni alimentano algoritmi in grado di modulare automaticamente il funzionamento degli impianti HVAC, adattando parametri come la portata d’aria o il setpoint di climatizzazione in base all’occupazione o alla qualità dell’aria.

BENESSERE IGROMETRICO E PRINCIPALI TIPOLOGIE DI IMPIANTO

Il risultato è un comfort ottimizzato e una significativa riduzione dei consumi, impensabile con i vecchi sistemi a regolazione fissa. Inoltre, la connettività consente monitoraggio e controllo da remoto, miglio- rando l’efficienza operativa e la capacità di intervento. Un'evoluzione ulteriore è rappresentata dall’intelligenza artificiale (AI) e dal controllo predittivo. Grazie al machine learning, i sistemi HVAC possono apprendere dai dati storici e dalle condizioni esterne per anticipare i fabbisogni: ad esempio, prevedendo l’aumento di temperatura legato all’irraggiamento so- lare e intervenendo in anticipo per evitare picchi di carico. Questo tipo di ottimizzazione può portare a risparmi energetici fino al 25% e a una riduzione dell’impronta carbonica tra il 20 e il 40%, migliorando al contempo il benessere degli occupanti. Altro elemento chiave è la crescente interoperabilità tra sottosistemi dell’edificio: climatizzazione, illumi- nazione, controllo accessi, sicurezza e antincendio possono ora dialogare tra loro attraverso BMS integrati e protocolli di comunicazione standardizzati (es. BACnet, KNX, Modbus). Un sistema di gestione unificato consente, ad esempio, di coordinare climatizzazione e schermature solari in base all’irraggiamento e all’occupazione, o di attivare il ricambio d’aria solo quando necessario. Tutte le informazioni convergono in una piattaforma centralizzata, abilitando diagnostica avanzata, manutenzione predittiva e una gestione più consapevole dei consumi.

06 ABB Cylon FBXi Series

La sostenibilità ambientale resta un obiettivo primario. L’attenzione alle normative su edifici a energia quasi zero (NZEB), all’uso di refrigeranti naturali e alle energie rinnovabili sta guidando l’adozione di soluzioni sempre più efficienti: motori elettrici ad alte prestazioni, ventilatori e pompe a velocità variabile, sistemi di recupero di calore, free-cooling e pompe di calore geotermiche. Anche la progettazione dell’involucro edilizio riveste un ruolo centrale nella riduzione dei carichi termici e quindi nel miglioramento dell’efficienza complessiva. Sistemi evoluti di regolazione e azionamenti intelligenti permettono di adattare finemente il funzionamento dei componenti, evitando sprechi e ottimizzando l’uso dell’energia. Sta emergendo infine il concetto di intelligenza distribuita, secondo cui i dispositivi periferici (come valvole smart, controllori di zona o VAV, termostati digitali) sono dotati di logica locale e comunicano direttamente in rete. Questo approccio riduce la latenza, consente una risposta più rapida alle condizioni ambientali e garantisce continuità operativa anche in caso di disconnessione dalla supervisione centrale. I vari dispositivi possono così cooperare e regolare in autonomia i parametri locali, migliorando resilienza ed efficienza. In conclusione, il comfort termoigrometrico dipende da un equilibrio tra tecnologie impiantistiche, qualità dell’aria e controllo dinamico dei parametri ambientali. I moderni sistemi HVAC — siano essi ad aria, ad acqua, centralizzati o decentralizzati — offrono soluzioni sempre più mirate e adattabili ai diversi con- testi applicativi. L’integrazione tra automazione, IoT, AI e gestione energetica consente oggi di ottenere livelli di comfort, efficienza e sostenibilità un tempo impensabili. Progettisti, installatori e gestori hanno a disposizione strumenti avanzati per creare ambienti più salubri, intelligenti e rispettosi del pianeta.

Nota: Il rendimento superiore al 100% è calcolato in riferimento al Potere Calorifico Inferiore (PCI) del combustibile.

IMPIANTI HVAC PER EDIFICI INTELLIGENTI

03 MACCHINE PER LA PRODUZIONE DEL CALDO E DEL FREDDO

INDICE

022

3.1. Introduzione

022

3.2. Macchine per la produzione del caldo

3.2.1. Caldaie (tradizionali e a condensazione)

3.2.2. Pompe di calore per riscaldamento

3.2.3. Teleriscaldamento

3.2.4. Sistemi ibridi (pompa di calore + caldaia)

3.2.5. Biomassa e solare termico (accenni)

028

3.3. Macchine per la produzione del freddo

3.3.1. Chiller aria-acqua e acqua-acqua (gruppi frigoriferi)

3.3.2. Pompe di calore in raffrescamento

3.3.3. Sistemi a espansione diretta (split, VRF)

3.3.4. Free cooling

033

3.4. Criteri di scelta e confronto

3.4.1. Efficienza (COP, EER, SCOP, SEER)

3.4.2. Flessibilità operativa

(modularità, inverter, adattamento al carico)

3.4.3. Tipologie di edificio

(residenziale, commerciale, industriale)

3.4.4. Integrazione con fonti rinnovabili e sistemi di accumulo

037

3.5. Conclusione

IMPIANTI HVAC PER EDIFICI INTELLIGENTI

MACCHINE PER LA PRODUZIONE DEL CALDO E DEL FREDDO

3.1. Introduzione Negli impianti HVAC (Heating, Ventilation and Air Conditioning) le macchine termiche e frigorifere svolgo- no un ruolo fondamentale nel mantenere le condizioni di comfort termoigrometrico. Queste “macchine” sono responsabili di fornire energia termica (caldo) durante la stagione invernale e energia frigorifera (freddo) durante l’estate. La progettazione di tali sistemi richiede di bilanciare efficienza energetica, affidabilità e dimensionamento: l’impianto deve essere abbastanza potente da coprire i picchi di carico ma senza grossi sovradimensionamenti che penalizzerebbero il rendimento. Un eccesso di capacità, infatti, può portare a cicli di accensione/spegnimento troppo frequenti e funzionamento in regime inef- ficiente, mentre un dimensionamento preciso unito a soluzioni modulari o variabili permette di adattare la fornitura di caldo/freddo al reale fabbisogno. In parallelo, l’affidabilità del sistema è cruciale: l’uso di ridondanze (ad esempio più unità in parallelo) o sistemi ibridi garantisce continuità di servizio anche in caso di guasti o condizioni climatiche estreme. In sintesi, le macchine HVAC costituiscono il “cuore” degli impianti di climatizzazione, e la scelta oculata tra le diverse tecnologie disponibili consente di ottenere ambienti confortevoli minimizzando i consumi energetici e le emissioni. 3.2. Macchine per la produzione del caldo Le macchine per la generazione di calore negli impianti HVAC servono principalmente al riscaldamento degli ambienti e alla produzione di acqua calda sanitaria (ACS). Negli edifici tradizionali il calore veniva fornito quasi esclusivamente da caldaie alimentate a combustibili fossili (gas naturale, gasolio), mentre oggi si dispone di una gamma più ampia di soluzioni comprendente pompe di calore elettriche, sistemi centralizzati come il teleriscaldamento, nonché opzioni rinnovabili (biomasse, solare termico). Di seguito presentiamo le principali tipologie di macchine per il caldo, con il loro funzionamento di base, l’efficienza, i pro e contro e gli scenari applicativi tipici.

3.2.1. Caldaie (tradizionali e a condensazione)

07 Processo di cobustione nella caldaia

gas di combustione

flusso di aria calda

come va l'acqua al radiatore

acqua fredda di ritorno dai radiatori

gas

aria

l'acqua condensata va nello scarico

MACCHINE PER LA PRODUZIONE DEL CALDO E DEL FREDDO

Le caldaie trasformano l’energia chimica di un combustibile in calore mediante un processo di combu- stione, riscaldando l’acqua che poi viene distribuita ai corpi scaldanti (termosifoni, pannelli radianti, unità ventilanti, etc.). Nelle caldaie tradizionali a gas , i fumi caldi generati dalla combustione vengono espulsi tramite il camino, e con essi si perde una parte significativa del calore prodotto. In una caldaia standard di vecchia generazione, infatti, fino al 10-15% dell’energia può disperdersi nei fumi, limitando l’efficienza massima attorno all’85%. Le caldaie a condensazione , introdotte su larga scala negli ultimi decenni, migliorano drasticamente questo aspetto recuperando il calore latente del vapore acqueo presente nei fumi di scarico. Nei modelli a condensazione i fumi vengono raffreddati all’interno di uno scambiatore aggiuntivo fino a far condensare il vapore, cedendo così calore all’acqua di ritorno dell’impianto. Questo consente rendimenti termici ben superiori a quelli delle caldaie tradizionali, con valori tipici che sfiorano il 100% o addirittura lo superano (98–110% rispetto al potere calorifico inferiore). In termini pratici, una caldaia a condensazione consuma meno combustibile per fornire la stessa quantità di calore utile, con un risparmio energetico che può arrivare al 15–30% rispetto a una caldaia convenzionale e conseguenti riduzioni delle emissioni di CO₂ e altri inquinanti. Di contro, le caldaie a condensazione richiedono uno smaltimento dell’acqua di condensa prodotta e rendono al meglio in impianti a basse temperature (es. riscaldamento a pavimento) dove massimizzano la condensazione; nei sistemi con radiatori tradizionali funzionanti ad alta temperatura, il guadagno di efficienza si riduce. In generale, oggi la caldaia a gas a condensazione rappresenta ancora la scelta prevalente per il riscaldamento domestico e piccolo-com- merciale quando non si adottano soluzioni in pompa di calore, grazie alla sua affidabilità, compattezza e costo iniziale relativamente basso. Le evoluzioni moderne includono bruciatori modulanti e controlli avanzati che migliorano la flessibilità operativa, adattando la potenza termica erogata al carico ed evi- tando continui spegnimenti.

3.2.2. Pompe di calore per riscaldamento

Le pompe di calore sono macchine in grado di trasferire calore da una sorgente a bassa temperatura (aria esterna, acqua di falda, terreno) all’acqua dell’impianto di riscaldamento, sfruttando un ciclo ter- modinamico alimentato da energia elettrica . A differenza di una caldaia, dunque, una pompa di calore non genera calore tramite combustione ma “pompa” energia termica da una sorgente naturale all’edificio per effetto del lavoro di un compressore frigorifero. Questo processo è analogo a quello di un comune frigorifero domestico, ma applicato al riscaldamento degli ambienti: un fluido refrigerante circola in un circuito chiuso attraverso evaporatore, compressore, condensatore ed espansione, trasferendo calore dall’esterno (che nonostante le basse temperature invernali contiene sempre energia termica utilizzabile) all’acqua dell’impianto interno. Il grande vantaggio delle pompe di calore è la loro efficienza energetica: riescono a fornire più energia termica di quanta ne consumino sotto forma di elettricità, poiché la maggior parte del calore erogato è prelevato dall’ambiente esterno e solo una frazione deriva dall’energia elettrica spesa per il ciclo.

IMPIANTI HVAC PER EDIFICI INTELLIGENTI

08 Pompe di calore per riscaldamento

L’efficienza istantanea di una pompa di calore si misura attraverso il coefficiente di prestazione (COP, Co- efficient of Performance), definito come il rapporto tra la potenza termica fornita all’impianto e la potenza elettrica assorbita dal compressore. Ad esempio, un COP = 4 indica che con 1 kW di elettricità la macchina fornisce 4 kW di calore; la differenza (3 kW in questo caso) proviene dall’energia termica “gratuita” sottrat- ta alla sorgente esterna. In condizioni ottimali (ad esempio aria esterna a +7 °C e impianto a pavimento radiante a 35 °C) le moderne pompe di calore aria-acqua raggiungono COP anche di 4–5, significando un rendimento del 400–500% rispetto all’energia primaria elettrica impiegata. Ovviamente il COP effettivo varia al variare delle temperature di lavoro: con clima più rigido o se è richiesta acqua a temperatura elevata (es. 60–70 °C per radiatori tradizionali), l’efficienza scende. Per tener conto delle variazioni stagionali, si usa il parametro SCOP (Seasonal COP), che rappresenta il COP medio ponderato sull’intera stagione di riscaldamento. In ogni caso, installare una pompa di calore al posto di una caldaia può portare riduzioni dei consumi dal 30% fino al 70% a parità di calore fornito, specialmente se abbinata a fonti rinnovabili. Dal punto di vista ambientale, inoltre, la pompa di calore non brucia combustibili fossili, non emette direttamente CO₂ né altri inquinanti in sito – un beneficio importante per la qualità dell’aria urbana e la riduzione dei gas serra, soprattutto se l’energia elettrica impiegata proviene da fonti rinnovabili. Le pompe di calore per riscaldamento trovano impiego sia in ambito residenziale che nel terziario. Le più diffuse sono quelle aria-acqua , costituite da un’unità esterna che scambia calore con l’aria ambiente (prelevando calore dall’aria in inverno) e da un’unità interna con scambiatore acqua/refrigerante che ri- scalda l’acqua dell’impianto. Esistono poi pompe di calore geotermiche (acqua-acqua o salamoia-acqua), che scambiano calore con il terreno o con acque sotterranee: queste hanno rendimenti molto alti e stabili (poiché la temperatura del sottosuolo resta pressoché costante tutto l’anno) ma richiedono costosi sistemi di captazione (sonde geotermiche verticali o orizzontali, perforazioni, ecc.). In contesti condominiali o commerciali sono usate anche pompe di calore aria-aria (ad espansione diretta), dove il fluido refrigerante circola direttamente nei terminali interni e cede calore all’aria ambiente tramite batterie alettate – concettualmente simili ai comuni climatizzatori split, ma reversibili in pompa di calore. Va notato che, al di sotto di certe temperature esterne, l’efficienza delle pompe di calore aria-acqua/ aria-aria cala sensibilmente e può rendersi necessario integrare la fornitura di calore con resistenze elet- triche ausiliarie o sistemi ibridi. Nonostante ciò, grazie ai progressi tecnici (circuiti a iniezione di vapore, refrigeranti migliorati, inverter, ecc.) molte pompe di calore aria-acqua moderne riescono a operare anche con aria esterna a –20 °C, garantendo una quota significativa del riscaldamento in climi rigidi. In sintesi, la pompa di calore rappresenta un pilastro della elettrificazione del riscaldamento: consente di utilizzare energia elettrica (potenzialmente rinnovabile) per climatizzare gli edifici, con efficienze elevate e benefici ambientali evidenti nel lungo termine.

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