ITCT20120013A1 - Dispositivo e metodo per il condizionamento dell'aria - Google Patents

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ITCT20120013A1
ITCT20120013A1 IT000013A ITCT20120013A ITCT20120013A1 IT CT20120013 A1 ITCT20120013 A1 IT CT20120013A1 IT 000013 A IT000013 A IT 000013A IT CT20120013 A ITCT20120013 A IT CT20120013A IT CT20120013 A1 ITCT20120013 A1 IT CT20120013A1
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conditioned
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IT000013A
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Marco Beccali
Pietro Finocchiaro
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Pietro Finocchiaro
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Description

Descrizione annessa alla domanda di brevetto per invenzione industriale, avente per titolo: "DISPOSITIVO E METODO PER IL CONDIZIONAMENTO DELL'ARIA"
La presente invenzione trova applicabilità nel settore tecnico dei sistemi per il trattamento dell'aria e ha per oggetto un dispositivo per il condizionamento dell'aria alimentato ad energia solare utilizzabile a servizio di locali per il loro raffrescamento, riscaldamento e/o deumidificazione. L'invenzione riguarda anche un metodo di condizionamento dell'aria realizzabile con il detto dispositivo.
I più diffusi dispositivi per il condizionamento dell'aria utilizzabili all'interno di locali di dimensioni relativamente contenute, quali ad esempio vani di abitazioni, comunemente denominati "split", comprendono una prima unità installabile all'interno del locale da climatizzare ed atta ad essere collegata ad una seconda unità posta esternamente al locale, generalmente in ambiente aperto, per consentire lo scambio di calore con l'aria esterna.
Generalmente, i condizionatori di questo tipo sono alimentati esclusivamente con energia elettrica ed operano secondo un ciclo frigorifero a compressione di vapore per poter immettere nel locare da climatizzare aria deumidificata e raffreddata, effettuando eventualmente una filtrazione dell'aria in ingresso che risulta tuttavia alquanto limitata.
Nell'ambito dei sistemi di climatizzazione ad essiccazione, comunemente noti sotto il nome Evaporative Desiccant Cooling (DEC) esistono dispositivi più complessi che prevedono l'impiego di scambiatori rotativi adsorbenti per mezzo dei quali à ̈ possibile attivare un ciclo di raffreddamento di tipo aperto ottenendo come risultato la deumidificazione e il raffreddamento dell'aria di processo. A tal fine à ̈ necessaria la contemporanea disponibilità di calore per la rigenerazione del materiale adsorbente. Nelle unità di trattamento DEC alimentate ad energia solare, questa energia à ̈ in parte accumulata in apposti sistemi di accumulo, normalmente ad acqua, che permettono di prolungare per un certo tempo il funzionamento del dispositivo anche nei momenti di bassa radiazione solare.
Le limitazioni dei dispositivi di climatizzazione DEC alimentati ad energia solare sono notoriamente relative agli ingombri, alla maggiore complicazione impiantistica e ai costi elevati rispetto ai sistemi tradizionali a compressione di vapore. Queste ragioni ne impediscono l'impiego in contesti quali quelli delle abitazioni civili.
La presente invenzione si propone pertanto di realizzare un dispositivo per il condizionamento dell'aria che presenti elevate prestazioni, compattezza,autonomia di funzionamento e consumi elettrici molto limitati.
In particolare, la presente invenzione si propone di realizzare un dispositivo per il condizionamento del'aria alimentato ad energia solare che consenta il ricambio, il raffreddamento e la deumidificazione dell'aria all'interno del locale da servire. Ulteriore scopo del dispositivo à ̈ la filtrazione dell'aria prelevata dall'esterno.
Ancora altro scopo à ̈ quello di realizzare un dispositivo per il condizionamento del' aria che abbia elevata capacità deumidificante se confrontato con i condizionatori ad uso civile di tipo noto.
Ancora altro scopo à ̈ quello di realizzare un dispositivo per il condizionamento dell'aria che sia installabile in maniera semplice e rapida ed eventualmente modulare.
Uno scopo ulteriore à ̈ quello di realizzare un metodo per il condizionamento dell'aria atto ad essere implementato con il suddetto dispositivo.
Gli obiettivi suddetti sono raggiunti da un dispositivo per il condizionamento dell'aria in accordo alla rivendicazione 1 e da un metodo per il condizionamento dell'aria in accordo alla rivendicazione 9.
Tale combinazione di caratteristiche permetterà di avere mezzi adsorbenti con maggiore capacità deumidificante e che consentono di realizzare un dispositivo avente una maggiore autonomia di funzionamento.
La presente invenzione e suoi ulteriori vantaggi appariranno più chiari attraverso una descrizione dettagliata di alcune forme di realizzazione, preferite ma non esclusive, di un dispositivo per il condizionamento dell'aria in accordo alla presente invenzione illustrata nelle allegate figure in cui: la figura 1 à ̈ una vista prospettica di un dispositivo secondo l'invenzione in una prima forma di realizzazione ed applicato al tetto di un edificio sostanzialmente piano;
la figura 2 Ã ̈ una vista prospettica di un dispositivo secondo l'invenzione in una seconda forma di realizzazione ed applicato al tetto di un edificio sostanzialmente inclinato;
la figura 3 Ã ̈ una vista schematica laterale dell'interno di un dispositivo secondo l'invenzione in una prima configurazione preferita;
la figura 4 Ã ̈ una vista dall'alto dell'interno di un dispositivo secondo l'invenzione in una prima configurazione preferita;
la figura 5 à ̈ un diagramma umidità/temperatura per il dispositivo della figura 3 in modalità di raffreddamento/deumidificazione ;
la figura 6 Ã ̈ un diagramma che illustra l'andamento dell'efficienza di scambio termico in funzione della portata per un funzionamento a secco e ad umido;
Nelle Figure 1 e 2 sono illustrate due particolari configurazioni del dispositivo secondo l'invenzione, indicato globalmente con 1, ed installato sul tetto T di un edificio E, semplicemente schematizzato.
In entrambe le configurazioni à ̈ previsto che il dispositivo comprenda un involucro scatolare 2 compatto avente una superficie superiore 3 opportunamente inclinata alla quale sono associati mezzi collettori 4 dell'energia solare, e, ad esempio non limitativo, un pannello fotovoltaico 5.
Le due configurazioni differiscono tra loro essenzialmente per l'inclinazione della superficie superiore 3 per consentirne il posizionamento ottimale su un tetto T a spiovente.
Come schematizzato in Fig. 3 l'involucro 2 in entrambe le configurazioni alloggerà al suo interno un primo condotto 6 per il prelievo di una prima portata di aria dall'ambiente esterno ed un secondo condotto 7 per il prelievo di una seconda portata di aria dal locale da climatizzare.
Il secondo condotto 7 sarà opportunamente posto in comunicazione con l'interno del locale da climatizzare attraverso opportune tubazioni di collegamento con l'edificio E, non illustrate.
Sia il primo condotto 6 che il secondo condotto 7 saranno di tipo noto per il prelievo delle relative portate.
Inoltre il primo ed il secondo condotto 6, 7 saranno in comunicazione fluidica tra loro ed in particolare presenteranno un tratto terminale di mandata comune 9 per la miscelazione delle rispettive portate di aria.
Il tratto di mandata 9 avrà un'uscita 10 atta ad essere posta in comunicazione con il locale da climatizzare.
All'interno dell'involucro 2 saranno anche disposti mezzi adsorbenti 11 operativamente collegati con il primo condotto 6 a monte del secondo condotto 7 per la deumidificazione almeno parziale della prima portata in modo che la miscelazione tra la prima e la seconda portata produca una terza portata d'aria atta a definire un flusso di aria di processo avente umidità inferiore a quella della seconda portata.
In maniera preferita la prima portata d'aria potrà essere compresa tra il 15% ed il 35% della seconda portata.
La fase di deumidificazione potrà avvenire secondo due modalità preferite.
Secondo una prima modalità potrà essere eseguita una deumidificazione isoentalpica attraverso mezzi adsorbenti 11 costituiti da un contenitore 12 alloggiante un materiale adsorbente granulare, ad esempio silica gel, ed avente una geometria appositamente progettata. La prima portata d'aria verrà così deumidificata ma contemporaneamente riscaldata a causa del calore latente di condensazione associato al vapore d'acqua asportato.
Il materiale adsorbente sarà disposto a formare un letto caratterizzato da un rapporto portata/sezione di passaggio tale da conseguire elevata capacità di accumulo dell'energia solare grazie all'elevato contenuto di silica gel sotto forma di capacità adsorbente, cicli di adsorbimento/desorbimento molto lunghi {dell'ordine delle 2-5 ore), basse perdite di carico nell'attraversamento del materiale (max 150 Pa). Tali caratteristiche permettono di eliminare gli svantaggi tradizionalmente noti per i letti adsorbenti fissi.
In una seconda modalità operativa potrà esser previsto il contemporaneo raffreddamento della prima portata d'aria. In tal caso i mezzi adsorbenti 11 potranno comprendere un circuito 13 per il passaggio di un fluido refrigerante in comunicazione termica con almeno parte del materiale adsorbente per il contemporaneo raffreddamento della prima portata d'aria.
Ad esempio il circuito di raffreddamento 13 potrà comprendere una batteria di scambio termico alettata 14 impaccata con il materiale adsorbente ed al cui interno fluirà acqua alimentata da una torre di raffreddamento 15, aumentando la capacità adsorbente del materiale ed incrementando in definitiva il grado di deumidificazione dell'aria trattata.
Alla fine del ciclo di adsorbimento, l'acqua contenuta all'interno della batteria 14 ritornerà nella bacinella di raccolta 16 della torre evaporativa 15, eliminando così lo svantaggio relativo alla presenza dell'acqua nella fase di desorbimento. Essa infatti riscaldandosi sottrarrebbe calore utile alla rigenerazione del materiale adsorbente e, all'inizio della fase di adsorbimento successiva, causerebbe un'immissione di calore nel circuito della torre evaporativa 15, con conseguente perdita energetica.
Oltre al flusso di aria di processo all'interno dell'involucro 2 sarà previsto anche il passaggio di un ulteriore flusso d'aria di rigenerazione del materiale adsorbente.
In particolare, saranno previsti mezzi riscaldanti 17 atti ad inviare ai mezzi adsorbenti 11 una quarta portata di aria riscaldata ad una temperatura maggiore di quella ambiente per promuovere il desorbimento del materiale adsorbente e la conseguente rigenerazione dei mezzi adsorbenti 11. La quarta portata d'aria, che potrà essere compresa tra il 20% ed il 50% della seconda portata d'aria, sarà prelevata dall'esterno o da un qualsiasi ambiente attraverso rispettivi mezzi di circolazione 8.
Vantaggiosamente, i mezzi adsorbenti 11 comprendono almeno una prima ed una seconda porzione 11', 11'' atte ad essere investite selettivamente ed alternativamente dalla prima e dalla quarta portata di aria.
Ad esempio il suddetto contenitore 12 potrà alloggiare due distinti letti di materiale adsorbente atti ad essere attraversati alternativamente dalla prima e dalla quarta portata d'aria.
In questo modo si garantirà una continuità nel servizio di deumidificazione dei mezzi adsorbenti 11 in quanto le due porzioni 11', 11'' distinte saranno alternativamente interessate da un processo di adsorbimento e di desorbimento. A tal fine saranno opportunamente previsti mezzi valvolari 23, illustrati in Fig. 4, atti a deviare selettivamente ed automaticamente il flusso della prima e della quarta portata d'aria tra i due letti di materiale adsorbente. Ad esempio i mezzi valvolari 23 comprenderanno un dispositivo di controllo automatico atto ad azionare una valvola deviatrice a quattro vie in funzione delle condizioni dell'aria di rigenerazione e del grado di saturazione del letto adsorbente.
La presenza dei mezzi adsorbenti 11 garantirà inoltre una filtrazione efficace dell'aria di processo inviata all'interno del locale. Eventuali sostanze nocive presenti nell'aria esterna possono infatti essere adsorbite nel materiale durante la fase di adsorbimento e rilasciate in atmosfera durante la fase di desorbimento.
La quarta portata d'aria fluirà in un condotto 18 alloggiato nell'involucro 2 ed associato ai mezzi collettori 4, associati alla parete esterna 3 dell'involucro 2 ed opzionalmente provvisti del suddetto pannello fotovoltaico 5.
Opportunamente, in corrispondenza del tratto di mandata 9 saranno predisposti mezzi di scambio termico 19 atti ad effettuare il raffreddamento della terza portata d'aria.
Preferibilmente, i mezzi di scambio termico 19 comprenderanno un primo ed un secondo scambiatore evaporativo di tipo statico a pacco, indicati rispettivamente 20 e 21, per il raffreddamento progressivo della terza portata d'aria.
Gli scambiatori 20, 21 avranno rispettivi circuiti primari e rispettivi circuiti secondari, questi ultimi essendo in comunicazione fluidica ed in serie tra loro.
Il tratto di mandata 9 sarà collegato al circuito secondario del secondo scambiatore 21 per deviare nello stesso una parte della terza portata sostanzialmente prossima alla prima portata in modo che il flusso d'aria condizionata inviata al locale da climatizzare abbia portata sostanzialmente pari alla seconda portata d'aria, ossia a quella del flusso d'aria prelevato dallo stesso locale. Tale regolazione potrà essere attuata per mezzo di appositi mezzi valvolari 24.
Il secondo scambiatore 21 sarà preferibilmente associato ad un dispositivo nebulizzatore 22 atto ad immettere acqua nel suo circuito secondario per saturarne il fluido in circolazione e favorire il raffreddamento del fluido evolvente nei circuiti primari degli scambiatori 20, 21.
Il flusso d'aria secondario attraverserà il pacco alettato del circuito secondario del secondo scambiatore 21 per essere portato in condizioni pressoché di saturazione ed in uscita da tale circuito rientrerà nel pacco alettato del circuito secondario del primo scambiatore evaporativo 20.
Di seguito à ̈ riportata una tabella esemplificativa dei valori tipici per le suddette portate d'aria in corrispondenza dei punti sensibili del dispositivo 1 sopra descritto in un tipico ciclo di raffrescamento.
In tale tabella le lettere dell'ultima colonna di destra fanno riferimento ai punti indicati nel diagramma di Fig. 5.
x T h Descrizione
g/kg °C kJ/kg
16 36.0 77.2 Aria esterna a
6.0 34.0 49.5 Adsorbimento e raffr b
9.7 28.8 53.7 Miscelazione c
9.7 25.0 49.8 HX evap 1 d
9.7 19 43.7 HX evap 2 e
11.0 27.0 55.2 Ritorno dall'edificio m
9.7 19.0 43.7 Spillamento e
10.8 16.5 43.9 Umidificazione f
17 23.7 67.1 HX evap 2 g
21.8 28 83.8 HX evap 1 i
25.5 30.0 95.3 Umidificazione h
16 36.0 77.2 Aria esterna a
19.8 26.2 76.8 Torre h
25.5 30.0 95.3 Uscita torre 1
16.0 36.0 77.2 Aria esterna a
16.0 55.0 96.9 Solare o
24.0 35.0 96.7 Desorbimento p
Per la stima delle prestazioni energetiche del dispositivo in
modalità di raffreddamento si à ̈ fatto riferimento alle
seguenti condizioni di progetto:
Testerna= 36 C, Xesterna<=>16 gr/kg
Tinterna= 27 C; Xinterna<=>11 gr/kg
Radiazione solare globale sul piano del collettore 4 pari a
900 W/m<2>.
La portata d'aria totale considerata nell'esempio à ̈ di 500
m3/h. La potenza frigorifera del dispositivo 1 fornita in
ambiente in queste condizioni à ̈ di circa 2 kW di cui circa il
30% legata al trattamento del carico latente. La potenza
totale di raffreddamento sviluppata dal dispositivo,
considerando anche il trattamento dell'aria esterna, Ã ̈ di
circa 6 kW di cui II COP elettrico atteso dell'intero
dispositivo à ̈ maggiore di 15. Il consumo d'acqua à ̈ di circa 6 1/h alla massima potenza.
L'intero ciclo di condizionamento si basa sul fatto che sarà possibile raffreddare efficientemente il flusso d'aria primario anche utilizzando una bassa portata sul secondario. Ciò permette di limitare la portata d'aria esterna trattata dal letto adsorbente con i vantaggi sopra descritti e di massimizzare la potenza frigorifera del ciclo.
Come si osserva dal diagramma di Fig.6, in funzionamento ad umido lo scambiatore di calore a pacco ha efficienze di scambio termico dell'ordine di 60-65% con portate del secondario pari al 25-30% di guelle del primario.
I due stadi di raffreddamento successivi permettono il raggiungimento di temperature di uscita del primario prossime alla temperatura a bulbo umido del punto e.
II dispositivo 1 può anche essere utilizzato in funzionamento invernale, ovvero per il riscaldamento e/o la deumidificazione dell'aria di immissione.
In questo caso à ̈ previsto il prelievo di una prima portata d'aria dall'esterno e la sua immissione nel locale da climatizzare successivamente al suo riscaldamento operato dai mezzi collettori 4 ed eventualmente alla sua deumidificazione anche solo parziale mediante passaggio attraverso i mezzi adsorbenti 11. Ciò può essere ottenuto posizionando opportunamente i mezzi valvolari 23.
Contestualmente si provvede a prelevare una pari portata d'aria dal locale e ad espellerla all'esterno in modo da garantire il necessario ricambio.
Il suddetto dispositivo 1 potrà essere implementato con ulteriori accessori, non illustrati, quali ad esempio una pompa di calore convenzionale integrata nel ciclo da utilizzare se necessario come sistema ausiliario nelle giornate con bassa radiazione solare e/o carico frigorifero particolarmente elevato,interfacce per il collegamento accessori legati alla modularità (posizione degli allacci, ventilatore, canali, regolazione).
Da quanto sopra esposto si deduce che il dispositivo permette di ottenere diversi vantaggi.
In particolare, oltre ad essere particolarmente compatto, il dispositivo presenterà consumi elettrici ridotti in quanto saranno esclusivamente legati all'azionamento di tre ventilatori, di due pompe di ricircolo dell'acqua e di altri piccoli attuatori elettrici di ridotta potenza.
Il dispositivo sarà inoltre facilmente installabile in modalità plug-n-play mediante due canali d'aria dal diametro ridotto (circa 10-12 cm), l'allaccio alla rete dell'acqua e alla rete elettrica di bassa potenza. Il dispositivo potrà essere munito dei necessari accessori per l'utilizzo anche in zone non servite dalla rete elettrica.
Il dispositivo potrà essere utilizzato anche solo come deumidificatore d'aria e/o per effettuare il semplice ricambio d'aria nelle stagioni intermedie. La presenza nel letto adsorbente di un elevato quantitativo di materiale permetterà di accumulare capacità di deumidificazione nei momenti di elevata disponibilità di radiazione solare e di utilizzarla in un momento successivo. Ciò permette di garantire una continuità del servizio anche in assenza di radiazione per un periodo di tempo dell'ordine di diverse ore.
Il dispositivo ed il metodo secondo l'invenzione potranno tuttavia presentare diverse modifiche rispetto a quanto descritto, tutte rientranti nell'ambito di tutela definito dalle rivendicazioni allegate.

Claims (10)

  1. Rivendicazioni annesse alla domanda di brevetto per invenzione industriale, avente per titolo: "DISPOSITIVO E METODO PER IL CONDIZIONAMENTO DELL'ARIA" 1. Dispositivo per il condizionamento dell'aria all'interno di un locale da climatizzare, il quale dispositivo comprende un involucro scatolare (2) installabile esternamente al locale da climatizzare ed alloggiante al suo interno: un primo condotto (6) per il prelievo dì una prima portata di aria dall'ambiente esterno; un secondo condotto (7) per il prelievo di una seconda portata di aria dal locale da climatizzare, detto secondo condotto (7) essendo in comunicazione fluidica con detto primo condotto (6) per la miscelazione delle rispettive portate di aria; - mezzi adsorbenti (11) operativamente collegati con detto primo condotto (6) a monte di detto secondo condotto (7) per la deumidificazione almeno parziale di detta prima portata, detti primo (6) e secondo condotto (7) avendo un tratto di mandata comune (9) atto ad immettere nel locale da climatizzare una terza portata d'aria condizionata; mezzi riscaldanti (17) atti ad inviare a detti mezzi adsorbenti (11) una quarta portata di aria ad una temperatura maggiore di quella ambiente per la loro rigenerazione; in cui detti mezzi adsorbenti (11) comprendono almeno una prima (11') ed una seconda porzione (11'') atte ad essere investite selettivamente ed alternativamente da detta prima e da detta quarta portata di aria.
  2. 2. Dispositivo secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che detti mezzi riscaldanti (17) comprendono un terzo condotto (18) alloggiato in detto involucro (2) per prelevare detta quarta portata di aria e mezzi collettori (4) dell'energia solare associati ad una parete esterna (3) di detto involucro (2) ed opzionalmente provvisti di un pannello fotovoltaico (5) per riscaldare detta quarta portata d'aria a detta temperatura di rigenerazione.
  3. 3. Dispositivo secondo la rivendicazione 1 o 2, caratterizzato dal fatto che detti mezzi adsorbenti (11) comprendono un contenitore (12) alloggiante una quantità predeterminata di un materiale granulare adsorbente, detto contenitore (12) essendo suddiviso in detta prima (11') e detta seconda porzione (11'') ed essendo atto ad essere attraversato da detta prima e detta quarta portata d'aria.
  4. 4. Dispositivo secondo la rivendicazione 3, caratterizzato dal fatto che detti mezzi adsorbenti (11) comprendono un circuito refrigerante (13) in comunicazione termica con detti mezzi adsorbenti (11) per il passaggio di un fluido refrigerante atto ad effettuare il contemporaneo raffreddamento di detta prima portata d'aria.
  5. 5. Dispositivo secondo la rivendicazione 3 o 4, caratterizzato dal fatto di comprendere mezzi valvolari (23) per deviare selettivamente ed automaticamente il flusso di detta prima e detta quarta portata d'aria in detta prima (11') o detta seconda porzione (11'') di detti mezzi adsorbenti (11).
  6. 6. Dispositivo secondo la rivendicazione 5, caratterizzato dal fatto di comprendere mezzi di scambio termico (19) associati a detto tratto di mandata comune (9) per il raffreddamento di detta terza portata d'aria.
  7. 7. Dispositivo secondo la rivendicazione 6, caratterizzato dal fatto che detti mezzi di scambio termico (19) comprendono un primo (20) ed un secondo scambiatore evaporativo (21) di tipo statico a pacco aventi rispettivi circuiti secondari per il raffreddamento progressivo di detta terza portata, detti scambiatori (20, 21) avendo rispettivi circuiti primari e rispettivi circuiti secondari, questo ultimi essendo in comunicazione fluidica tra loro.
  8. 8. Dispositivo secondo la rivendicazione 7, caratterizzato dal fatto che detto tratto di mandata (9) Ã ̈ collegato al circuito secondario di detto secondo scambiatore (21) per deviare nello stesso una parte di detta terza portata sostanzialmente prossima a detta prima portata, essendo inoltre previsto un dispositivo nebulizzatore (22) atto ad immettere acqua nel circuito secondario di detto secondo scambiatore (21) per saturarne il fluido in circolazione e favorire il raffreddamento del fluido evolvente nei circuiti primari di detti scambiatori (20, 21).
  9. 9. Metodo per il condizionamento d'aria all'interno di un locale da climatizzare comprendente le seguenti fasi: prelievo di una prima portata di aria dall'ambiente esterno e suo passaggio attraverso un materiale adsorbente per la deumidificazione almeno parziale di detta prima portata; - prelievo di una seconda portata di aria dall'interno del locale da climatizzare, - miscelazione di detta prima e detta seconda portata di aria per la mandata nel locale da climatizzare di una terza portata d'aria condizionata; rigenerazione parziale di detto materiale adsorbente mediante passaggio di una quarta portata d'aria riscaldata ad una prima temperatura maggiore di quella ambiente; in cui dette fasi di deumidificazione e di rigenerazione sono eseguite alternando il passaggio di detta prima e detta quarta portata di aria su una prima ed una seconda porzione di detto materiale adsorbente.
  10. 10. Metodo secondo la rivendicazione 9, caratterizzato dal fatto di comprendere una fase di raffreddamento di detta terza portata d'aria mediante passaggio in uno scambiatore termico evaporativo.
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