Tutti gli impianti di ventilazione, comunemente denominati sistemi HVAC (Heat Ventilation and Air Conditioning), sono progettati per garantire un certo flusso d’aria nelle diverse zone a cui sono collegati (uffici, camere climatiche, serre, camere per aspirazione dei residui di lavorazione).
La corretta ventilazione garantisce inoltre un certo grado di confort termico per le persone che usufruiscono di un impianto: pensiamo ad esempio al sistema di condizionamento del nostro ufficio o della nostra auto.
Questi obiettivi di prestazioni termiche o di ricambio d’aria richiedono delle accortezze progettuali che possono essere affrontate attraverso la simulazione numerica. In questo articolo analizzeremo come approcciare questa tematica.
Le sfide di progetto in un sistema HVAC
Un sistema di condizionamento HVAC è costituito principalmente da una serie di condotti, dei filtri, delle griglie o bocchette di uscita, un deumidificatore e un riscaldatore. Questi ultimi sono due componenti necessari al trattamento aria, in particolare permettono il mantenimento di determinati livelli di umidità e temperatura. A completamento dell’impianto, uno o più ventilatori garantiscono la movimentazione e il ricambio d’aria.
La scelta dei ventilatori è sicuramente il passo iniziale nella progettazione di un impianto HVAC ed è intrinsecamente legata alla conformazione degli ingombri e delle distanze che la rete di condotti deve percorrere.
Infatti con l’aumento del numero di passaggi e percorsi che l’aria deve fare per raggiungere le zone da servire, è necessario aumentare la prevalenza del ventilatore in modo da garantire la corretta quantità d’aria prevista per ogni singola bocchetta.
La scelta del ventilatore genera poi una precisa portata d’aria (punto di funzionamento) che permette il successivo dimensionamento del deumidificatore (dedicato alla rimozione dell’umidità e al raffrescamento) e del riscaldatore (volto a riportare l’aria alla temperatura desiderata).
Analizzando gli intervalli di variazione della temperatura e umidità dell’aria di aspirazione, proveniente dall’ambiente esterno, è possibile stimare le potenze termiche in gioco e selezionare sia il deumidificatore che il riscaldatore.
Eseguire una progettazione efficace di ciascuna parte di un impianto HVAC rappresenta la vera sfida per ottenere le prestazioni necessarie e al contempo puntare ad un funzionamento ottimale dell’intero sistema in modo da minimizzare il consumo energetico.
La fluidodinamica di sistema per un dimensionamento rapido e una riduzione dei costi energetici
La progettazione di un impianto HVAC può essere affrontata in maniera efficace grazie alla simulazione fluidodinamica di sistema. Questo tipo di analisi utilizza una logica fatta di “componenti” e di “rete”: è possibile seguire il percorso seguito dall’aria in tutte le sue diramazioni a partire dalla presa di monte fino alle bocchette finali. Nel modello ciascun componente sarà caratterizzato individualmente e mostrerà le sue prestazioni a livello di rete in funzione del suo posizionamento. In questo approccio ciascun trattamento di riscaldamento, deumidificazione o semplicemente trasporto verrà rappresentato e studiato a livello locale.
Inoltre il posizionamento nel modello di tutte le curve, i restringimenti, griglie, ecc. consente una rappresentazione accurata delle perdite di carico. In base a queste ultime si possono valutare diversi posizionamenti dei condotti principali, anche in base agli ingombri, e scegliere conseguentemente il ventilatore più adeguato da inserire nell’impianto.
Con la simulazione di impianto i calcoli del contenuto di umidità nell’aria (psicometria) vengono inoltre facilitati e consentono uno studio complessivo dei cicli di trattamento aria sul diagramma di Carrier: al variare delle condizioni ambientali esterne si possono valutare i diversi regimi di funzionamento del deumidificatore ed al riscaldatore così come inizialmente selezionati.
Specialmente nel caso di situazioni transitorie o cicliche si può calcolare il consumo energetico complessivo tenendo in conto delle variazioni climatiche ambientali e dei diversi stati di funzionamento dei componenti del sistema anche quando attuati da specifiche logiche di controllo.
I software attualmente permettono di simulare tutti gli scenari di funzionamento di un sistema, anche interfacciandosi con i sistemi di regolazione e controllo, per progettare e verificare il funzionamento.
La fluidodinamica di sistema effettua il calcolo dei flussi, delle pressioni, delle temperature e umidità presenti nell’aria in ogni punto del circuito HVAC.
Vantaggi della simulazione di impianto nei sistemi HVAC
Utilizzare la fluidodinamica di impianto permette innanzitutto un dimensionamento accurato del ventilatore. Inoltre si possono prevedere eventuali sbilanciamenti di flusso nei diversi rami della rete, spingendo all’introduzione, alla verifica e alla regolazione preventiva di nuove griglie interne.
Inoltre anche i singoli componenti possono essere selezionati, da diversi produttori, e testati virtualmente nel modello dell’impianto. Questo consente di selezionare il componente che ha caratteristiche più performanti in termini, ad esempio, di regolazione delle temperature e umidità , basando la scelta finale su risultati ottenuti dal calcolo psicometrico.
Inserendo poi tutti i componenti in una simulazione transitoria, è possibile verificare le potenze termiche ed elettriche consumate, puntando ad una ottimizzazione energetica dell’impianto nel suo funzionamento sul lungo periodo.
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