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Progetta sistemi HVAC efficienti con la simulazione CFD

Pubblicato da Davide Daloisio il 2 December 2021

🕓 Tempo di lettura: 5 minuti

HVAC

La pandemia di COVID-19 sta risultando devastante soprattutto per persone e aziende che si trovano ad affrontare forti restrizioni, paure di contagio impellenti e rischi biologici non più sottovalutabili. In questo scenario i sistemi HVAC possono dare un contributo importante essendo fondamentali nel trattamento dell’aria in luoghi di lavoro comuni e locali di produzione chiusi. HVAC deriva dall’inglese Heating, Ventilation and Air Conditioning, e comprende tutti i sistemi per il riscaldamento, la ventilazione e il condizionamento dell’aria.  Nonostante esistano delle linee guida e delle normative standard che vanno a regolare le portate minime, le posizioni consigliate per le griglie e i diffusori di immissione/scarico aria, in questo contesto di emergenza mondiale, tutti i tecnici sono costretti a ricercare nuove soluzioni tecniche in tempi brevi. In questo articolo vedremo quali sono i problemi comuni da affrontare, come la simulazione CFD consente a progettisti e ingegneri di esplorare tutte le possibili configurazioni di trade-off e arrivare ad una soluzione di ottimo. 

La ricerca della configurazione ottimale è particolarmente importante quando si progettano impianti di trattamento aria che operano in ambienti affollati (come fabbriche, ospedali, uffici, stazioni, aeroporti, ecc., ma anche treni, aeromobili e altri mezzi di trasporto), nei quali si ha bisogno di avere nuove soluzioni tecniche per mettere in atto le giuste strategie per impedire o mitigare la diffusione di malattie aeree.    

Sfide Progettuali nella progettazione di sistemi HVAC

Preso atto dei nuovi scenari in cui i sistemi per il trattamento aria funzionano, ci sono sfide ingegneristiche che ogni tecnico deve affrontare. Innanzitutto i sistemi HVAC sono fondamentali perché riescono a superare la principale sfida: quella del miglioramento del comfort termico. Lo standard da raggiungere è altrettanto importante anche nel caso si tratti di ambienti interni a veicoli in movimento come ad esempio aeromobili, autobus o treni. 

Fluidodinamica computazionale

Sotto l’aspetto tecnico un’altra sfida è rappresentata dal fatto di riuscire a capire se esistono degli schemi tipici secondo i quali la fenomenologia fluidodinamica si evolve. Questo porterebbe ad inquadrare il problema e fare diverse semplificazioni. Per una migliore funzionalità e una maggiore sicurezza di sistemi come quelli di riscaldamento e/o condizionamento dell’aria o degli ambienti, è utile ridurre al minimo le zone di ristagno dell’aria. Questo può incidere sulla qualità dell’aria e sulla sicurezza degli ambienti. Infatti un’altra delle sfide è riuscire a ridurre al minimo la diffusione di agenti patogeni attraverso l'aria. L’ultima crisi pandemica ha portato ancora maggiore attenzione su questa sfida. 

Inoltre il bisogno di garantire il comfort per gli occupanti in condizioni ambientali avverse negli ultimi anni è diventato sempre maggiore. Quest’ultima sfida è legata al saper trovare una soluzione di equilibrio tra efficienza termica e comfort. Se invece ci si focalizza in campo automotive, ma in generale in tutti i veicoli, è centrale la sfida di migliorare l'esperienza dell'utente durante la guida in qualsiasi condizione. 

Anche il comfort acustico in cabina ha la sua rilevanza. Chi vorrebbe mai guidare o sedersi in un mezzo di trasporto rumoroso? Da questo scaturisce la sfida di ridurre o eliminare il rumore prodotto da un sistema HVAC, specialmente nelle auto elettriche. Questo potrebbe comunque essere rilevante anche nel caso di cabine su strutture fisse. 

Un indice che i tecnici utilizzano per monitorare e controllare  il comfort termico, è il PMV (dall’inglese Predicted Mean Vote), contenuto nella normativa ISO 7730. Questo indice tiene conto di temperatura, umidità, velocità dell’aria e altri parametri essenziali per il suo controllo e varia in un range che va da un valore minimo -0,5 ad un valore massimo di 0,5. Tale indice può essere determinato stimando sei fattori: tasso metabolico, quantità dei vestiti, temperatura dell’aria, temperatura di irraggiamento, velocità relativa dell’ariae umidità.

La Simulazione CFD a supporto dei sistemi di riscaldamento, ventilazione e condizionamento dell’aria

Come abbiamo potuto vedere in generale, l’odierna progettazione dei sistemi HVAC si è focalizzata a raggiungere una certa efficienza, ma senza tralasciare il comfort ambientale, acustico e termico. In questo contesto la simulazione CFD, rappresenta lo strumento che riesce a supportare gli ingegneri nel prendere decisioni ottimali e identificare i parametri prioritari 

L'analisi dei flussi termici mediante simulazione CFD consente di ottenere valori accurati dei fattori che caratterizzano principalmente i fenomeni oggetto di studio. Avere una visione precisa di quello che accade sotto l’aspetto termico è importante poiché la temperatura è un fattore fondamentale per il comfort termico. La simulazione numerica permette di ottimizzare i flussi d’aria andando ad agire sulla loro velocità. Questo andrà ad influire sul comfort termico, in quanto una maggiore velocità dell’aria, a parità di temperatura, si ripercuote sulla sensazione corporea percepita 

Air Conditioning

Un’altra analisi di dettaglio relativa alla radiazione solare permette di valutare il trasferimento di calore e di capirne la frazione di irraggiamento attraverso pareti, soffitti e pavimenti. . Tutto questo è possibile andando ad utilizzare modelli numerici che permettono di valutare il trasferimento di calore per irraggiamento come il P-1 o il DO model, a seguito della caratterizzazione delle superfici secondo le proprietà fisiche di emissività ed assorbimento radiativo

Tra i fattori determinanti per un buon comfort ambientale c’è l’umidità. Un eventuale grado di umidità elevato contribuirà  a modificare le sensazioni personali di caldo e freddo. La simulazione CFD permette di tenere conto di questo parametro, introducendo il calcolo di trasporto di specie in simulazioni multifase, necessarie per includere l’umidità nel calcolo dell’indice PMV.

Vantaggi derivanti dalla simulazione CFD applicata ai sistemi HVAC

Ma quali vantaggi reali comporta la simulazione CFD? La risposta sta nelle tecniche di modellazione del flusso d’aria che permettono di dare un reale supporto durante il processo di sviluppo e di esplorazione dei diversi design. Inoltre tali tecniche contribuiscono a chiarire quali criteri di valutazione siano soddisfatti già durante la fase di sviluppo, prima ancora che sia prodotto un sistema di trattamento aria. 

Simulazione CFD  

La simulazione CFD aiuta ad ottimizzare le prestazioni e i consumi energetici, che possono portare a soluzioni green che permettono una minore produzione di anidride carbonica (CO2). La simulazione fluidodinamica aumenta l'efficacia della ventilazione e l'efficienza termica ottimizzando diversi parametri importanti per il miglior funzionamento dei sistemi HVAC. Un approccio numerico permette di ridurre al minimo la contaminazione  dovuta a  particolato e inquinanti chimici. Progettare un sistema HVAC con la simulazione CFD abilita a fornire le migliori prestazioni privilegiando l’indice di qualità dell'aria interna IAQ (dall’inglese Indoor Air Quality).

L'analisi ingegneristica, coadiuvata dalla simulazione CFD, può aiutare a ottimizzare la progettazione e il funzionamento dei sistemi di ventilazione e dei sistemi di disinfezione UV per aria e superfici, offrendo un notevole vantaggio di mercato rispetto ai competitor.

 

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Argomenti: CFD

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