La Wind Analysis per le applicazioni HVAC e il Comfort Indoor

HVAC: benessere delle persone grazie ad un efficace ricambio d'aria

HVAC è un acronimo in lingua inglese che sta per Heating, Ventilation and Air Conditioning. Con questa sigla ci si riferisce alla progettazione degli impianti utilizzati per assicurare la ventilazione, il riscaldamento e la refrigerazione di ambienti chiusi, come per esempio appartamenti residenziali, centri commerciali, stazioni.

La progettazione dei sistemi HVAC dovrebbe assicurare il benessere delle persone. Per esempio, la temperatura deve essere gradevole, compatibilmente alla stagione o a come siamo vestiti, la velocità dell’aria deve essere il più possibile uniforme in tutto l’ambiente. La sensazione di benessere rappresenta però una sensazione soggettiva: siamo stati tutti testimoni del fatto che in un ambiente interno condiviso diverse persone possano avere una diversa percezione di freddo o di caldo.

È anche comune l’esperienza di entrare in un ambiente chiuso e affollato e avere la percezione che l’aria sia viziata. La stessa percezione non è però condivisa da chi è già all’interno di questo ambiente da diverso tempo. L’olfatto umano, infatti, si adegua rapidamente alle condizioni esistenti e perde gran parte della sua capacità di discriminare.

Gli eventi degli ultimi due anni hanno inoltre modificato il valore che ognuno di noi attribuisce allo stato del comfort e alla qualità dell’aria. Prima della pandemia eravamo abituati a considerare le situazioni di disagio come temporanee. Esse, pur potendo generare un certo livello soggettivo di malessere, erano destinate ad esaurirsi senza lasciare strascichi di alcun genere. In questi ultimi tempi invece, c’è stata la crescita della consapevolezza che si tratti anche di questioni di salute personale e soprattutto di salute pubblica.

Se la percezione di caldo e freddo rimane, entro certi limiti, un fatto soggettivo, la qualità dell’aria può essere valutata senza dover far ricorso alle nostre percezioni sensoriali. Gli strumenti per fare questo sono, come in tutti gli ambiti della fisica e dell’ingegneria, sia sperimentali che virtuali. Lo strumento sperimentale può essere utilizzato solo a posteriori e potrebbe risultare tardivo, oltre che invasivo e costoso, per poter mettere in atto gli eventuali miglioramenti dei sistemi di aerazione. 

I vantaggi dell'analisi virtuale, grazie alla simulazione CFD

L’analisi virtuale consiste nella simulazione CFD, che può invece essere fatta a monte, durante la fase di progettazione, risultando più efficace e meno costosa. Essa permette di verificare soluzioni diverse per poter arrivare ad una progettazione “ottimale” in tempi e costi contenuti.

La simulazione CFD utilizza modelli 3D complessi, anche in formati IFC provenienti da ambienti BIM. L’analisi può essere stazionaria o può simulare dei transienti e, per quel che riguarda l’analisi della qualità dell’aria, può risolvere le equazioni che governano il trasporto e la diffusione di anidride carbonica, monossido di carbonio, umidità, fumo e qualunque altra specie potenzialmente tossica per la nostra salute.

In tempi molto brevi si possono “visualizzare” i flussi dell’aria in tutto lo spazio per verificare l’efficienza degli impianti: quanto tempo ci mette il sistema di ventilazione a rinnovare il 50, il 90 o il 99% dell’aria all’interno di uno spazio chiuso per il quale abbiamo a disposizione il modello 3D? Esistono zone dove l’aria tende a ristagnare perché la disposizione dei muri o anche degli arredi blocca in qualche modo la circolazione dell’aria? La perfetta conoscenza della prestazione “virtuale” consentirà di capire come migliorare l’efficienza dei sistemi HVAC per soddisfare tutti i criteri di valutazione del Comfort.

Le stesse valutazioni quantitative possono essere ottenute anche nei casi di analisi termiche estate/inverno: budget termici, efficacia del raffreddamento/riscaldamento, onde poter identificare eventuali disomogeneità nella distribuzione della temperatura tra i vari locali.

Esistono da qualche tempo regolamentazioni e certificazioni che puntano a qualificare la bontà della progettazione HVAC. Per esempio, la normativa europea ISO 7730 “presenta metodi per prevedere la sensazione termica globale e il grado di disagio (insoddisfazione termica) delle persone”. Essa fornisce le istruzioni per il calcolo di 2 parametri (o indici) di comfort, il PMV (predicted mean vote) e il PPD (predicted percentage of dissatisfaction), stabilendo dei valori ottimali che dovrebbero essere considerati già in fase di progettazione per poi essere riscontrati nella realtà. Questi indici vanno intesi come sensazione “media” del benessere percepito da un gruppo di persone che occupa per un certo tempo uno spazio interno comune, sia pubblico che privato.

Infine, negli ultimi anni, le certificazioni WELL e LEED stanno acquisendo una crescente importanza. Entrambe queste procedure hanno l’obbiettivo, tra gli altri, di “certificare” la qualità dell’aria. In questo contesto la CFD, con la sua analisi 3D, si propone come l’unico strumento in grado di fornire le prestazioni dei sistemi HVAC per supportare il processo di certificazione.

Le figure 1 e 2 mostrano i modelli 3D di una villetta e di un ufficio.

Entrambi i modelli nascono in ambiente BIM e sono disponibili in formato IFC con un livello di dettaglio impressionante.

VENTO AEC è oggi l’unico software CFD che può importare modelli 3D in formato IFC ed usarli direttamente così come sono, senza alcun sovraccarico di lavoro. Questo è possibile grazie alla tecnologia “non-conformal grid”, da noi sviluppata.

Nel caso della casetta con mansarda mostrato nella Fig.1, abbiamo studiato la ventilazione. Per far questo abbiamo introdotto 3 bocchette di ingresso dell’aria, posizionate sotto 3 finestre (una bocchetta di ingresso è visibile in blu nella Fig.3), e 4 bocchette di uscita dell’aria posizionate sopra 4 delle finestre (una è visibile in viola nella Fig.3).

La mesh è costituita da circa un milione di celle che riempiono tutto lo spazio del piano terra e della mansarda. L’analisi ci ha fornito i valori della velocità dell’aria in ognuna delle celle della mesh (intensità e direzione).

Al fine di valutare l’efficienza della ventilazione, abbiamo sviluppato una speciale tecnica di post-processing con la quale simuliamo l’ingresso di “aria nuova” dalle 3 bocchette. L’aria nuova è rappresentata da una nuova specie di gas che ha identiche caratteristiche fisiche dell’aria e per la quale utilizziamo una nuova equazione di trasporto. Questo ci permette di differenziare l’aria nuova da quella vecchia, o “viziata”. La risoluzione della nuova equazione viene fatta in modalità “frozen flow”, ovvero non ricalcoliamo il campo che già conosciamo, facciamo semplicemente trasportare dal campo 3D calcolato solo la nuova specie “aria nuova”.

Questa simulazione di post-processing è effettuata in modalità transiente (in accuratezza temporale) e consta di 360 frames (time steps), uno ogni 10 secondi per un totale di 2 ore di riproduzione nel tempo reale. L’aria nuova entra dalle bocchette di ingresso e inizia a diluirsi con l’aria vecchia e a diffondersi in tutto lo spazio trasportata dal campo di velocità precedentemente calcolato.

La Figura 3 mostra il frame 200, ovvero poco più di un’ora dopo l’inizio dell’esperimento virtuale. L’immagine mostra 3 nuvole: la nuvola rossa rappresenta l’insieme delle concentrazioni di “aria nuova” tra il 75% e il 100%, la nuvola gialla rappresenta le concentrazioni tra il 50% e il 75% di aria nuova, e la nuvola celeste le concentrazioni tra il 25% e il 50% di aria nuova. Tutto lo spazio non occupato dalle 3 nuvole rappresenta la zona dove la concentrazione di aria nuova è al di sotto del 25%. Sostanzialmente rappresenta lo spazio dove la ventilazione fatica a ricambiare l’aria e risulta presente per lo più l’aria viziata.

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Come immaginabile facilmente, l’aria viziata tende a stagnare nella mansarda che è accessibile solo dal vano scala visibile nella Fig.1. Per poter instaurare una buona circolazione dell’aria nella mansarda sarebbe necessario un secondo accesso che possa permettere all’aria che entra dal vano scala di uscire dalla mansarda e ritornare al piano terra.

Il secondo caso che presentiamo riguarda l’analisi termica di un ufficio del Dipartimento di Ingegneria Civile, Edile e Ambientale dell’Università di Padova, che vogliamo ringraziare per la gentile concessione del modello IFC delle immagini.

All’interno dell’ufficio ci sono una quindicina di postazioni di lavoro con desktop, schermo e tastiera. Il ventilatore è posizionato a soffitto ed è visibile in alto sulla destra nella Fig.4. L’unica parete verso l’ambiente esterno è interamente occupata da finestre (in giallo nell’immagine).

Si è ipotizzata una temperatura esterna di 29 gradi (condizionamento estivo). Le due finestre sono state modellate come pareti diabatiche assegnando opportuni valori per la trasmittanza. All’interno, il sistema HVAC introduce una portata d’aria di 157 litri/s a 20 Co di temperatura.

La Figura 4 mostra due sezioni verticali con la mappa della velocità dell’aria. Si riconosce la traccia del getto del ventilatore a soffitto.

Le simulazioni CFD sono state effettuate con VENTO AEC e con ANSYS CFD, il più popolare software CFD al mondo. Inoltre, sono stati installati 7 sensori di temperatura. 

La Fig.5 mostra uno dei confronti dei risultati di VENTO AEC con ANSYS e con le misure sperimentali (tratto dalla Tesi di Laurea).

CHI È CSPFea 

CSPFea si occupa di commercializzare software di calcolo strutturale per il settore AEC. La mission aziendale è quella di assistere società di ingegneria, professionisti ed aziende impegnate nel vasto settore dell’ingegneria civile, dell’architettura e delle costruzioni (AEC), aiutandoli a migliorare processi e metodi, capacità di analisi e di progettazione mediante la simulazione: CSPFea è il partner per incrementare le vostre prestazioni, migliorare il processo di design e l’affidabilità dei vostri servizi.