Quali sono le tecniche più efficaci per la riduzione della resistenza al flusso nelle reti di ventilazione?

Le tecniche esistenti per la riduzione della resistenza al flusso, come la curvatura degli elementi o la loro modifica dimensionale, o quelle più complesse, si differenziano principalmente per la loro implementazione e i loro effetti sul comportamento del flusso. È possibile identificare due gruppi principali di elementi che si adattano alle caratteristiche della formazione di vortici (VZ) e alle regolarità della forma del loro contorno: quelli che implicano la divisione e la fusione del flusso, e quelli che non comportano tali fenomeni.

Nel primo gruppo, che riguarda le configurazioni con divisione o fusione del flusso, si trovano elementi come il raccordo asimmetrico di scarico (T a scarico) e l'apertura centrale di scarico. Questi elementi giocano un ruolo significativo nel determinare il comportamento del flusso in una rete di ventilazione, poiché possono influenzare fortemente la distribuzione della velocità e la formazione di turbolenze. In particolare, i raccordi asimmetrici di scarico sono utili per ridurre la resistenza al flusso in sistemi dove è necessaria una gestione complessa della direzione del flusso, come nei sistemi di aspirazione industriale.

Il secondo gruppo comprende elementi che non prevedono la fusione del flusso, come le aperture terminali a forma di cappuccio flangiato, l’ultimo foro laterale e le espansioni improvvise. Questi elementi sono meno complessi da implementare e permettono una gestione del flusso più semplice, ma anch'essi presentano criticità legate alla formazione di vortici e alle perdite di carico. Le espansioni improvvise, ad esempio, possono essere utili per diminuire la velocità del flusso e migliorare l'efficienza energetica del sistema di ventilazione, ma richiedono un'attenta progettazione per evitare perdite eccessive di pressione.

È fondamentale comprendere che ogni modifica alla rete di ventilazione, sia essa una modifica dimensionale o una variazione del contorno, può avere effetti a catena su tutta la configurazione del sistema. Una semplice modifica a un raccordo può influenzare non solo la resistenza del singolo elemento, ma anche l'intero comportamento della rete, aumentando o diminuendo la portata d'aria o alterando la distribuzione della velocità. Pertanto, ogni intervento deve essere supportato da una valutazione accurata dei flussi in gioco e delle sue implicazioni sull'efficienza complessiva del sistema di ventilazione.

I progetti di ventilazione industriale, in particolare, devono affrontare diverse problematiche legate alla complessità dei flussi turbolenti, alle perdite di energia e alla gestione di temperature elevate o contaminanti. Elementi come i raccordi asimmetrici o le espansioni improvvise non solo devono essere progettati per ridurre la resistenza al flusso, ma devono anche affrontare sfide legate alla sicurezza e all'affidabilità nel tempo. La ricerca e lo sviluppo in quest'area continuano a progredire, mirando a soluzioni sempre più efficienti e facili da implementare.

La comprensione di questi principi è essenziale per ogni ingegnere che si occupa della progettazione di reti di ventilazione, soprattutto in ambienti industriali dove le condizioni operative possono variare notevolmente. Ogni miglioramento della rete deve essere considerato come parte di un sistema complesso e interconnesso, dove ogni elemento gioca un ruolo nel determinare l'efficienza complessiva. Un'accurata modellazione numerica, affiancata da test sperimentali, è il metodo più affidabile per predire il comportamento del flusso in una rete di ventilazione e ottimizzare la progettazione per ottenere il massimo delle prestazioni.

Come la Modellazione Numerica e l'Esperimento Interagiscono nello Studio del Flusso Separato nelle Cappe di Scarico Circolari

L'approccio per lo studio del flusso separato verso le cappe di scarico circolari comprende una combinazione tra simulazioni numeriche e esperimenti pratici, con lo scopo di ottenere una comprensione accurata del comportamento del flusso in diverse configurazioni geometriche. Una parte fondamentale di questo studio è l'analisi delle perdite di pressione lungo il condotto, causate dalla frizione e da altre caratteristiche del flusso turbolento. Le simulazioni numeriche si basano su modelli di turbolenza avanzati, come il modello RSM combinato con EWT, per predire la distribuzione della velocità e la separazione del flusso.

La relazione tra la geometria del condotto e le perdite di pressione viene descritta in termini di parametri dimensionless, come il valore di y+, che caratterizza il grado di raffinamento della maglia numerica nelle vicinanze delle pareti. Ad esempio, con il modello di turbolenza RSM e la simulazione EWT, è stato osservato che per mesh con y+ < 10 la risposta del modello diventa stabile, mostrando una corrispondenza abbastanza buona con i dati sperimentali, con una deviazione del 24% rispetto ai valori noti di Idel’chik (1992). Modelli come il k-ε “realizzato” (RKE) e i modelli k-ω SST hanno dato risultati simili, ma con una differenza maggiore rispetto ai valori noti. Tuttavia, il modello SKE ha prodotto risultati insoddisfacenti.

L'analisi dei campioni di velocità ha rivelato un'alta correlazione tra i valori calcolati e quelli sperimentali, con un coefficiente di correlazione medio pari a r = 0.91. La dispersione dei dati si è mostrata soddisfacente, rispettando i criteri statistici di confronto come il test di Student e il criterio di Fisher in quasi tutte le misurazioni. Questi risultati confermano che il modello numerico è affidabile per descrivere il comportamento del flusso nelle diverse configurazioni della cappa di scarico, specialmente quando si trattano forme non perfettamente sagomate.

L'importanza di una raffinata discretizzazione della maglia numerica emerge anche dai confronti tra le simulazioni con diverse dimensioni delle celle della maglia, come evidenziato nei vari esperimenti numerici. È stato osservato che, una volta raggiunta una certa densità di maglia (ad esempio con y+ = 4.4 o y+ = 2.1), l'effetto di ulteriore raffinamento della maglia diventa insignificante, indicando che i risultati non dipendono più dalla risoluzione della maglia. Questo aspetto è cruciale per garantire l'affidabilità delle simulazioni in condizioni reali e per la progettazione di cappe di scarico efficienti.

In aggiunta alla modellazione numerica e agli esperimenti descritti, è essenziale considerare la possibilità di ottimizzare ulteriormente la progettazione delle cappe di scarico attraverso la comprensione dei flussi turbolenti e delle separazioni. L'approfondimento delle relazioni tra le geometrie specifiche e i modelli di turbolenza potrebbe portare a un'ulteriore efficienza nella progettazione, riducendo le perdite di energia e migliorando la qualità dell'aria nelle applicazioni pratiche. Inoltre, la capacità di modellare accuratamente il comportamento del flusso in queste situazioni è cruciale non solo per la progettazione di cappe di scarico più efficienti, ma anche per la previsione e il controllo del comportamento del flusso in vari impianti industriali.

Come il miglioramento dei sistemi di ventilazione può ridurre il consumo energetico negli edifici pubblici

I sistemi di ventilazione in edifici pubblici giocano un ruolo fondamentale nel garantire un ambiente sano e confortevole per gli occupanti. Tuttavia, il loro funzionamento comporta un notevole consumo di energia, con impatti significativi sui costi operativi annuali. Il miglioramento dei componenti dei sistemi di ventilazione, in particolare tramite l'uso di parti sagomate avanzate, ha mostrato una riduzione notevole dei consumi energetici, con risparmi che possono variare significativamente a seconda delle specifiche caratteristiche di ciascun sistema e tipo di edificio.

Il miglioramento del sistema di ventilazione non solo comporta risparmi sui costi energetici, ma consente anche di ridurre la necessità di unità di alimentazione e scarico di aria progettate inizialmente, con risparmi di capitale (CAPEX) che raggiungono i 8.900 € in alcuni casi. Questo effetto di riduzione del consumo energetico, oltre ad avere un impatto positivo sui costi operativi, permette di ottimizzare la progettazione complessiva dei sistemi di ventilazione, riducendo sia i consumi energetici che i costi di costruzione.

Per ottenere una stima precisa dell'effetto sui costi energetici di edifici di diverse tipologie, è necessario conoscere il consumo energetico dei sistemi esistenti. Secondo uno studio del “Center for Energy Efficiency – 21st Century” (Bashmakov, 2005), il consumo totale di energia da parte dei sistemi di utilità in un edificio pubblico è di circa 45–55 kW·h/m²/anno, con la ventilazione che consuma circa il 9% di questa energia. In termini pratici, i costi per l'operazione di ventilazione sono circa 4,5 kW·h/m²/anno. Tali valori sono coerenti con quelli riscontrati in edifici per uffici, dove il consumo energetico annuale della ventilazione è stato stimato essere pari a 10,2 kW·h/m²/anno, sebbene questa cifra potrebbe essere sottostimata, in quanto si considerano solo i 10 sistemi più lunghi.

Un altro esempio interessante riguarda l'analisi del consumo energetico per edifici pubblici negli Stati Uniti, dove il consumo medio annuale di energia per edifici pubblici è stato di 157,2 kW·h/m². In particolare, il consumo energetico delle ventilazioni, tenendo conto della specifica percentuale di energia impiegata dai ventilatori, era pari a circa 18,8 kW·h/m²/anno in edifici per uffici. Questo numero rispecchia il valore ottenuto nei calcoli per gli uffici, confermando che l'uso di sistemi di ventilazione più efficienti, come quelli dotati di componenti sagomati, può portare a significativi risparmi energetici.

Per fare una stima dei risparmi energetici nei sistemi di ventilazione di edifici pubblici, si può applicare il parametro di risparmio specifico, che in media è di circa 30,5 €/kW per anno. Tale stima può essere utilizzata per calcolare i risparmi in base alla potenza iniziale consumata dai sistemi di ventilazione o all'area servita dell'edificio. È importante, tuttavia, comprendere che tali calcoli sono approssimativi e si applicano a impianti di ventilazione che utilizzano condotti d'aria rettangolari, senza considerare il drag delle apparecchiature di trattamento dell'aria.

Ad esempio, per una città come Kazan, in Russia, che nel 2019 ha commissionato 30 strutture sociali e pubbliche con una superficie complessiva di 152.700 m², si stima che il consumo energetico totale per il funzionamento dei sistemi di ventilazione sarebbe di circa 2,64 GWh. Se si utilizzano elementi sagomati nei condotti d'aria, il risparmio in termini di consumo elettrico sarebbe pari al 21,1%, riducendo il consumo di energia di circa 557 MWh all'anno, con un risparmio di 41.220 € sui costi operativi annuali.