Introduzione alla progettazione dei sistemi HVAC attraverso la simulazione numerica

 
La qualità dell’aria rientra tra gli aspetti principali da considerare nella realizzazione di ambienti e spazi chiusi. La necessità di ambienti confortevoli e salutari risulta ancor più sentita negli ultimi tempi, causa Covid. In aggiunta, gli stringenti requisiti imposti dalle autorità in termini di risparmio energetico e sostenibilità complicano non poco il compito di ingegneri ed architetti nelle fasi di progetto e gestionali degli spazi chiusi.

Per spazi chiusi non ci si riferisce solo all’ambito edilizio (edifici residenziali e uffici, grandi ambienti come teatri, auditorium, musei, cinema, etc.), ma a tutti gli ambienti che necessitano di climatizzazione controllata: dall’industria dei trasporti (cabine aereo, automobili, vagoni dei treni, etc.) ai plant industriali, dagli spazi con carichi termici sbilanciati, ad esempio le sale dei data center, agli ambienti dove la qualità dell’aria e il microclima devono sottostare a normative ben precise, come nelle sale chirurgiche.

I sistemi HVAC (Heating, Ventilation and Air Conditioning) ricoprono un ruolo fondamentale nel garantire il controllo climatico desiderato. Sono dispositivi con componenti HW e SW ad elevato livello di connettività e digitalizzazione, che sfruttano lo spostamento dell’aria tra le aree interne ed esterne per fornire una corretta climatizzazione dell’ambiente.

Ad oggi l’obiettivo dei sistemi HVAC non è più soltanto il raggiungimento di determinati livelli di qualità dell’aria. Il focus si sta sempre più spostando verso la massimizzazione del loro efficientamento energetico.

La simulazione numerica è uno strumento appropriato a supporto della progettazione dei sistemi HVAC. Conoscere i campi di moto, termici e le distribuzioni di eventuali inquinanti è un prezioso valore aggiunto in questo senso: senza necessitare di attività sperimentali onerose, permettono di valutare diverse soluzioni progettuali direttamente dal proprio pc.

La proposte Dofware

1) La simulazione FFD

La fluidodinamica computazionale (CFD) viene utilizzata nella progettazione HVAC per la sua accuratezza nella previsione della velocità del flusso e dei campi termici. Una volta specificate la geometria, le condizioni al contorno e iniziali, i progettisti sono in grado di produrre rappresentazioni virtuali contenenti tutte le grandezze rilevanti per la valutazione della qualità dell’aria interna e per testare soluzioni.

Al tempo stesso la CFD presenta un grande svantaggio, ossia l’elevato onere computazionale. In certi casi sono necessari addirittura diversi giorni per poter arrivare al risultato di una singola simulazione. E, in aggiunta, spesso le simulazioni necessarie risultano molto numerose, inficiandone l’applicabilità.

Una alternativa di più rapida applicazione è rappresentata dai modelli a parametri concentrati. Alla loro rapidità di utilizzo si contrappone però una accuratezza non sempre all’altezza delle necessità.

Per ottenere una soluzione rapida ed efficace, Dofware propone la tecnologia Fast Fluid Dynamics (FFD), che è un Compromesso spesso appropriato tra l’agilità dei modelli a parametri concentrati e l’accuratezza della CFD.

Nata in ambito computer-graphics, la Fast Fluid Dynamics (FFD) è stata sviluppata per Riprodurre virtualmente il comportamento dei campi di moto e termico. Oggi questo metodo riesce in tempo reale a simulare l’evoluzione del comfort e della qualità dell’aria all’interno di ambienti chiusi, diventando così una vantaggiosa alternativa alla CFD, grazie anche ad una trascurabile perdita di accuratezza.

Una volta definito il layout dell’ambiente, attraverso la FFD è possibile verificare il corretto posizionamento e funzionamento dei sistemi HVAC, effettuare lo studio dei fenomeni termici, calcolare l’andamento della temperatura e la diffusione inquinanti, il tutto tenendo anche conto delle condizioni ambientali esterne al dominio di interesse.

Figura 1: Risultati di una simulazione FFD rappresentati nell’ambiente reale attraverso tecniche di Realà Aumentata.

Il codice implementato da Dofware può essere integrato all’interno di applicazioni embedded o custom e il team R&D può supportare il cliente nella definizione del contesto, nella realizzazione del modello e nell’analisi dei risultati della simulazione.

2) L’approccio combinato: dati fisici e dati simulati

Figura 2: Esempio di co-simulazione in cui il modello numerico viene messo in comunicazione diretta con i dati rilevati dal campo per incrementare l’accuratezza dei risultati.

Nell’era IoT, i sensori sono il modo diretto per monitorare i campi fisici all’interno di ambienti chiusi. Tuttavia, per ottenere una rappresentazione dettagliata delle condizioni ambientali d’insieme è necessario incrementare il numero di dispositivi, comportando elevati costi di infrastruttura.

In alternativa, Dofware propone un approccio ibrido: i sensori sono posti in collaborazione con i modelli numerici per il monitoraggio dell’ambiente interno nel tempo e nello spazio. Da una parte, i modelli numerici forniscono informazioni complete e continue sull’intero dominio. Dall’altra, i dati da campo dei sensori consentono di ridurne le lacune dovute sia ai limiti di precisione intrinseci nell’approccio numerico sia all’incapacità di gestire azioni impreviste, come l’apertura/chiusura delle finestre.

Dofware si propone di definire un’architettura di co-simulazione in cui i modelli numerici sfruttano i dati dei sensori come input da fornire al modello numerico ad intervalli di tempo fissi. Tra due campionamenti consecutivi, la simulazione viene eseguita in modo autonomo. Quando vengono forniti i dati da campo, gli input del modello vengono aggiornati e la simulazione riparte dall’ultimo campo calcolato. Il modello numerico, basato sull’accoppiamento di unità a parametri concentrati (sviluppate in Modelica) con la trattazione dettagliata 3D fornita dall’FFD, deve da parte sua essere più veloce del tempo reale, dovendo tenere il passo con i dati da campo.

3) Visualizzazione dei risultati con la Realtà Aumentata

Figura 3: Esempio di mappa termica ottenuta con l’FFD e rappresentata tramite tecniche di Realtà Aumentata.

Dofware è in grado di realizzare strumenti software per la condivisione dei risultati delle simulazioni numeriche in Realtà Aumentata (AR). Questa tecnologia permette la visualizzazione dei risultati 3D fluidodinamici su immagini reali dell’ambiente in oggetto.

Questo sistema risulta molto efficace nella condivisione dei risultati all’interno di team di lavoro eterogenei, con attori dalle diverse competenze. Sovrapponendo i risultati virtuali alle immagini reali, l’AR infatti permette anche ad un tecnico non esperto di comprendere ed analizzare i risultati fluidodinamici.