Progettazione di sistemi HVAC

La qualità dell’aria rientra tra gli aspetti principali da considerare nella realizzazione e nella gestione di 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 di controllo. Per spazi chiusi non ci si riferisce solo all’ambito edilizio (edifici residenziali e uffici, grandi ambienti come teatri, auditorium, musei, cinema, ecc.), ma a tutti gli ambienti che necessitano di climatizzazione controllata: dall’industria dei trasporti (cabine d’aereo, automobili, vagoni dei treni, ecc.) ai plant industriali, dagli spazi con carichi termici sbilanciati (data center, ecc.) agli ambienti dove la qualità dell’aria e il microclima devono sottostare a normative ben precise (sale chirurgiche, ecc.).

I sistemi HVAC (Heating, Ventilation and Air Conditioning) ricoprono un ruolo fondamentale nel garantire il controllo climatico. 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 concentrando anche sulla massimizzazione del loro efficientamento energetico.

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

Qui di seguito un elenco di alcune delle proposte di DOFWARE:

La fluidodinamica computazionale (CFD) viene utilizzata nella progettazione HVAC per la sua accuratezza nella previsione dei campi di moto e dei campi termici. Una volta specificate la geometria, le condizioni al contorno ed 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 alternative. 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) . Di fatto, si tratta di un compromesso 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 nell’ultimo decennio per riprodurre virtualmente il comportamento dei campi di moto e termico. Oggi questo metodo permette in tempo reale di simulare l’evoluzione del comfort termico e della qualità dell’aria all’interno di ambienti chiusi, diventando 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 la bontà del posizionamento e del funzionamento dei sistemi HVAC, effettuare lo studio dei fenomeni termici, calcolare l’andamento della temperatura e la diffusione di inquinanti, il tutto tenendo anche conto delle condizioni ambientali esterne al dominio di interesse. Il software 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.

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, con gli elevati costi di infrastruttura che ne conseguono. In alternativa, DOFWARE propone un approccio ibrido: i dati rilevati con i sensori vengono posti in collaborazione con i modelli numerici per il monitoraggio 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 ridurre le lacune dei modelli numerici dovute sia ai limiti di precisione intrinseci nell’approccio numerico sia all’incapacità di rilevare azioni impreviste (apertura/chiusura di finestre, ecc.).

DOFWARE propone 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 (rappresentato, ad esempio, dal frutto dell’accoppiamento di unità a parametri concentrati sviluppate in Modelica con la trattazione dettagliata 3D fornita dall’FFD, vedasi immagine seguente) deve, da parte sua, essere più veloce del tempo reale, dovendo tenere il passo con i dati da campo.

DOFWARE è in grado di realizzare strumenti software per la condivisione dei risultati delle simulazioni numeriche in Realtà Aumentata (AR). Questa tecnologia permette la sovrapposizione dei risultati 3D fluidodinamici ad immagini reali dell’ambiente oggetto di studio. 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 uso alle simulazioni numeriche di comprendere e di poter analizzare i risultati dei calcoli fluidodinamici.