Airflow fields analysis in bounded domains with CFD methods

Nel lavoro svolto in questa tesi l'attenzione è rivolta ai fenomeni di ventilazione naturale che avvengono negli edifici. Il primo studio ha riguardato il potenziale della modellazione numerica relativamente alle prestazioni dell'edificio come parte di uno schema di controllo della ventilazione mista in riferimento a un caso test. A tal fine è stato utilizzato un software di simulazione dinamica (TRNSYS) per valutare il fabbisogno annuale di energia accoppiato a un programma di ottimizzazione (GenOpt) in grado di modificare i parametri di interesse in maniera iterativa; i risultati dell analisi hanno permesso di individuare la combinazione di parametri per cui il consumo energetico è minimo su base annuale. Sono state considerate nell'analisi le condizioni climatiche e gli elementi rappresentativi del tipo di utilizzo dell'edificio come i carichi interni. Dai risultati numerici di questa analisi è stato possibile mostrare come un analisi dettagliata della ventilazione naturale all interno di ambienti di piccole dimensioni possa portare a un risparmio di energia senza compromettere il comfort termico. Questo è stato provato per diverse regioni climatiche, tarando i diversi parametri che gestiscono la ventilazione naturale nella stanza adibita a ufficio soggetta a ventilazione mista. Il lavoro ha dimostrato come la ventilazione naturale per essere efficiente debba essere pianificata a priori sia per definire le aperture sia per stabilirne la gestione. D'altro canto, in ambienti interni di grandi dimensioni come atri o chiese, dove avvengono fenomeni molto più complessi nei campi di moto dell'aria, la ventilazione naturale non è così semplice da analizzare. Questo fatto spinge all'adozione di metodi caratterizzati da una maggiore risoluzione al fine di meglio definire le caratteristiche del deflusso, quando si studiando intende studiare il comfort termico e la qualità dell'aria. In particolare, negli ultimi anni, c'è stata una crescente attenzione riguardo allo studio dei campi di moto dell'aria all interno degli edifici, dovuto al diffuso interesse nel ridurre le perdite di energia e a incrementare l'efficienza dei sistemi di riscaldamento. Un problema tecnico non banale riguarda il riscaldamento delle chiese, dal momento che queste oggi sono sempre più utilizzate sia per funzioni religiose che come centri culturali. Tale questione è tuttora aperta, non avendo ancora trovato una soluzione definitiva. Nel corso dell'ultimo secolo, a seguito dell'installazione dei sistemi di riscaldamento, si è manifestato un aumento di danni delle opere d arte e delle preziose decorazioni all interno delle chiese storiche. Inoltre in ambienti di questo tipo, a causa dell accentuato sviluppo verticale e della presenza di grandi finestrature, si possono verificare importanti fenomeni di convezione naturale o fenomeni di stratificazione in cui l'aria calda tende a ristagnare in regioni lontane dalla zona occupata. Le conseguenze possono essere discomfort termico o spreco di energia. Pertanto non è possibile progettare impianti di riscaldamento secondo metodologie standard, quanto dal momento che gli impianti di riscaldamento devono realizzare il miglior compromesso fra conservazione dei beni culturali, costi di esercizio e di manutenzione, risparmio energetico e comfort. Per gestire queste esigenze spesso contrastanti, i modelli macroscopici o ingegneristici che descrivono il sistema reale con un numero ridotto di valori di temperatura, pressione e portata di massa, non sono molto spesso adeguati, mentre la fluidodinamica numerica è uno strumento potente e versatile per ottenere una previsione più affidabile del moto dell'aria e dei campi termici che avvengono negli edifici. Dopo aver illustrato il problema del riscaldamento delle chiese storiche e i principi della CFD, si è condotta un'analisi dettagliata della chiesa di St.Marien a Wismar per dimostrare l'utilità di questi metodi per questo tipo di applicazioni. Sulla base dei dati sperimentali raccolti durante l'inverno 2003-2004, è stato realizzato e tarato un modello energetico dinamico della chiesa. I risultati forniti hanno permesso di stimare le condizioni al contorno per una serie di simulazioni della chiesa di St.Marien basate sul codice commerciale FLUENT, per identificare un modello numerico che potesse essere un buon compromesso fra semplicità del dominio spaziale di calcolo, risparmio di risorse di calcolo, accuratezza e affidabilità della soluzione. Una volta realizzato, il modello è stato validato con alcuni valori di temperatura registrati durante il periodo di monitoraggio. Le simulazioni hanno evidenziato la presenza un cortocircuito in corrispondenza a un fan-coil installato a pavimento. Questo non sarebbe stato possibile con un'analisi basata su modelli semplificati, indicando la necessità, per i grandi ambienti, di portare avanti insieme sia le analisi macroscopiche che quelle di dettaglio con metodi CFD. Questo risultato ha spinto a provare in modo più stretto di accoppiare modelli energetici e CFD al fine di predire le prestazioni energetiche degli edifici. E stato quindi prodotto un metodo per stimare le prestazioni di componenti ventilati dell'involucro edilizio su base annuale. Il metodo è stato testato su un tetto ventilato. Si è quindi potuto verificare il miglior comportamento energetico del tetto ventilato rispetto a una equivalente copertura tradizionale.