Prototipo – Camino per ventilazione naturale
Progetto per un edificio ventilato tramite camini a ventilazione naturale
EOLIOS Engineering è stata incaricata da uno studio di architettura di studiare la ventilazione naturale di un futuro edificio. L’edificio sarà composto da spazi adibiti a uffici, ventilati tramite camini eolici. In questo tipo di ventilazione naturale, l’effetto primario non è la corrente d’aria termica, bensì l’azione del vento.
In questo studio, EOLIOS ha analizzato diverse tipologie di camini e ha determinato quale offra il miglior flusso d’aria.
Prototipo - Camino per ventilazione naturale
Anno
2024
Cliente
Posizione
Reuni
Tipologia
Ingegneria del clima
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Simulazione numerica della ventilazione naturale tramite camino eolico
Presentazione generale del progetto
Eolios ha condotto uno studio approfondito su un futuro progetto architettonico che comprende due componenti principali : una sezione dedicata alle abitazioni e un’altra agli spazi commerciali . La nostra attenzione si concentra in particolare su quest’ultima parte , poiché sono proprio gli spazi commerciali a beneficiare di un sistema di ventilazione naturale .
Studio del clima
Per condurre questo studio sulla ventilazione naturale , eseguiamo innanzitutto un’analisi climatica del futuro sito per effettuare simulazioni quanto più realistiche possibile . Per questo progetto, l’analisi climatica ha rivelato che il vento soffia principalmente da sud-ovest . Un secondo vento prevalente proviene da nord-est . Dopo aver identificato questi venti prevalenti , ne misuriamo l’intensità , ovvero la velocità media del vento in queste direzioni , nonché le velocità minime e massime per studiare i casi estremi .
È stato inoltre condotto uno studio sulle temperature in base alle stagioni, ma i risultati non sono presentati in questa sezione . Nella restante parte dell’articolo, presenteremo i risultati relativi a un vento da sud-ovest con una velocità di 6 m/s , che, secondo questo studio climatico, risulta essere il vento più frequente .
Modello 3D
Per studiare la ventilazione naturale di un edificio, è fondamentale considerare gli edifici circostanti che fungono da barriere all’aria . Queste strutture possono influenzare significativamente il flusso d’aria intorno e attraverso l’edificio in esame. La presenza di edifici adiacenti può creare aree di pressione e turbolenza variabili che influenzano la direzione e la velocità del vento . Pertanto, una modellazione accurata di questi edifici circostanti è essenziale per una valutazione realistica della ventilazione naturale.
La modellazione degli edifici circostanti ci permette di simulare gli effetti degli ostacoli sul flusso d’aria. Ciò include l’identificazione delle zone d’ombra del vento , dove il flusso d’aria è ridotto o interrotto, e dei canali di vento , dove il flusso d’aria è accelerato. Questi fenomeni possono influenzare la qualità dell’aria interna , il comfort termico e l’efficienza energetica dell’edificio in esame. Una modellazione efficace aiuta a individuare le posizioni ottimali per le aperture di ventilazione , come finestre e prese d’aria, al fine di ottimizzare l’immissione di aria fresca e l’espulsione dell’aria viziata .
Taglia
Il corretto dimensionamento dei condotti di ventilazione è essenziale per una ventilazione efficace . Eolios offre la sua esperienza nel dimensionamento e nel miglioramento dei sistemi di ventilazione naturale . Successivamente, la simulazione CFD consente di verificare tale dimensionamento . Il vantaggio della CFD risiede nella possibilità di testare molteplici sistemi e configurazioni . Infatti, è più semplice modificare i sistemi di ventilazione durante la fase di simulazione che una volta installati.
Test di diversi camini tramite CFD
Sono stati effettuati studi su diversi camini:
- Uno con un condotto rettangolare alto 4 m e una cappa piatta
- Due con un condotto cilindrico alto 4 m: uno con una cappa emisferica fissa e l’altro rotante
- E una facciata alta 4 m con due orientamenti
L’obiettivo dello studio è determinare la forma più idonea al progetto confrontando il flusso d’aria estratto dai camini in diverse configurazioni. Le aree di raccolta e le dimensioni delle canne fumarie sono equivalenti per ogni studio, al fine di confrontare unicamente l’efficienza del tiraggio naturale .
Velocità dell'aria attraverso le 4 diverse configurazioni del camino
Gli studi dimostrano che i camini con comignolo rotante creano il tiraggio più forte . Il loro flusso di scarico è circa il doppio di quello dei camini con comignolo fisso , indipendentemente dalla direzione del vento o dalle interferenze degli edifici circostanti. Inoltre, il comignolo ruota per garantire condizioni ottimali, con conseguente miglioramento del tiraggio .
I camini di facciata possono rappresentare una soluzione interessante, nonostante alcuni limiti. Sono fortemente dipendenti dalla direzione del vento ; a seconda della direzione del vento e dell’orientamento del camino, quest’ultimo può funzionare sia come presa d’aria che come sfiato, il che può essere sia un vantaggio che uno svantaggio .
Nel contesto di questo studio, al fine di ottenere il miglior tiraggio possibile, si predilige il camino con cappa girevole .
Simulazioni e risultati
Questa sezione presenta i risultati delle simulazioni CFD con condotti individuali e camini cilindrici mobili . Infatti, come dimostrano le simulazioni iniziali, questo tipo di camino risulta essere il più efficiente .
I risultati della simulazione presentati di seguito si riferiscono a un vento da sud-ovest di circa 6 m/s . Questa è la velocità del vento prevalente nell’area del progetto . È importante notare che sono state testate anche altre direzioni e velocità del vento , ma non sono riportate in questo articolo.
Le aree rosse indicano quali camini sono maggiormente interessati dal vento proveniente da sud-ovest . Quelli in cui queste aree rosse non sono presenti sono meno colpiti da questo vento grazie alla presenza di altri camini a monte .
Al fine di confrontare camini fissi e mobili, sono stati condotti due studi per ciascun caso, che vengono presentati di seguito.
Distribuzione della velocità nei singoli condotti delle ciminiere mobili - Studio preliminare di dimensionamento
A prima vista, le velocità dell’aria nelle canne fumarie dei camini mobili sembrano superiori a quelle delle canne fumarie dei camini fissi . Inoltre, si può osservare una differenza tra le canne fumarie dei camini fissi . Infatti, nel caso dei camini fissi, la canna fumaria più lunga (1° piano) presenta una portata di 0,7 ricambi d’aria all’ora (VA/h) , ben al di sotto dei 5 VA/h previsti . Solo la canna fumaria più corta (5° piano) si avvicina a questo valore di 5 VA/h , e tale portata aumenta con ogni piano .
La tabella seguente riassume le portate per piano e per tipologia di camino :
Questa tabella mostra che la ventilazione con camini fissi è in media efficace la metà rispetto alla ventilazione con un camino mobile . È inoltre importante notare e ricordare che, nel caso di un camino fisso, il primo piano non riceve praticamente alcuna ventilazione .
In questo studio, le aperture di facciata analizzate si trovano in posizione elevata e si aprono una volta ogni due fotogrammi , come si può osservare nella figura sottostante.
Si nota che la serie di camini direttamente esposti al vento (cerchiati in rosso nella figura sopra) presenta portate significativamente superiori alla media degli altri camini . Per questi camini, l’obiettivo di 5 vol/h viene quindi raggiunto nel caso mobile , ma non ancora nel caso fisso .
Questi risultati preliminari indicano che la ventilazione naturale funziona correttamente nel caso del camino con comignolo mobile . In questo caso, i condotti sono stati dimensionati correttamente per ottenere un tasso di ventilazione di 5 ricambi d’aria all’ora (AV/h) .
Simulazione dello scarico notturno tramite ventilazione naturale
Quantificazione dei vantaggi della ventilazione naturale tramite camino
A seguito di studi sulle prestazioni di diverse tipologie di camini , è stato condotto uno studio per valutare la dissipazione del calore notturno in questo edificio utilizzando la ventilazione naturale e questi camini . La dissipazione del calore notturno si riferisce al processo di raffreddamento passivo che sfrutta il calo delle temperature esterne durante la notte per rimuovere il calore accumulato durante il giorno. Questo fenomeno si basa sulla circolazione naturale o forzata dell’aria , riducendo così la temperatura interna e migliorando il comfort termico senza ricorrere all’aria condizionata meccanica .
Questo studio si propone di quantificare l’ efficacia di questo meccanismo in funzione delle condizioni climatiche , delle caratteristiche dell’edificio e dei flussi d’aria indotti .
Condizioni per lo scarico notturno
Per modellare uno scarico notturno corrispondente a uno scenario realistico , abbiamo scelto di simulare una differenza di temperatura di 10 °C tra l’aria interna ed esterna . Più specificamente, abbiamo considerato due situazioni caratteristiche: una temperatura esterna di 18 °C e una temperatura interna di 28 °C .
Questa scelta si basa sul presupposto che, durante i periodi di caldo intenso, l’accumulo di calore all’interno dell’edificio provochi un aumento della temperatura interna, mentre il calo delle temperature esterne durante la notte inneschi un effetto di raffreddamento passivo . Questa differenza di temperatura favorisce la ventilazione naturale creando un gradiente termico che incoraggia la circolazione dell’aria attraverso i camini e le aperture dell’edificio.
Le condizioni del vento sono state determinate anche sulla base di uno studio climatico precedente. Per questo studio è stato scelto il vento prevalente nel sito.
Risultati degli studi sulle emissioni climatiche
I risultati delle misurazioni notturne consentono di individuare facilmente le aree ben ventilate , dove le temperature interne sono relativamente vicine a quelle esterne . Queste aree beneficiano di un’efficiente circolazione dell’aria , favorendo il raffreddamento passivo dell’edificio.
Al contrario, vengono evidenziate anche le aree scarsamente ventilate . In questi spazi, la circolazione dell’aria è più limitata, con conseguenti temperature residue elevate , prossime ai 28°C . Individuare queste aree è fondamentale per ottimizzare la strategia di ventilazione naturale , regolando le aperture o integrando soluzioni per migliorare il ricambio d’aria e omogeneizzare la distribuzione della temperatura.
Questo studio ha individuato i punti critici di surriscaldamento nell’edificio e ne ha analizzato l’impatto sul comfort termico . Nel complesso, la dispersione di calore notturna si è dimostrata efficace nel mantenere temperature confortevoli nella maggior parte dell’edificio , favorendo un raffreddamento passivo ottimale.
Tuttavia, si osserva che le zone con scarso movimento dell’acqua non traggono beneficio dallo scarico notturno.
Inoltre, questo studio ha svolto un ruolo chiave nel supportare il nostro cliente nell’ottimizzazione della ventilazione naturale . Grazie ai risultati ottenuti, siamo stati in grado di stilare un elenco di buone pratiche per massimizzare la ventilazione naturale e, di conseguenza, migliorare la dispersione di calore notturna . Queste raccomandazioni mirano in particolare a ottimizzare la gestione delle aperture , regolare i flussi d’aria e sfruttare appieno le differenze di temperatura per migliorare l’ efficacia del raffreddamento passivo .
Video riassuntivo dello studio
Video riassuntivo dello studio
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