Prototipo – Camino di ventilazione naturale
Progetto per un edificio ventilato da ciminiere a ventilazione naturale
EOLIOS Ingénierie è stata contattata da uno studio di architettura per studiare la ventilazione naturale di un futuro edificio. I locali adibiti a uffici dovevano essere ventilati utilizzando dei pozzi di vento. In questo tipo di ventilazione naturale, non è l’effetto del tiraggio termico ad avere la precedenza, ma l’azione del vento.
In questo studio, EOLIOS ha studiato diversi tipi di camini e ha determinato quale fosse quello che offriva il miglior flusso d’aria.
Prototipo - Camino di ventilazione naturale
Anno
2024
Cliente
Posizione
Rennes
Tipologia
Ingegneria del clima
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Simulazione numerica della ventilazione naturale con una pila a vento
Presentazione generale del progetto
Eolios ha realizzato uno studio approfondito di un progetto architettonico futuro che incorpora due componenti principali: una sezione dedicata alle abitazioni e un’altra ai locali commerciali. La nostra attenzione si concentra in particolare su questa seconda sezione, in quanto saranno i locali commerciali a beneficiare di un sistema di ventilazione naturale.
Studio sul clima
Per realizzare questo studio sulla ventilazione naturale, abbiamo prima effettuato un’analisi climatica del futuro sito per rendere le simulazioni il più realistiche possibile. Per questo progetto, l’analisi climatica ha rivelato che il vento soffia principalmente da sud-ovest. Un secondo vento dominante proviene da nord-est. Dopo aver identificato questi venti dominanti, ne misuriamo l ‘intensità, ossia la velocità media del vento in queste direzioni, nonché la velocità minima e massima per studiare i casi estremi.
È stato effettuato anche uno studio sulle temperature in funzione della stagione, ma non viene presentato in questa sezione. Nel resto dell’articolo presenteremo i risultati relativi a un vento da sud-ovest con una velocità di 6 m/s che, secondo questo studio climatico, è il vento più frequente.
Modello 3D
Per studiare la ventilazione naturale di un edificio, è fondamentale prendere in considerazione gli edifici vicini che agiscono come maschere aerauliche. Queste strutture circostanti possono avere un impatto significativo sul flusso d’aria intornoe attraverso l’edificio in esame. La presenza di edifici vicini può creare zone di pressione e turbolenza variabile che influenzano la direzione e la velocità del vento. Pertanto, una modellazione accurata di questi edifici vicini è essenziale per una valutazione realistica della ventilazione naturale.
Modellando gli edifici vicini, è possibile simulare gli effetti degli ostacoli sulle correnti d’aria. Ciò include la determinazione delle zone d’ombra del vento, dove il flusso d’aria viene ridotto o disturbato, e dei canali del vento, dove il flusso viene accelerato. Questi fenomeni possono influenzare la qualità dell’aria interna, il comfort termico e l ‘efficienza energetica dell’edificio in esame. Una buona modellazione aiuta a individuare le posizioni migliori per le aperture di ventilazione, come finestre e bocchette, per ottimizzare l ‘apporto di aria fresca e la rimozione dell’aria viziata.
Dimensionamento
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. La simulazione CFD viene poi utilizzata per verificare il progetto. Il vantaggio della CFD sta nella possibilità di testare diversi sistemi e configurazioni. È più facile modificare i sistemi di ventilazione durante la fase di simulazione che quando sono già installati.
Prova diversi camini CFD
Sono stati condotti studi su diversi camini:
- Uno con un condotto rettangolare di 4 metri di altezza e un cofano piatto
- Due con un condotto cilindrico alto 4 m: uno con un coperchio semisferico fisso e l’altro rotante .
- E una facciata alta 4 metri con 2 orientamenti
Lo scopo dello studio è quello di determinare la forma più appropriata per il progetto confrontando i flussi estratti dai camini secondo le diverse configurazioni. Le superfici di cattura e le dimensioni delle canne fumarie sono equivalenti per ogni studio, in modo da confrontare solo l’efficienza del tiraggio naturale.
Velocità dell'aria per le 4 diverse configurazioni di camino
Gli studi dimostrano che il camino con cofano rotante crea il maggior tiraggio. Il rendimento è circa due volte superiore a quello dei camini con cofano fisso, indipendentemente dalla provenienza del vento o da eventuali disturbi provenienti dagli edifici circostanti. Inoltre, il cofano ruota in modo da trovarsi in condizioni ottimali,garantendo un tiraggio migliore.
I camini montati in facciata possono essere una soluzione interessante, nonostante alcuni vincoli. A seconda della direzione del vento e dell’orientamento del camino, possono funzionare sia come ingresso che come uscita dell’aria, il che può essere sia un vantaggio che uno svantaggio.
Ai fini di questo studio, per ottenere il miglior tiraggio possibile, il camino con cofano rotante è la scelta preferita.
Simulazioni e risultati
Questa sezione presenta i risultati delle simulazioni CFD con condotti individuali e camini cilindrici mobili. Infatti, come dimostrano le prime simulazioni, questo tipo di camino è il più efficiente.
I risultati della simulazione presentati di seguito si riferiscono a un vento da sud-ovest di circa 6 m/s. Questo è il vento prevalente nell’area del progetto. Va notato che sono state testate altre direzioni e velocità del vento, ma non vengono presentate in questo articolo.
Le aree rosse indicano i faraglioni più colpiti dal vento di sud-ovest. I faraglioni che non presentano queste macchie rosse sono meno colpiti da questo vento a causa della presenza di altri faraglioni a monte.
Sempre con l’obiettivo di confrontare camini fissi e mobili, sono stati condotti due studi per ciascuno dei casi e sono presentati di seguito.
Distribuzione della velocità nei singoli condotti dei camini mobili - Studio di predimensionamento
A prima vista, le velocità nelle canne fumarie dei camini mobili sono più elevate rispetto a quelle dei camini fissi. C’è anche una differenza tra le canne fumarie dei camini fissi. Nel caso dei camini fissi, il camino con la canna fumaria più lunga (1° piano) ha una portata di 0,7 Vol/h, ben al di sotto dei 5 Vol/h previsti. Solo la canna fumaria più corta (5° piano) si avvicina all’obiettivo dei 5 Vol/h e questa portata aumenta man mano che ci si sposta ai piani superiori.
La tabella seguente riassume le portate per piano e per tipo di camino:
Questa tabella mostra che la ventilazione con camino fisso funziona in media 2 volte meno bene rispetto alla ventilazione con camino mobile. È inoltre importante notare e ricordare che nel caso del camino fisso, il primo piano non viene praticamente ventilato.
In questo studio, le aperture delle facciate studiate sono in posizione superiore e si aprono una volta ogni due telai, come si può vedere nella figura seguente.
Si può notare che la serie di ciminiere direttamente esposte al vento (cerchiate in rosso nella figura precedente) hanno portate ben superiori alla media delle altre ciminiere. Per queste pile, l’obiettivo di 5 Vol/h è quindi raggiunto nel caso mobile, ma non nel caso fisso.
Da questi primi risultati possiamo vedere che la ventilazione naturale funziona correttamente nel caso del camino con cappa mobile.
In questo caso, i condotti sono stati correttamente dimensionati per ottenere un tasso di ventilazione di 5 Vol/h.
Simulazione di scarico notturno con ventilazione naturale
Quantificare i benefici della ventilazione naturale tramite camini
Dopo aver studiato le prestazioni di diversi tipi di camini, è stato condotto uno studio per valutare lo scarico notturno in questo edificio grazie alla ventilazione naturale e a questi camini. Lo scarico notturno corrisponde al processo di raffreddamento passivo che sfrutta l’abbassamento della temperatura esterna durante la notte per evacuare il calore accumulato durante il giorno. Questo fenomeno si basa sulla circolazione naturale o forzata dell’aria, che permette di ridurre le temperature interne emigliorare il comfort termico senza dover ricorrere al condizionamento meccanico.
Questo studio mira a quantificare l’efficacia di questo meccanismo in funzione delle condizioni climatiche, delle caratteristiche dell’edificio e dei flussi d’aria indotti.
Condizioni di 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 e quella esterna. In particolare, 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 elevato, l’accumulo termico all’interno dell’edificio porta a un aumento della temperatura interna, mentre l’abbassamento della temperatura esterna durante la notte avvia un fenomeno di raffreddamento passivo. Questa differenza di temperatura favorisce la ventilazione naturale, creando un gradiente termico che permette all’aria di circolare attraverso i camini e le aperture dell’edificio.
Anche le condizioni del vento sono state determinate sulla base dello studio climatico effettuato in precedenza. Per questo studio è stato scelto il vento prevalente in loco.
Risultati degli studi sulle scariche climatiche
I risultati dello scarico notturno permettono diindividuare facilmente le aree correttamente ventilate, dove la temperatura interna è relativamente vicina a quella esterna. Queste zone beneficiano di un’efficiente miscelazione dell’aria, che favorisce il raffreddamento passivo dell’edificio.
Al contrario, si evidenziano anche le aree poco ventilate. In questi spazi la circolazione dell’aria è più limitata, con conseguenti temperature residue elevate, vicine ai 28°C. L’identificazione di queste zone è essenziale per ottimizzare la strategia di ventilazione naturale, regolando le aperture o incorporando soluzioni per migliorare il ricambio d’aria e uniformare la distribuzione della temperatura.
Questo studio haidentificato i punti caldi dell’edificio e ne ha analizzato l’impatto sul comfort termico. In generale, lo scarico notturno si è dimostrato efficace nel mantenere temperature confortevoli nella maggior parte dell’edificio, favorendo un raffreddamento passivo ottimale.
Tuttavia, si può notare che le aree con poco traffico non beneficiano dello scarico notturno.
Lo studio ha avuto un ruolo fondamentale anche nell’aiutare il nostro cliente aottimizzare la ventilazione naturale. Grazie ai risultati ottenuti, abbiamo potuto stilare un elenco di buone pratiche per massimizzare la ventilazione naturale e, di conseguenza,migliorare il sollievo notturno. Queste raccomandazioni mirano in particolare a ottimizzare la gestione delle aperture, a regolare la portata d’aria e a sfruttare al meglio le differenze di temperatura per aumentare l’efficacia del raffreddamento passivo.
Video riassuntivo dello studio
Video riassuntivo dello studio
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