Ing. Maritza Raccuglia - Proposal Engineers Maico Italia S.p.A. SECONDA PARTE

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1 PROGETTAZIONE E REALIZZAZIONE DI UN SISTEMA DI VENTILAZIONE FORZATA PER L ESTRAZIONE DEGLI INQUINANTI DI UN PARCHEGGIO SOTTERRANEO CON I VENTILATORI A GETTO JET FANS I sistemi di evacuazione forzata dei parcheggi si muovono sempre più velocemente verso soluzioni ad alto tasso di automazione che permettono di contenere i costi di esercizio e di garantire la massima sicurezza gestendo l interazione con altri sistemi presenti; analisi di un caso studio Ing. Maritza Raccuglia - Proposal Engineers SECONDA PARTE

2 PREMESSA: 2 I FATTORI POTENZIALI DI RISCHIO DERIVANTI DA UN INCENDIO: 2 FUNZIONI E VANTAGGI DELLA VENTILAZIONE FORZATA IN CASO DI INCENDIO: 2 PRODOTTI E SUPPORTO ALLA PROGETTAZIONE: 2 ANALISI DI UN CASO STUDIO PER LA REALIZZAZIONE DI UN SISTEMA DI VENTILAZIONE ED ESTRAZIONE INQUINANTI CON L UTILIZZO DI VENTILATORI A GETTO JET FANS : 3 INTRODUZIONE: 3 DATI DI PROGETTO PARCHEGGIO: 4 CALCOLO PROGETTUALE: 4 VERIFICA FLUIDODINAMICA: 6 ANALISI AZIONE AGENTI INQUINANTI: 7 ANALISI FLUIDODINAMICO (CFD): 9 REALIZZAZIONE DEL MODELLO CFD: 10 RISULTATI ANALISI CFD: 12 VANTAGGI: 12

3 PREMESSA: Il controllo del fumo e del calore in caso di incendio è indispensabile per la salvaguardia di persone e strutture edili ed in particolare l utilizzo di Sistemi di Evacuazione Fumo e Calore (SEFC) lo sono per creare zone libere da fumo al di sotto di uno strato di fumo in sospensione; in tal senso i sistemi di ventilazione meccanica sono la risposta sia per i problemi legati all evacuazione di fumi ad alta temperatura che per l aspirazione d emergenza in caso d incendio nonché per la rimozione degli inquinanti e tale è pratica ormai ampiamente diffusa. I FATTORI POTENZIALI DI RISCHIO DERIVANTI DA UN INCENDIO: produzione di gas e sostanze tossiche prodotti dalla combustione, con effetti di lacrimazione ed incapacità di fuga sviluppo di fumo (sospensione di cenere nell aria) con conseguente visibilità ridotta o impedita sviluppo di alte temperature diminuzione dell ossigeno necessario all incendio e aumento del monossido di carbonio con effetti quali la perdita di conoscenza e la morte per asfissia (secondo le statistiche più dei 2/3 delle vittime degli incendi muoiono a causa di soffocamento o avvelenamento da fumo) FUNZIONI E VANTAGGI DELLA VENTILAZIONE FORZATA IN CASO DI INCENDIO: 1. Permette la rimozione dei fumi di incendio e la messa in depressione del locale impedendo l invasione da parte dei fumi di altri locali. Questo crea le migliori condizioni di fuga degli occupanti e facilita l individuazione del focolaio da parte dei vigili del fuoco 2. Contribuisce a mantenere una temperatura ambiente relativamente bassa ( C), mentre in caso di ambiente sigillato si possono superare facilmente i 1000 C, provocando la combustione di qualsiasi materiale per il solo calore radiante, condizione che renderebbe inutile qualsiasi intervento di spegnimento esterno. Riuscire a mantenere una temperatura relativamente bassa significa evitare il collasso delle strutture statiche portanti del locale. Inoltre la maggior percentuale di ossigeno provoca una migliore combustione con conseguente minor produzione di fumi tossici 3. Permette la dislocazione dei punti di apertura in luoghi diversi da quello controllato, essendo alcuni ventilatori facilmente canalizzabili 4. Consente l estrazione dei fumi freddi, che stratificandosi a basso livello sono estremamente dannosi per le persone e di difficilissima estrazione da parte dei sistemi non meccanici 5. Permette la ventilazione dei locali anche in situazioni di normale attività (aria pulita) con la possibilità di utilizzare il motore a doppia velocità, ad esempio bassa velocità, con relativa minore rumorosità, per ventilazione normale ed alta velocità per situazioni d emergenza. Naturalmente è necessario realizzare una linea elettrica di alimentazione dedicata e che funzioni automaticamente in caso d incendio. La regolamentazione della progettazione e dell installazione dei ventilatori antincendio è inquadrata dalla normativa di riferimento a livello europeo, la EN , che stabilisce le classi di temperatura/durata alle quali devono rispondere i prodotti certificati PRODOTTI E SUPPORTO ALLA PROGETTAZIONE: A supporto di tale necessità sono stati sviluppati dei specifici Ventilatori: JETFANS; tali apparecchi sono dei ventilatori assiali intubati ad impulso oppure centrifughi ad induzione progettati e omologati per l evacuazione dei fumi e gas caldi che si sprigionano durante un incendio nelle autorimesse chiuse ed in generale sono dual purpose ossia adatti anche alla ventilazione normale dei parcheggi (rimozione CO). A supporto dello sviluppo della progettazione e verifica di tali soluzioni vi è il Software CFD (Computational Fluid Dynamics) che è in grado di simulare tutte le variabili fluido-dinamiche e quindi le condizioni di impiego, di un impianto di ventilazione; questo strumento consente di sviluppare una simulazione finalizzata alla verifica del raggiungimento degli obiettivi sopra menzionati.

4 ANALISI DI UN CASO STUDIO PER LA REALIZZAZIONE DI UN SISTEMA DI VENTILAZIONE ED ESTRAZIONE INQUINANTI CON L UTILIZZO DI VENTILATORI A GETTO JET FANS : Maico Italia Spa azienda leader di Lonato del Garda provincia di Brescia nel settore della ventilazione con i suoi marchi Elicent e Dynair si è fatta carico dello sviluppo progettuale, della fornitura e verifica fluidodinamica (CFD) dell Impianto di Ventilazione Forzata di un parcheggio interrato come successivamente illustrato. INTRODUZIONE: Il sistema di ventilazione oggetto dell analisi è stato concepito in conformità con quanto riportato nell articolo 3.9.Ventilazione del D.M. Int. Dell 1 Febbraio 1986 relativo alle Norme di sicurezza per la costruzione e l esercizio delle autorimesse e simili. Tale normativa prevede che il sistema di aerazione naturale deve essere integrato con un sistema di ventilazione meccanica nelle autorimesse sotterranee aventi numeri di autoveicoli per ogni piano superiore a quello riportato nella tabella successiva: Nelle autorimesse di capacità superiore a 500 (cinquecento) autoveicoli deve essere installato un doppio impianto di ventilazione meccanica, per l immissione e per l estrazione. Il sistema d aerazione meccanica deve essere quindi progettato in modo tale che possa garantire almeno 3 ricambi ora, e che possa entrare in funzione quando la concentrazione di CO e/o di miscele infiammabili (rilevata tramite una corretta rete di sensori) superi i seguenti valori di soglia: a) un solo indicatore rivela valori istantanei delle concentrazioni di CO superiore a 100 ppm b) due indicatori simultaneamente rivelano valori istantanei delle concentrazioni di CO superiori a 50 ppm c) uno o più indicatori rivelano valori delle concentrazioni di miscele infiammabili eccedenti il 20% del limite inferiore d infiammabilità (1). (1) Rif. D.M del 01 Febbraio art

5 DATI DI PROGETTO PARCHEGGIO: Di seguito i dati salienti: un piano interrato a quota 4.40 m superficie complessiva di circa m² 836 posti auto due zone con dislivelli in altezza da 2.6 m a 2.9 m CALCOLO PROGETTUALE: Il senso del flusso dell aria è stato stabilito nella fase progettuale da destra (zona immissione) verso sinistra (zona estrazione), la disposizione dei ventilatori tenendo conto degli ingombri strutturali e impiantistici. Partendo dai dati soprastanti Maico Italia Spa ha sviluppato un doppio impianto di ventilazione forzata basato su acceleratori assiali a profilo circolare per autorimesse JETFAN Dynair, in grado di garantire una portata totale pari a quella richiesta con 3 ricambi/ora conforme a quanto citato dal D.M. del 01 Febbraio 1986 pari a m3/h: Piano interrato Comparto Superficie Altezza media Volumetria Portata per 3 r/h Primo -1 Unico m² 2.9 m m³ m³/h Considerata la diversità nelle altezze e onde rispettare l altezza di progetto di H = 2.20 m su tutta la superficie dell autorimessa stessa sono stati proposti due tipologie di macchine: 1) ventilatori assiali modello CC-JD 312/4 HT con dimensioni d ingombro in altezza di H = 400 mm per la zona in alto con altezza H=2.6 m 2) acceleratori assiali a profilo circolare modello CC-JD 402/4 HT con dimensioni d ingombro in altezza di H = 500 mm per le zone restanti ad altezza H=2.9

6 come di seguito riepilogato : Piano interrato Altezza Comparto MODELLO JET FAN PORTATA C/UNO Primo -1 H =2.9 m N 70 CC-JD 402/4 HT F m³/s (5.184 m³/h) H= 2.6 m N 1 CC-JD 312/4 HT F m³/s (2.520 m³/h) Il doppio impianto di ventilazione forzata è stato realizzato con i JET FAN con i seguenti accorgimenti: installazione a soffitto e distribuzione uniforme, tenendo conto della segnaletica verticale (segnali di stop, ingresso, uscita ecc.) ed ingombri strutturali e impiantistici (illuminazione, sprinkler ecc.) in modo da garantire un flusso di aria omogeneo, sia a livello del soffitto che del pavimento, per la rimozione degli inquinanti emessi dagli autoveicoli e indirizzarli verso le zone di espulsione all esterno predisposizione sia in immissione che in estrazione adatti anche per il funzionamento a 300 C/2H per emergenza incendio e certificati in accordo alla Normativa Europea EN e idonei quindi all estrazione di fumo e calore nel caso il committente volesse predisporre l impianto a tale scopo. Disposizione JET FAN Dynair zona 1

7 Disposizione JET FAN Dynair zona 2 VERIFICA FLUIDODINAMICA: Lo studio ha avuto lo scopo di analizzare il flusso d aria attraverso il parcheggio, verificando la condizione di 3 ricambi/ora (minime come da D.M. dello 01 Febbraio 1986) e il corretto posizionamento degli Jet Fans all interno della struttura, compatibilmente con i vincoli geometrici e strutturali imposti. In questa maniera si è cercato anche di garantire una distribuzione più possibile uniforme dell aria immessa, evitando la formazione di zone di ristagno, cioè zone nelle quali l aria potesse avere velocità di movimento nulla e di zone di accumulo, zone nelle quali la struttura del campo di moto avesse una struttura chiusa. Successivamente verrà anche illustrato come l impianto così dimensionato possa garantire la pulizia dell ambiente dagli agenti inquinati, in particolare concentreremo la nostra attenzione sul monossido di carbonio (vedere ANALISI AZIONE AGENTI INQUINANTI). Il valore aggiunto della rete di Jet Fans doveva essere tale da garantire che la velocità dell aria avesse dappertutto un valore accettabile (idealmente non inferiore al valor medio nominale) e, soprattutto, che non vi fossero zone in cui si potessero accumulare il CO (o altro gas indesiderato) emesso localmente. Aldilà delle prescrizioni normative, la questione non era quindi circoscritta al solo modulo della velocità ma impegnava anche la struttura locale del campo di moto, in particolare nelle zone più confinate.

8 ANALISI AZIONE AGENTI INQUINANTI: In questa sezione illustreremo come l impianto così dimensionato garantisca la pulizia dell ambiente, in determinate condizioni, dagli agenti inquinanti, concentrando la nostra attenzione sul monossido di carbonio (CO) con i seguenti dati di progetto: Volumetria Altezza Superficie di Ventilazione di Progetto (Q) Velocità media di attraversamento Totale (V) Media (Hm) Pavimento (A) dell aria (UMEAN) m³ 2,9 m m² m³/h = m³/s 0,30 m/s Il valore di velocità media di attraversamento dell aria U MEAN pari a 0,30 m/s è un dato ricavato dai risultati dell analisi CFD (vedere RISULTATI ANALISI CFD); per quest analisi è stata considerata come condizione di riferimento quella di normale esercizio del parcheggio e la portata di ventilazione longitudinale determina il flusso medio di aria che transita in direzione longitudinale attraverso il parcheggio per cui - secondo i dati sopra riportati - la velocità media di attraversamento è risultata: 0,30 m/s. Per il dimensionamento dell impianto di aspirazione dell aria dunque si è fatto riferimento alla seguente norma: "La portata dell'impianto di ventilazione meccanica deve essere non inferiore a tre ricambi orari", conformemente a quanto richiesto al punto "3.9.3 Ventilazione meccanica, Caratteristiche" del Decreto Ministeriale "Nuove norme di sicurezza antincendio per la costruzione e l'esercizio delle autorimesse" dell 1 Febbraio 1986, pubblicato sulla Gazzetta Ufficiale n.38 del 15 Febbraio 1986 Il Decreto Ministeriale però non indica alcuna procedura per ottimizzare tale valore, se non quello di determinare un numero di ricambi orari pari a 3; occorre quindi stabilire a quale variabile, legata alla vivibilità, deve essere associato un accettabile valore di velocità media dell aria. Una variabile candidata a tale legame è rappresentata dalla concentrazione di monossido di carbonio (CO), proveniente dalle emissioni dei motori delle auto in moto e/o spenti; la ventilazione dell aria deve contribuire pertanto a mantenere il livello di CO il più basso possibile, rispettando la normativa locale (se esiste) oppure delle linee guida. In mancanza di un testo chiarificatore a livello nazionale si è deciso di seguire quanto riportato dal manuale ASHRAE (American Society of Heating, Refrigerating and Air Conditioning Engineers) che fissa i criteri limite sulle concentrazioni d inquinanti raccomandati all interno di parcheggi interrati. Sono stati trovati in letteratura studi sperimentali, eseguiti a cavallo degli anni 2000 (ASHRAE Transaction, 2000, ANSI/ASHRAE Standard ) e successivi aggiornamenti (manuale ASHRAE 2007) relativi alla ventilazione necessaria a mantenere il livello di CO sotto limiti prestabiliti; secondo quanto riportato all interno del manuale il criterio guida del dimensionamento del sistema di ventilazione è che la concentrazione di monossido di carbonio risulti inferiore a un valore di picco designato: al momento tale valore di picco è 40 mg/m³ (35 ppm), con una concentrazione massima di 130 mg/m³ (120 ppm) In conformità a questi dati sperimentali è stato possibile stabilire un semplice criterio di dimensionamento della ventilazione come successivamente illustrato.

9 ventilazione unitaria K CO (l/m^2s^2) In Figura 1 è riportata la correlazione empirica del coefficiente di ventilazione K CO (litri/m 2 superficie del pavimento del parcheggio, in funzione della concentrazione massima di CO. s 2 ), basata sull area della coefficiente di ventilazione per unità superficie K CO= f(conc.max CO) 1,40E-03 1,20E-03 1,00E-03 8,00E-04 6,00E-04 4,00E-04 2,00E-04 0,00E concentrazione CO max (ppm) Figura 1: Correlazione empirica del coefficiente di ventilazione KCO in funzione della concentrazione massima di CO La portata di ventilazione u A, per unità di superficie di pavimento, è quindi calcolata come: - u A = K CO f t (dove f rappresenta il picco di generazione di CO normalizzato: f = 100 GR/ GR 0 ) Il valore di normalizzazione è assunto pari a: - GR 0 = 26,8 g/(ora m²) - GR = N. macchine*r (emissione singola macchina)/a (per l emissione media di ogni singola macchina vedere i dati in Tabella 1 t il tempo medio operativo delle macchine nel parcheggio) Tabella 1: Tipica Emissione di CO di singola macchina all interno di un parcheggio Per i seguenti valori assunti (del tutto indicativi): di N= 30 macchine, R= 16,67 g/minuto= 1.000,00 g/ora, t= 120 s, concentrazione massima di CO= 35 ppm, -> si ottiene f= 100 * 7,692 / 26,8= 28,703: N R t concentrazione massima di CO f 30 macchine 16,67 g/minuto= 1.000,00 g/ora 120 s 35 ppm 100 * 7,692 / 26,8= 28,703

10 Ricambi Orari ed una velocità media per unità di superficie del pavimento pari a u A = -> corrispondente a 1,66 e-3*3600/2,60= 2,30 ricambi orari: u A ricambi orari Corrispondenza 0,482 e-3 * 28,703 * 120 = 1,66 [litri/m²s] 1,66 e-3*3600 / 2,60 = 2,30 Per avere una concentrazione di CO sotto i 35 ppm, con i dati ipotizzati, sono quindi risultati sufficienti i 3 ricambi orari in conformità alle Norme Ministeriali e ai dati di progetto. Sempre nel caso indicato di emissione (f= 28,703) si ottiene inoltre la curva parametrica dei ricambi orari, riportata nella Figura 3, e la curva parametrica della velocità assiale, riportata in Figura 4. Da questa curva si può ricavare, fissato un valore massimo di CO, la ventilazione necessaria mediante intersezione con una retta verticale passante per COmax. Alternativamente fissata una ventilazione si può determinare, mediante intersezione con una retta orizzontale, il corrispondente valore di COmax ottenuto con un valore f: RICAMBI ORARI 6,0 5,0 4,0 3,0 2,0 1,0 0, Concentrazione CO max [ppm] Figura 3: Ricambi orari necessari al variare dell emissione totale di CO Figura 4: Velocità assiale al variare dell emissione totale di CO ANALISI FLUIDODINAMICO (CFD): Tale analisi si basa su una simulazione che integra variabili quali il numero di ricambi/ora necessari (definiti dalla legislazione specifica ad ogni paese), il volume e la direzione dell aria e le caratteristiche strutturali di ogni singolo parcheggio (in modello 3D). I dati elaborati generano degli scenari dinamici basati sui profili di velocità dell aria, sul moto delle particelle e sulla distribuzione dei flussi di aria. Ne risulta un progetto finale fatto su misura. Questo metodico processo consente non solo di misurare l effettiva efficacia del sistema, ma anche di garantirne l ottimizzazione da un punto di vista economico in quanto si evitano progetti sovradimensionati.

11 REALIZZAZIONE DEL MODELLO CFD: Al fine di ottenere un analisi attendibile e quindi con un grado elevato di accuratezza e affidabilità, è importante che il modello matematico sia realizzato in maniera adeguata. MAICO ITALIA / DYNAIR ha sviluppato un modello matematico tridimensionale partendo dai dati forniti dal progettista sotto forma del lay-out bidimensionale in formato autocad con segnaletica verticale. Modello 3D con il posizionamento dei JET FAN Dynair tenendo conto della segnaletica verticale Modellazione tridimensionale del JET FAN E stata usata particolare attenzione nella fase di modellizzazione degli Jet Fans perché si è cercato di ottimizzare, in fase progettuale, le prestazioni degli stessi; di seguito sono riportati i dati di simulazione : Modello fluido Turbolenza Risolutore Discretizzazione Risolutore Risoluzione a JET-FAN Condizioni spaziale algebrico parete al contorno fluido incomprimibile standard k-epsilon FEM, SIMPLE p/v coupling Stabilized Galerkin Conjugate Gradient N/A, WallFunction utilizzate volume flow inlet Pressione, Parete Per la risoluzione del problema è stata utilizzata una griglia di tipo tetraedrico, con dimensione media definita in funzione del gradiente locale di pressione e velocità mediante un approccio risoluzione-rifinimento. Il raccordo con le pareti è stato effettuato mediante 5 elementi prismatici equi-spaziati con l utilizzo di WallFunction per ovviare a problemi di risoluzione. Fattori quali inclinazione (skewness) degli elementi e rapporto d aspetto (aspect ratio) sono stati utilizzati per discriminare la qualità della mesh iniziale e tenuti entro limiti accettabili per simulazioni di questa tipologia. Riguardo alle condizioni al contorno per le equazioni della turbolenza si è imposto un intensità turbolenta del 10% in tutte le portate degli JETFAN, dato sottostimato a favore di sicurezza causa minore diffusività del getto stesso, mentre per le aperture del parcheggio è stata sufficiente l applicazione di una condizione di pressione statica fissata.

12 Le simulazioni sono state portate avanti fino allo stabilizzarsi della velocità media pesata su tutti gli elementi della griglia, entro un intervallo del 3% per almeno 1000 iterazioni. La fase successiva consiste nell introduzione delle condizioni al contorno e delle condizioni iniziali, quali: pressione esterna e temperatura dell aria immessa dall esterno. Una volta che le condizioni di contorno sono state inserite e non è rilevato nessun conflitto, si passa alla creazione del database dei materiali e dei fluidi coinvolti dall analisi. Ogni volume e ogni superficie deve essere associata a un materiale che a sua volta è associato a una matrice contenente tutte le caratteristiche principali. Durante questa fase di definizione dei materiali, al modello dei ventilatori è assegnata la curva delle prestazioni aerauliche (Curva Portata - Pressione). Successivamente è definita la meshatura, cioè la quantità di volumi primitivi in cui suddividere il modello solido. Questa è l operazione più importante durante la fase dell impostazione dell analisi perché, secondo il valore di mesh definito per ogni parte (elemento, fluido, volume, superficie o spigolo) del modello, potremo approfondire lo studio dei risultati e soprattutto avere una soluzione senza punti di discontinuità che possono portare a una divergenza, quindi a una soluzione non accettabile. La definizione di un livello di mesh molto fitto (volumi molto piccoli rispetto al volume totale del modello solido) fornisce dunque risultati più particolareggiati, ma bisogna anche considerare che un valore troppo folto di mesh possa portare al blocco dell analisi, data l enorme quantità di calcolo e di memoria richiesta. Bisogna perciò trovare un buon compromesso tra l accuratezza con la quale si vogliono i risultati dell analisi e la possibilità, in termini pratici, del conseguimento degli stessi. Nell immagine seguente si può notare come l intero volume del compartimento sia suddiviso in un numero molto elevato di elementi; più è alto questo numero maggiore sarà l approssimazione e l attendibilità della simulazione. Volumi Mesh con particolare interno segnaletica verticale Per contro il motore del software si trova a dover risolvere un maggior numero di equazioni, richiedendo quindi una notevole capacità di calcolo e tempo all elaboratore. Quando tutti i dati necessari all avvio della simulazione sono stati inseriti, l elaboratore procede nello sviluppo di una soluzione di equilibrio, studiando e ricalcolando per ogni punto del modello tutte le variabili fluido-dinamiche. Lo stato di equilibrio si ottiene quando tutte le variabili di stato convergono a un determinato valore, oppure le soluzioni oscillano attorno ad un valore fisso con ampiezza e frequenza costanti.

13 In media ogni simulazione (escluso la creazione di modello matematico e database materiali) è durata più di 500 minuti; il calcolatore ha eseguito 1000 iterazioni per arrivare a convergenza: Convergenza dei risultati fluidodinamici N.B.: FINE SECONDA PARTE - CONTINUA RISULTATI ANALISI CFD: VANTAGGI: CONCLUSIONI: Per maggiori informazioni: Lonato del Garda (BS) Febbraio 2016 Tel info@maico-italia.it Ringraziamenti: Prof.ri R. Sala L. Castellano per il supporto fornito Bibliografia: ASHRAE Transaction, 2000, ANSI/ASHRAE Standard