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Sistema di ventilazione meccanica controllata VMC Italia con bocchette di distribuzione DisAppAir Test preliminari di prova per la valutazione delle perdite di carico delle tubazioni e della potenza sonora emessa. RAPPORTO FINALE Codice Contratto: DGL7RICC02 Versione: 1.0 Data: 5 marzo 2018 Estensori del documento: Prof. Giuliano Dall'O' (Responsabile del contratto) Prof. Luca Sarto

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Sommario 1 Scopo del lavoro ............................................................................................................................ 32 Descrizione sistema ....................................................................................................................... 33 Descrizione del metodo di prova ................................................................................................... 54 Risultati della prova ....................................................................................................................... 65 Calcolo teorico delle perdite di carico ............................................................................................ 76 Misure della potenza sonora .......................................................................................................... 9

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1 Scopo del lavoro La Società VMC Italia S.r.l., operante nel settore della ventilazione meccanica controllata, ha affidato al Politecnico di Milano - Dipartimento di Architettura, Ingegneria delle costruzioni e Ambiente Costruito una attività di ricerca dal titolo "valutazione delle prestazioni di un sistema di ventilazione meccanica innovativo" (Contratto N. DGL7RICC04). Il programma di ricerca consiste nel coordinamento scientifico della sperimentazione del nuovo sistema di ventilazione effettuata su un impianto pilota realizzato presso la sede dell'Azienda situata a Pognano (BG). Presso la sede della Società VMC Italia sono state effettuate delle verifiche prestazionali sul sistema che verrà descritto nel seguito, con particolare riferimento alla questione relativa alla distribuzione dell'aria nelle canalizzazioni che collegano la macchina (unità di trattamento dell'aria) con i terminali di distribuzione (bocchette di immissione). le prove eseguite riguardano due aspetti della distribuzione: - verifica strumentale delle perdite di carico a differenti portate; - verifica strumentale delle emissioni sonore a differenti portate dell'aria. Il presente rapporto descrive l'impostazione metodologica delle prove effettuate e fornisce i risultati delle stesse. Pur avendo utilizzato strumentazione certificata, si precisa che il presente documento non ha valore di certificato di prova ma deve essere considerato come rapporto di studio preliminare, indispensabile comunque per fornire a progettisti e a installatori gli elementi utili preliminari per la progettazione dell'intero sistema. Nello studio si confrontano i risultati delle misure con quelli di calcolo analitico utilizzato le equazioni classiche della fluidodinamica. La convergenza dei risultati conferma la bontà delle prove effettuate. Il rapporto tra Politecnico di Milano e VMC Italia non si esaurisce con questi test, essendoci la volontà di VMC Italia nel promuovere campagne di monitoraggio finalizzate alla valutazione prestazionale, anche in termini energetici, dei nuovi sistemi installati in edifici reali. Tali campagne saranno oggetto di nuovi contratti di ricerca.

2 Descrizione sistema Il sistema proposto da VMC Italia, denominato "LET + DisAppAir (L+D)" è un sistema di ventilazione meccanica controllata (VMC) di tipo modulare per unità abitative, in grado di offrire i seguenti servizi:

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- VMC semplice a doppio flusso con recuperatore di calore;

- VMC + climatizzazione invernale;

- VMC + climatizzazione invernale + raffrescamento estivo.

Il sistema L+D si compone dei seguenti sottosistemi: - Unità di trattamento aria a portata variabile con recuperatore di calore in grado di gestire le tre configurazioni

sopra elencate;

- Sottosistema di controllo e regolazione;

- Sottosistema di distribuzione dell'aria;

- Sottosistema di diffusione dell'aria.

Una peculiarità del sistema L+D, che diventa anche l'elemento di innovazione, è il fatto che l'immissione (o la ripresa) dell'aria trattata agli ambienti climatizzati non avviene attraverso normali bocchette ma attraverso micro-bocchette, denominate bocchette DisAppAir di dimensioni tali da poter essere integrate in una normale placca elettrica 503 (figura 1).

Fig. 1 Bocchetta DisAppAir

Con questo sistema, più flessibile rispetto ai sistemi di distribuzione dell'aria tradizionali che utilizzano canalizzazioni, il collegamento aeraulico tra l'unità di trattamento aria e la bocchetta (di immissione o di ripresa, avviene attraverso tubi spiralati flessibili in polietilene di diametro interno 40 mm (fig. 2).

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Fig. 2 Tubo spiralato utilizzato nel sistema DisAppAir

La flessibilità nell'installazione di questo sistema, assimilabile a quella di un impianto elettrico, contrasta con un limite oggettivo funzionale. La sezione di queste canalizzazioni, infatti, è notevolmente inferiore rispetto a quella delle normali canalizzazioni. La minore portata d'aria di una singola canalizzazione viene compensata dalla possibilità di prevedere più punti di immissione dell'aria per uno stesso locale. Questo aspetto non è limitante per le configurazioni d'impianto di sola ventilazione o di ventilazione più climatizzazione dell'aria ma potrebbe esserlo nella configurazione più completa che prevede anche il raffrescamento estivo, quando le portate dell'aria devono essere maggiori. Da qui la necessità di avere informazioni corrette sulle perdite di carico dell'aria lungo le tubazioni e la necessità quindi di poterle misurare allo scopo di verificare i valori massimi di portata dell'aria.

3 Descrizione del metodo di prova Le prove di verifica delle perdite di carico e acustiche sono state fatte presso la sede di VMC Italia. Il sistema testato è costituito da: - una unità di ventilazione a portata variabile;

- un sistema di distribuzione costituito da due tubazioni in PVC con lunghezze rispettivamente pari a 10 e 25 m.

- una bocchetta DisAppAir installata su un sistema di supporto.

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Le tubazioni erano lineari. Le misurazioni delle perdite di carico sono state condotte nel seguente modo:

- misura della pressione statica del ventilatore all'ingresso della tubazione;

- misura della velocità dell'aria con cono anemometrico e Anemometro TESTO 435/4 con certificazione TST6592/2017 MI, TST6953/2017 MI, tst 6954/2017 MI del 10/10/2016.

Le misure della potenza acustica prodotta dalle bocchette sono state effettuate con un Fonometro HD 2010 + HD 9101 della Delta OHM con certificazione Accredia 06/07/2017.

4 Risultati della prova I risultati della misura sperimentale delle perdite di carico delle tubazioni utilizzate per la rete di distribuzione del sistema DISAPPAIR realizzate con tubo spiralato all'esterno (ma liscio all'interno) in materiale plastico del diametro interno di 40 mm hanno consentito di accertarne le caratteristiche fluidodinamiche. La figura 3 riporta, in un diagramma perdita di carico/portata d'aria, i punti emersi dalle prove e le curve di interpolazione quadratica relative.

Fig. 3 Perdita di carico misurate rispettivamente per la tubazione di 10 m (grigio) e 25 m (blu)

R²=0,9988

R²=0,99739

0

50

100

150

200

250

300

350

0 5 10 15 20 25 30 35 40

Perd

ite di

caric

o (Pa

)

Portata aria (m3/h)

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Il grafico mostra i valori misurati per tubi di 10 e 25 m di lunghezza. In entrambi i casi si può osservare come il coefficiente di correlazione delle due curve sia molto elevato.

5 Calcolo teorico delle perdite di carico A valle delle misure effettuate si è proceduto ad effettuare un calcolo teorico delle perdite di carico della tubazione in esame.

L'equazione di Darcy-Weisbach consente di calcolare le perdite di carico DP (Pa) di un fluido all'interno

di una tubazione:

DP = k (r Vm 2/2) [ 1 ]

dove k = f (L/D) [ 2 ] nelle equazioni sopra riportate:

r è la densità dell'aria (kg/m3)

Vm è la velocità media del fluido f è il fattore di attrito L è la lunghezza della tubazione (m) D è il diametro interno della tubazione (m). Il fattore di attrito è determinabile, tramite il diagramma di Moody e dipende dal Numero di Reynolds Re

e dalla scabrezza relativa e/D della tubazione dove e è la rugosità della parete interna della tubazione.

In mancanza di dati certi forniti dal produttore si ipotizza un valore di 0,02 mm, tipico delle superfici molto lisce (ad esempio ottone). Il numero di Reynolds Re può essere ricavato dall'equazione:

Re = (r V D)/µ [ 3 ]

dove:

r è la densità dell'aria (kg/m3)

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V è la velocità dell'aria (m/s) D è il diametro interno (m)

µ è la viscosità cinematica dell'aria (m2/s)

Considerando i range di velocità dell'aria misurati durante le prove (da 2,1 a 8,1 m/s), un valore della densità dell'aria a 20 °C pari a 1,204 kg/m3, un diametro interno di 40 mm ed una viscosità cinematica dell'aria di 1,57 10-5 m2/s i valori estremi di Re sono rispettivamente pari a 5645 e 21774. Dal diagramma di Moody si ricavano dei fattori di attrito f che sono pari a: f = 0,0357 per una velocità di 2,2 m/s f = 0,0254 per una velocità di 8,1 m/s. Il fattore di attrito medio risulta pertanto pari a 0,0305. Nel diagramma di figura 4 si riporta un confronto tra i valori di perdita di carico calcolati con la procedura di calcolo sopra descritta e le misure effettuate.

Fig. 4 Confronto tra i valori calcolati di perdita di carico ed i valori misurati

050

100150200250300350400450

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45

Perd

ite di

caric

o (Pa

)

Portata aria (m3/h)

Calcolo Misure

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Dal grafico di figura 4 è possibile osservare la coerenza tra i valori di perdita di carico misurati e quelli calcolati. A velocità elevate le perdite di carico misurate risultano inferiori rispetto a quelle ottenute dall'equazione [1], poiché si considera fisso il fattore di attrito che invece risulta più basso. Si è proceduto quindi ad elaborare, per comodità di utilizzo, una tabella contenente i valori di perdita di carico calcolati ed applicabili quindi al dimensionamento impiantistico (tabella 1).

Tab. 1 Perdite di carico della tubazione calcolati in funzione della portata d'aria

Portata (m3/h)

5 10 20 40

Velocità dell'aria (m/s) 1,10 2,21 4,42 8,84

Perdita di carico (Pa/m) 0,549 2,198 8,795 35,18

6 Misure della potenza sonora Sono state effettuate anche alcune misure acustiche sulle bocchette DISAPPAIR collegate ad un tratto di tubo di 10 m di lunghezza e 40 mm di diametro interno. Il setup sperimentale è stato realizzato in un ambiente riverberante di 150 m3. In funzione delle caratteristiche dell’ambiente sono stati ricavati i valori di potenza sonora generata dalla bocchetta.

Tab. 2 Potenza sonora nelle diverse prove in funzione della portata d'aria

Prova Portata (m3/h)

Velocità aria lungo il tubo (m/s)

Velocità uscita (m/s)

Lwa dB(A)

1 37 8,1 3,67 32

2 25 5,5 2,48 25

3 14 3,1 1,39 23

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La tabella 2 mostra i risultati delle misure effettuate per differenti portate d’aria, sono riportati anche i corrispondenti valori di velocità dell’aria nel condotto di alimentazione e in uscita dalla bocchetta. I livelli di rumore rilevati sono dovuti soprattutto al rumore generato dall’aria nel condotto poiché la velocità risulta superiore a 5 m/s per portate oltre i 20 m3/h, ciò è stato confermato da misure del rumore prodotto dal tubo senza bocchetta. Inoltre confrontando i risultati con dati di letteratura sul rumore prodotto da bocchette simili risulta che il rumore generalmente è al disotto dei 20 dB(A) per velocità in uscita sotto i 4 m/s. La bocchetta quindi in sé non contribuisce sostanzialmente al rumore immesso in ambiente e se alimentata con tubazione di 40 mm di diametro può garantire fino a 25 mc/h senza superare i 25 dB(A). Si stima di poter raggiungere i 50 m3/h senza superare i 30 dB(A) utilizzando un plenum per la bocchetta servito da 2 tubi da 40 mm, per questo sono in corso ulteriori prove.

Prof. Giuliano Dall'O' (Responsabile del contratto)