Panoramica
Monitoraggio
Impianti di trattamento dell'aria (UTA)Impianti di trattamento dell'aria (UTA)
Monitoraggio della UTA a servizio dell’aula 1
La necessità di ricambiare l’aria nelle aule e negli altri ambienti di lavoro viene normalmente soddisfatta con impianti di ventilazione, cioè con l’immissione di aria, spesso riscaldata o raffreddata a seconda della stagione dell’anno. L’aria proveniente dall’atmosfera urbana viene inoltre depurata dai contaminanti particellari in essa contenuti mediante elementi filtranti posti lungo il suo cammino.
Figura con schema dell’impianto di ventilazione
Il consumo energetico dell’impianto di ventilazione dipende dall’energia elettrica assorbita dai due ventilatori (di mandata e di ripresa) che movimentano l’aria trasportandola dall’esterno verso gli ambienti. La quantità di energia spesa dall’impianto di ventilazione dipende dalla quantità di aria immessa all’interno degli ambienti e dalle resistenze al moto lungo i canali di ventilazione e attraverso l’unità trattamento aria (UTA).
Attualmente il Politecnico di Torino sta effettuando il monitoraggio del funzionamento dell’impianto a servizio dell’aula 1 in grado di ospitare circa 400 studenti e usata con continuità.
Le grandezze misurate sono elencate qui di seguito, giustificandone l’importanza.
- Potenza elettrica istantanea [W] ed energia elettrica [kWh] consumata dai due motori elettrici collegati ai ventilatori di mandata e di estrazione.
L’andamento della potenza elettrica istantanea consente di valutare la modalità di funzionamento del sistema di ventilazione e più in particolare la correlazione con le resistenze al moto e la portata di aria immessa in ambiente. Infatti, note queste altre grandezze si può anche risalire all’efficienza del ventilatore che è un parametro normalmente sconosciuto perché influenzato dall’efficienza intrinseca del motore elettrico, dal rendimento della trasmissione e dal rendimento della specificità del ventilatore.
Siccome la potenza istantanea fluttua notevolmente è opportuno misurate anche l’energia elettrica consumata che rappresenta l’integrazione nel tempo della potenza elettrica e che costituisce per il Politecnico il parametro più rilevante dal punto di vista economico e gestionale.
Le grandezze menzionate vengono misurate da moduli inseriti nel quadro elettrico che misurano l’intensità di corrente con la quale, nota la tensione, si ricava la potenza istantanea. L’energia viene ricavata dallo strumento integrando nel tempo la potenza misurata. - Portata di aria [m3/h] in mandata e in ripresa dall’aula; portata espulsa e prelevata dall’esterno.
La misura istantanea della portata è indispensabile per valutare la quantità di aria effettivamente immessa nell’ambiente poiché i ventilatori funzionano con numero di giri costante e quindi al variare della resistenza al moto lungo i canali di ventilazione varia anche la portata immessa nell’aula. Inoltre, essendo l’impianto in grado di variare la frazione di aria ricircolata (cioè l’aria estratta dall’ambiente e, dopo averla trattata termoigrometricamente e filtrata, reimmessa al suo interno), risulta importante valutare la portata lungo i vari rami dell’impianto poiché questa può variare significativamente (in alcune parti da 0 a 100%).
Le portate sono misurate impiegando strumenti basati sul principio del “Tubo di Pitot”. Si misura quindi la pressione dinamica della corrente di aria in un certo numero di punti sulla sezione di attraversamento e, nota anche la temperatura dell’aria, si calcola la velocità media nella sezione. Quest’ultima moltiplicata per la superficie di attraversamento fornisce la portata in volume.
Sezione centrale della UTA con all’interno il recuperatore di calore -
Caduta di pressione [Pa] a cavallo dei filtri (prefiltro sull’aria esterna e in ripresa e filtro fine sull’aria in mandata).
Per stimare il contributo degli elementi filtranti al consumo energetico è necessario conoscere la caduta di pressione perché, come già evidenziato, la portata di aria non è costante nel tempo ma risulta ancora più importante misurare l’andamento della caduta di pressione in funzione del tempo di esercizio dell’impianto. Gli elementi filtranti tenderanno ad intasarsi con andamento non prevedibile, sia perché la loro efficienza non è nota a priori, sia perché la concentrazione e la distribuzione delle dimensioni delle particelle varia in funzione della stagione ma anche dell’ora del giorno.
Vengono utilizzati allo scopo alcuni manometri differenziali con trasduttore che fornisce una grandezza elettrica in uscita che poi viene trasformata nella grandezza fisica misurata. -
Salto di pressione [Pa] fornito dai ventilatori di mandata e di estrazione.
Tale indicazione è utile per valutare la resistenza al moto del sistema di canali nel suo complesso e di conseguenza essere in grado di valutare l’incidenza relativa delle resistenze al moto degli elementi filtranti. Inoltre la conoscenza della prevalenza (cioè dell’incremento di pressione) del ventilatore a varie portate consente di costruire la curva che ne caratterizza funzionamento.
Vengono utilizzati allo scopo alcuni manometri differenziali con trasduttore che fornisce una grandezza elettrica in uscita che poi viene trasformata nella grandezza fisica misurata. -
Concentrazione [1/m3] delle particelle sospese nell’aria di ventilazione.
Le particelle sospese nell’aria di ventilazione hanno effetti sulla salute degli occupanti dell’aula. Più in particolare il polline causa le note reazioni allergiche in una percentuale apprezzabile di soggetti mentre le particelle con diametro aerodinamico inferiore a 2.5 µm (il cosiddetto PM 2.5) causano seri disturbi all’apparato respiratorio e cardiocircolatorio. Le misure vengono effettuate nell’intervallo di dimensioni tra 0.3 e 10 µm, a monte e a valle del filtro fine all’interno della UTA. L’intervallo di dimensioni è suddiviso in cinque classi e più precisamente: 0.3-0.5 µm, 0.5-1.0 µm, 1.0-3.0 µm, 3.0-5.0 µm e 5.0-10.0 µm.
Le concentrazioni di particelle vengono misurate a monte e a valle dell’ultimo stadio filtrante e in questo modo si consoce la concentrazione particellare dell’aria immessa nell’aula ma risulta anche possibile risalire all’efficienza di rimozione della barriera filtrante.
Gli strumenti utilizzati per effettuare queste misure sono chiamati “optical particle spectrometer”, cioè contatori ottici di particelle che forniscono sia concentrazione che intervallo di dimensioni delle particelle presenti nell’aria di ventilazione. A bordo di questi strumenti è presente una piccola pompa di campionamento che fornisce una portata nota e costante nel tempo, consentendo così di ottenere direttamente il valore della concentrazione particellare nei vari intervalli di dimensioni.
Filtri fini (stadio finale in corrispondenza alla mandata) dell’UTA asservita all’aula 1 -
Temperatura [°C] e umidità relativa [%]dell’aria in mandata e in ripresa.
La temperatura e l’umidità relativa dell’aria sono le grandezze fondamentali ai fini della determinazione del comfort termoigrometrico e quindi risulta utile correlarle con i parametri ambientali che sono misurati separatamente con i nodi WSN. La conoscenza della temperatura dell’aria di ventilazione in ingresso e in ripresa consente inoltre di effettuare una stima del bilancio energetico dell’aula condizionata.
La temperatura viene misurata con una termoresistenza mentre l’umidità relativa è ottenuta con un sensore di tipo capacitivo. -
Concentrazione di CO2 [ppm] dell’aria in mandata e in ripresa.
La differenza tra la concentrazione di CO2 nell’aria di ventilazione in ingresso e in ripresa è utile per stimare la presenza e il numero approssimativo di occupanti presenti nell’aula. Di conseguenza è la grandezza usata per stabilire il grado di ricircolo dell’aria di ventilazione in quanto è un’indicazione indiretta degli odori corporali generati in un ambiente occupato da un grande numero di persone. La quantità di CO2 viene normalmente utilizzata per controllare la cosiddetta “qualità dell’aria” (in inglese “indoor air quality” o IAQ), assumendo che il mantenimento della sua concentrazione al di sotto di determinati livelli garantisca anche che l’aria nell’aula non sia “viziata”.
Lo strumento che misura la concentrazione di CO2 sfrutta l’assorbimento della radiazione da parte di questo gas triatomico nel campo dell’infrarosso.