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Villi, Giacomo (2009) Il moto dell'aria all'interno di ambienti confinati. [Tesi di dottorato]

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Abstract (inglese)

The present analysis is focused on the investigation of airflows within enclosed spaces. Different aspects related to the energy efficiency of buildings, to the protection against fire hazards and to the level of perceived comfort are dealt with.
The building envelope acts as interface between the indoor and the outdoor environment, thus playing a role of key significance in maintaining indoor comfort conditions and in reducing their energy requirements. Recently, after being considered merely as a box, the role of the envelope has been revised to become a system that enables the regulation of the indoor climate taking advantage of natural resources for heating, cooling, ventilation and lighting. The envelope energy performance influences the relationship between indoor and outdoor climate, thus affecting the agreement between the ambient people is exposed to and the ideal ambient people would like to live in. It also plays a role on the possible recourse to physical phenomena that can be potentially used for users’ comfort or for having an energy efficient building. The energy related to ensuring thermal comfort within non industrial buildings is recognized of representing as much as 60-70% of total energy use. It caused a rising interest for taking advantage of natural, or “passive”, resources for winter heating and for summer cooling. The term passive refers to heating or cooling techniques that do not depend on energy-consuming mechanical components. This thesis deals with the evaluation of natural ventilation potential. Natural ventilation is defined as being the process of supplying and removing air through an indoor space by natural means. Its most attractive feature is the ability to combine a reduction in air conditioning related costs to the capability, when climate and operating conditions are favorable, of ensuring ventilation rates consistent with acceptable indoor air quality and temperature control. Passive cooling building design attempts to integrate the principles of natural ventilation into the building exterior envelope. The thermal performance of ventilated roofs and of ventilated facades is debated. The uncertainty about practicing a control on airflows and the unreliability related to the stochastic nature of its driving forces are recognized as being serious challenges to the development of natural ventilation technique. Hybrid technology represents the attempt of combining the benefits of both ventilation strategies in a unique system. An application of the hybrid concepts to a real building is presented. Mechanical ventilation is exploited for heat recovery in winter and for meeting ventilation objectives when natural forces are poor. Natural ventilation is applied for indoor air quality and temperature control. In particular, a system of self regulating vents adjusting ventilation rates on the level of indoor relative humidity is analyzed. The effects of different ventilation strategies on the overall thermal performance are addressed. The analyzed ventilation strategies include heat recovery ventilation, natural ventilation and ventilation by means of earth-air heat exchangers (ground tubes). The following aspects are taken into account as parameters for the comparison: outdoor climatic conditions, building envelope characteristics and building internal heat gains.
Fire is one of the most dangerous disasters. The effects of fires in buildings are object of fire precautions required by national regulations and codes of practice. Comprehensive prescriptive regulations may result in not being suitable for large and complex buildings. Fire Safety Engineering is defined as the application of engineering principles based on the knowledge of human behavior and on the scientific understanding of the phenomena of fire and its effects, to save life, protect property and preserve the environment and the heritage. The application of computerized tools for predicting the spread of smoke and heat from fires is presented. These techniques are increasingly used as general tools for fire safety engineering, as a consequence of the advent of performance-based codes. Network models and CFD predictions are compared. In the adopting computational fluid dynamics, a number of important model parameters, such as the resolution of the numerical grid and the characterization of the heat release rate, are assessed.
Changing passenger demographics, the advent of ultra-long-haul services and specific cabin air issues such as reduced levels of relative humidity and worries about SARS spread, have all combined to increase concerns about the impact of aircraft cabin environment on the health and well-being of passengers in commercial planes. The key objective of the ICE (“Ideal Cabin Environment”) project is to provide better knowledge on the effects of cabin environmental parameters, including for the first time cabin pressure, on the health and comfort of passengers in commercial aircrafts. ICE takes advantage of the results made available by an experimental campaign on adult volunteers using unique large-scale aircraft cabin environment facilities - the Flight Test Facility (FTF) at IBP Fraunhofer in Hozkirchen, Germany, and the Aircraft Cabin Environment (ACE) at BRE in Garston, UK and by in-flight monitoring. ICE results are expected to contribute to prEN 2222: Aircraft integrated air quality and pressure standards, criteria and determination methods. This draft will contain the first scientifically health based standard for cabin parameters appropriate to the spectrum of the flying public.

Abstract (italiano)

Il presente lavoro ha come oggetto l’analisi del moto dell’aria all’interno di ambienti confinati. Tale tema ha raccolto aspetti legati all’efficienza energetica, alla sicurezza ed alla tutela di persone e cose e problemi riconducibili al livello di benessere percepito.
Il tema dell’efficienza e del risparmio energetico costituisce il principale serbatoio di idee per possibili soluzioni utili al fine di orientare in senso sostenibile i consumi di energia. A tale ambito appartengono le cosiddette tecnologie passive che interpretano elementi quali sole, vento, acqua e calore naturale non più come agenti esterni dai quali proteggere l’ambiente interno, rivedendone piuttosto il ruolo di utili risorse nel contenimento dei fabbisogni energetici legati a riscaldamento e raffrescamento. La consapevolezza dell’emergenza del problema energetico si è tradotta nella necessità di un approccio basato sulla valutazione del comportamento energetico globale dell’edificio (riscaldamento, raffrescamento, illuminazione), includendo le analisi delle prestazioni dei singoli componenti del sistema impiantistico e dell’involucro edilizio; il prerequisito da rispettare rimane comunque l’esigenza di salubrità e di benessere degli ambienti confinati. La rivalutazione del ruolo dell’involucro edilizio a ben più che mera chiusura del volume abitato si rivela sicuramente scelta prioritaria. Le prestazioni dell’involucro edilizio, se da una parte influenzano la mediazione tra esterno ed ambiente interno e, di conseguenza, influenzano la percezione della corrispondenza più o meno completa tra le caratteristiche dello spazio occupato e l’ideale di ambiente confortevole, dall’altra, diventano fondamentali per consentire l’applicazione di fenomeni fisici potenzialmente utilizzabili a favore del benessere degli occupanti e delle prestazioni energetiche dell’intero edificio. La presente ricerca presenta la valutazione dei benefici, sia in termini di qualità termo-igrometrica degli spazi confinati che in termini energetici, conseguenti all’utilizzo di tecniche passive di ventilazione in combinazione ad elementi di involucro di tipo innovativo.
Relativamente agli aspetti di sicurezza, un’applicazione sempre più importante risulta l’analisi dei rischi legati al verificarsi di un incendio all’interno degli ambienti. La pratica antincendio sta evolvendo dalla mera applicazione di regole tecniche ad una progettazione orientata alla valutazione delle prestazioni di ciascuna possibile contromisura adottabile per limitare le conseguenze di un incendio su persone e cose. Grazie alla recente evoluzione delle capacità di calcolo messe a disposizione dalla moderna tecnologia, la fluidodinamica computazionale, basata sulla soluzione numerica all’interno di un dominio di calcolo delle leggi di conservazione di massa, quantità di moto ed energia, rappresenta uno strumento alternativo all’analisi sperimentale su prototipi, consentendo, a costi decisamente inferiori, l’analisi parametrica dell’efficacia di diverse soluzioni progettuali riguardanti le geometrie o le condizioni a contorno ipotizzate. A tale possibilità si riconduce il cosiddetto approccio ingegneristico, introdotto recentemente nell’ordinamento antincendio italiano, che prevede la possibilità del ricorso a misure di protezione alternative fatto salvo che ne venga dimostrata l’equivalenza in termini di sicurezza garantita a quelle prescritte dalla tradizionali regole tecniche. Particolarmente interessante risulta un aspetto approfondito in questa sede che combina le tematiche di sicurezza e di qualità dell’ambiente indoor, legato all’inquinamento generato da fornelli domestici a gas.
La maggiore dimestichezza con il viaggio aereo, l’avvento dei voli a lunga percorrenza e problemi specificatamente riconducibili al microclima interno alla fusoliera di un aviogetto di linea, che vanno dalla ridotta pressione parziale dell’ossigeno ad aspetti patologici come la trombosi venosa profonda o la diffusione di malattie quali la SARS, hanno contribuito ad aumentare l’interesse verso le possibili conseguenze che tale tipo di ambiente ha sulla salute ed il benessere del pubblico viaggiante. In tale ambito, si è sviluppato il progetto europeo ICE (“Ideal Cabin Environment”) volto alla determinazione della migliore combinazione dei parametri ambientali (pressione, umidità relativa, velocità dell’aria, rumorosità) tale da tutelare la salute e da garantire il massimo comfort dei passeggeri. In particolare, tale progetto mira alla valutazione dell’influenza combinata dei vari parametri. Il nucleo di dati che permetterà tale determinazione è costituito dalle informazioni raccolte durante una serie di prove sperimentali e voli reali che hanno visto coinvolti più di 1000 individui. I risultati ottenuti costituiscono l’ossatura del progetto di norma di prossima pubblicazione prEN 2222: Aircraft integrated air quality and pressure standards, criteria and determination methods.

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Tipo di EPrint:Tesi di dottorato
Relatore:Zecchin, Roberto
Dottorato (corsi e scuole):Ciclo 21 > Scuole per il 21simo ciclo > INGEGNERIA INDUSTRIALE > ENERGETICA
Data di deposito della tesi:29 Gennaio 2009
Anno di Pubblicazione:31 Gennaio 2009
Parole chiave (italiano / inglese):CFD; ventilazione; ventilazione naturale; FSE; antincendio; ICE
Settori scientifico-disciplinari MIUR:Area 09 - Ingegneria industriale e dell'informazione > ING-IND/11 Fisica tecnica ambientale
Struttura di riferimento:Dipartimenti > pre 2012 - Dipartimento di Ingegneria Elettrica
Codice ID:1658
Depositato il:29 Gen 2009
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Bibliografia

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