Incendio in Vista! Come Reagiscono Davvero i Nostri Sistemi di Ventilazione Intelligenti?

Ciao a tutti! Oggi voglio portarvi con me in un viaggio affascinante, un po’ tecnico ma super importante, nel cuore dei nostri edifici moderni. Parliamo di quei sistemi super complessi che gestiscono il riscaldamento, la ventilazione e l’aria condizionata, i cosiddetti sistemi HVAC. Sapete, non sono più i vecchi impianti “accendi/spegni” di una volta. Ora sono cervelloni elettronici, pieni di sensori che monitorano tutto e regolano il flusso d’aria per farci stare comodi e, soprattutto, per risparmiare energia. Ma vi siete mai chiesti cosa succede a questi sistemi così intelligenti quando scoppia un incendio? È una domanda cruciale, perché in alcuni casi, questi stessi sistemi dovrebbero aiutarci a gestire fumo e pressione.

La Sfida: Fuoco vs. Cervellone Elettronico

Immaginate la scena: un incendio divampa. Fumo, calore e pressione iniziano a diffondersi. Il sistema HVAC, che magari fino a un attimo prima stava ottimizzando i consumi, potrebbe rilevare l’allarme e, secondo la sua logica di controllo, magari aumentare la ventilazione per evacuare il fumo. Sembra una buona idea, no? Beh, non è così semplice. C’è un’interazione pazzesca tra il fuoco e il sistema. Il fuoco stesso modifica le pressioni nei condotti, influenzando le ventole. D’altro canto, il modo in cui il sistema reagisce può alimentare l’incendio o spingere il fumo in zone sicure. Un bel dilemma!

In particolare, mi sono concentrato sui sistemi chiamati DCV (Demand Control Ventilation) ottimizzati tramite serrande. Sono i più efficienti dal punto di vista energetico perché regolano non solo la velocità delle ventole ma anche l’apertura delle singole serrande nei vari locali, basandosi su sensori (come quelli di CO2) per dare aria solo dove e quando serve. Fantastico per il risparmio, ma in caso di incendio? La logica potrebbe andare in tilt o, peggio, peggiorare la situazione.

Il Nostro Esperimento: Ricreare l’Incendio (in Sicurezza!)

Per capirci qualcosa di più, abbiamo partecipato a una serie di test pazzeschi, parte del progetto BRAVENT in Norvegia. Abbiamo usato un edificio sperimentale che simulava una scuola, con aule, uffici e corridoi, equipaggiato proprio con uno di questi sistemi HVAC DCV super moderni. In uno specifico test, il Test 12, abbiamo acceso un fuoco controllato (usando un materasso in poliuretano per il fumo e un bruciatore a propano per il calore) in un’aula e abbiamo osservato cosa succedeva. Abbiamo misurato di tutto: temperature, pressioni, concentrazioni di gas (O2, CO2, CO), flussi d’aria nei condotti, posizioni delle serrande… sia con i sensori del sistema di gestione dell’edificio (BMS) sia con una nostra strumentazione dedicata ad alta precisione.

L’idea era: possiamo usare un software di simulazione fluidodinamica computazionale (CFD) specializzato per incendi, chiamato Fire Dynamics Simulator (FDS), per replicare digitalmente quello che abbiamo visto nel test reale? Sarebbe un passo enorme per poter progettare sistemi più sicuri.

Costruire il Gemello Digitale: La Sfida della Simulazione

Qui inizia il bello (e il difficile!). Abbiamo preso FDS e abbiamo iniziato a costruire il nostro modello digitale. Abbiamo ricreato la geometria dell’edificio, i materiali delle pareti, del soffitto, del pavimento (con le loro proprietà termiche), le porte. Una cosa fondamentale è stata modellare le “perdite” dell’edificio, cioè le piccole fessure e crepe da cui l’aria può entrare o uscire. Sembra un dettaglio, ma in caso di incendio, le differenze di pressione diventano enormi e queste perdite giocano un ruolo chiave! Abbiamo usato i dati dei test “blower door” (quelli che misurano quanto un edificio è ermetico) per calibrare queste perdite nel modello FDS.

Poi è venuto il turno dell’HVAC. FDS ha un modulo apposta, ma dovevamo dargli le informazioni giuste. Abbiamo modellato i condotti di mandata (aria fresca) e di estrazione (aria viziata), le ventole (anche se nel nostro caso abbiamo imposto i flussi totali misurati dal BMS, non abbiamo simulato la logica di controllo della ventola), e soprattutto le serrande DCV. Qui è sorta una delle prime sfide: le perdite di carico (cioè la resistenza al flusso d’aria) di queste serrande cambiano dinamicamente a seconda di quanto sono aperte. Avevamo dati sperimentali per un tipo di serranda (LEO), ma nell’ufficio del test c’era un altro tipo (TVE) per cui non avevamo misure dirette. Abbiamo dovuto fare delle ipotesi e delle calibrazioni basandoci sui dati pre-incendio per ottenere una curva di perdita “verosimile” anche per le serrande TVE.

Un altro grattacapo è stato sincronizzare i dati del BMS, che arrivavano con una frequenza bassissima (un dato ogni 30 secondi o più!), con i nostri dati ad alta frequenza e con i video dell’incendio. Immaginate di dover ricostruire un evento dinamico come un incendio basandovi su fotogrammi molto distanti tra loro! Abbiamo fatto del nostro meglio per allineare tutto, ma un po’ di incertezza rimaneva.

Infine, il fuoco stesso. Modellare l’inizio dell’incendio, specialmente quello a propano che doveva prima spurgare l’aria dai tubi, ha richiesto un po’ di lavoro di “detective”, confrontando i calcoli iniziali con le temperature misurate nei primi istanti e aggiustando la curva di rilascio termico (HRR) nel modello FDS.

FDS alla Prova: Cosa Abbiamo Scoperto?

Abbiamo lanciato diverse simulazioni con FDS:

• Una simulazione solo dell’aula (per verificare la griglia di calcolo e la sensibilità agli input).
• Una simulazione dell’intero edificio ma imponendo i flussi d’aria misurati stanza per stanza.
• La simulazione “clou”: intero edificio, imponendo solo il flusso totale dell’impianto e le posizioni delle serrande nel tempo, lasciando a FDS il compito di calcolare come l’aria si distribuiva nelle stanze.

I risultati? Abbastanza incoraggianti, ma con delle lezioni importanti.
Temperature e Gas Principali (O2, CO2): Nelle stanze, specialmente nell’aula dell’incendio, FDS ha predetto l’andamento delle temperature e delle concentrazioni di ossigeno e anidride carbonica in modo piuttosto buono, con errori generalmente contenuti entro il 10-15%. Questo ci dice che FDS gestisce bene la fisica di base del trasporto di calore e massa in queste condizioni.
Monossido di Carbonio (CO): Qui le cose non sono andate altrettanto bene. FDS ha sottostimato parecchio la produzione di CO. Questo probabilmente dipende dalle “rese” di CO che abbiamo dato in input per i materiali che bruciavano. Queste rese possono variare molto a seconda delle condizioni reali di incendio (scala, ventilazione) rispetto ai test di laboratorio standard da cui spesso si prendono i dati. C’è da lavorare su questo!
Pressioni: Questa è stata la parte più tosta. FDS ha faticato a replicare esattamente le pressioni misurate, soprattutto il picco iniziale che si verifica quando il fuoco cresce rapidamente. Le pressioni previste erano spesso più alte di quelle misurate. Questo può dipendere da tanti fattori combinati: incertezze sul fuoco iniziale, sulla sincronizzazione dei dati HVAC, sulle perdite dell’edificio, o anche limiti intrinseci del modello FDS nel catturare queste dinamiche rapide e complesse. Anche a regime, le pressioni nelle stanze non direttamente incendiate erano sovrastimate.
Flussi d’Aria (nella simulazione “clou”): Quando abbiamo lasciato che FDS calcolasse la distribuzione dei flussi basandosi sulle serrande, i risultati sono stati generalmente buoni. Il flusso di estrazione dall’aula era un po’ sovrastimato, e questo probabilmente contribuiva agli errori di pressione, ma i flussi nelle altre stanze erano abbastanza vicini alla realtà. Questo è promettente: significa che FDS può simulare l’effetto delle serrande dinamiche.

Lezioni Imparate e Prossimi Passi

Allora, cosa ci portiamo a casa da questa avventura?
Prima di tutto, FDS è uno strumento potente e *può* essere usato per modellare l’interazione tra un incendio e un sistema HVAC complesso e dinamico come un DCV ottimizzato con serrande. Non è una passeggiata, però.
La qualità dei dati di input è FONDAMENTALE. Servono:

• Dati precisi sulle caratteristiche del sistema HVAC (perdite dei condotti, curve di perdita delle serrande in funzione della posizione).
• Dati ad alta frequenza e ben sincronizzati dal sistema di controllo (BMS).
• Una buona caratterizzazione del fuoco, specialmente nelle fasi iniziali.
• Dati accurati sulle perdite dell’edificio.

Ottenere tutte queste informazioni, specialmente per sistemi con logiche di controllo proprietarie (come nel nostro caso, dove non conoscevamo l’algoritmo esatto dell’ottimizzatore delle serrande), può essere la sfida più grande.

Per il futuro? Sarebbe fantastico poter fare una simulazione completamente predittiva, dove FDS non solo simula il fuoco e il flusso d’aria, ma anche la logica di controllo del BMS che decide come muovere le serrande e regolare le ventole. FDS ha delle funzionalità per farlo, sia internamente sia accoppiandosi con software esterni. Questo richiederebbe però di conoscere o replicare quella logica di controllo “segreta”.

In conclusione, capire come questi sistemi intelligenti reagiscono al fuoco è essenziale per progettare edifici più sicuri. La simulazione ci offre una lente d’ingrandimento incredibile per studiare questi scenari complessi. Abbiamo dimostrato che è fattibile, ma c’è ancora strada da fare per affinare i modelli e, soprattutto, per avere i dati giusti per alimentarli. È un campo di ricerca affascinante e cruciale per la nostra sicurezza quotidiana!

Fonte: Springer