Metrologia, la Scienza del Misurare: il primo MockUp Termo-Fluido-Dinamico Mondiale

Sguardo d'insieme al mockup termo-fluido-dinamico presso INRIM
Il mockup termo-fluido-dinamico – INRIM

Rendere indipendente dal punto di vista della gestione del calore così come della contabilizzazione dei consumi e costi termici unità immobiliari (appartamenti, uffici, esercizi commerciali) afferenti a edifici nati con impianti centralizzati di vecchio tipo (distribuzione verticale detta anche a colonne montanti), non è semplice.

La contabilizzazione calore è sempre difficile. Lo è dal punto di vista architetturale: il sistema da installare deve necessariamente prevedere l’uso di dispositivi su tutti i termosifoni, perché ogni appartamento non ha un unico punto di derivazione dall’impianto distributivo centralizzato. Non lo è nemmeno dal punto di vista metrologico, della misura, da cui dipende in definitiva l’accuratezza con cui vengono ripartiti i costi a ciascun inquilino. È noto da tempo che l’accuratezza del 5% circa vantata da tutti i produttori di ripartitori calore è quantomeno fittizia. In genere viene determinata in condizioni operative quasi ideali, effettuate il più delle volte nelle così dette camere climatiche, con impostazioni operative molto stabili e controllate e senza tutte le devianze ed incognite che caratterizzano un’applicazione reale fatta sull’intera moltitudine di termosifoni di un presente in ogni edificio e generalmente molto datati (da 40 a 120 anni di età – si veda questo approfondimento per gli svantaggi dei ripartitori calore). I produttori di ripartitori calore, anche i brand più blasonati, hanno sempre temuto di fare delle prove metrologiche in più contesti d’uso reali confrontando la ripartizione ottenuta dai loro sistemi con strumenti di misura più accurati e certi.Al di là della difficoltà dell’operazione, che obbligherebbe letteralmente a sventrare un edificio per applicare per ogni termosifone degli strumenti tanto accurati quanto ingombranti, e del conseguente costo, la vera ragione per cui tutti i produttori di ripartitori calore evitano di fare più validazioni in un contesto d’uso reale è che è noto che la tecnica basata sui ripartitori manifesta un’accuratezza scarsissima rispetto a quanto promesso quando viene applicata in un vero edificio. Non sorprendono gli addetti del settore più accorti e preparati, quindi, i risultati ottenuti dall’Università di Cassino che indica come errore medio della ripartizione basata sui ripartitori calore quasi il 10% e quello il 40% come errore massimo. Che significa che nel caso peggiore e medio la differenza tra chi paga di più e chi paga di meno del dovuto è del 20%.CASSINO UNVERSITY RESEARCH TABLE OF ACCURACIES

L’approccio che abbiamo voluto seguire con il Politecnico di Torino e con INRIM è stato l’opposto: anziché fuggire dalle prove metrologiche fatte in edifici reali, farle anzitutto lì. Proprio in quel contesto tanto temuto dall’industria del settore. Questo tipo di validazione metrologica, mai tentata prima, è stata co-finanziata dall’Unione Europea e dalla Regione Piemonte. Abbiamo quindi progettato un ambiente di ricerca fisica e di test termo-fluido-dinamici riproducendo un vero impianto di riscaldamento centralizzato in un hangar dell’Istituto Nazionale di Ricerca Metrologica con termosifoni di differenti dimensioni e materiali. Ed alcune peculiarità funzionali per mettere ulteriormente alla prova la nostra innovazione metrologica

  • Questo impianto di riscaldamento di test e validazione può essere idraulicamente riconfigurato per testare altre tipologie di architettura di distribuzione, poco presenti in Italia, ma molto di più ad esempio in paesi ex-sovietici
    • Riconfigurazione distribuzione a zone (orizzontale a stella)
    • Riconfigurazione distribuzione a monotubo (orizzontale ad anello)
  • Una sezione dell’impianto permette di simulare ostruzioni che caratterizzano spesso vecchi termosifoni che si riempiono di melma e sabbia

Il sistema di riferimento metrologico è costituito da un set di quattro sensori ad elevatissima accuratezza (0.1%) costruiti ad hoc per questo impianto e disposti intorno a ciascun termosifone: doppio sensore di temperatura, sensore di pressione differenziale, sensore di portata elettromagnetico. I sensori di temperatura in particolare sono stati ricalibrati con il riferimento metrologico nazionale attraverso un dispositivo di taratura che permetteva di calibrarne 9 alla volta.

 MOCKUP - SENSORS AROUND EACH RADIATOR

Dettaglio – Sensori elevatissima accuratezza all’intorno dei corpi scaldanti

 MOCKUP HYDRAULIC RECONFIGURATION - VERTICAL - HORIZONTAL

Riconficurazione idraulica del mockup: verticale e orizzontale

 MOCKUP SYNOPTICS

Sinottici interattivi per il monitoraggio e controllo del mockup

 

MOCKUP - AIR TEMPERATURE DISTRIBUTION SIMULATION FOR VENTING SYSTEM DIMENSIONING
Simulazione agli elementi finiti per dimensionamento sistema areazione

L’intero impianto è monitorato e controllato con un PLC, due sottostazioni di controllo e 3 sinottici interattivi utilizzabili sia per le visualizzazioni e gli interventi real-time che per le rielaborazioni off-line.  L’intero impianto è disposto su 4 livelli e copre tre pareti dell’hangar. Due di queste provviste di 20 termosifoni ciascuna; la terza invece è dotata di 20 valvole proporzionali per testare affidabilità della misura di ripartizione in condizioni idraulicamente critiche (ostruzioni e sbilanciamenti). Attraverso il sistema di controllo è possibile variare a piacere i punti di lavoro della caldaia centralizzata, della pompa di circolazione e gli stati di apertura e chiusura delle valvole di ogni termosifone. È possibile farlo con interventi manuali in real-time così come pre-programmare degli stati attuativi che verranno messi in esecuzione in un intervallo di tempo definito.

È stato inoltre fatto un dimensionamento preventivo con simulazioni agli elementi finiti del sistema di aspirazione dell’aria finalizzato a verificare che non si creino durante i test condizioni di stratificazione d’aria troppo calda rispetto alle condizioni operative normali che si avrebbero in un edificio. Questo ambiente di studio delle fenomenologie termofluidodinamiche per gli impianti di riscaldamento centralizzati è il primo costruito a livello internazionale e la sua progettazione, realizzazione e primo utilizzo è costato circa 500 mila euro.

In questo servizio andato in onda sul TG di RAI3 Piemonte (dal minuto 14 e 30 secondi circa) viene illustrato il mockup su cui si sono fatte le attività di validazione della nuova tecnica metrologica di EcoThermo. Interviste al Prof. Marco Masoero del dipartimento di Energia del Politecnico di Torino, al dott. Fabio Saba di INRIM, all’ing. Federico Bari autore del brevetto a protezione delle innovazioni di EcoThermo.

 MOCKUP - MULTIPLE TEMPERATURE SENSORS FINE CALIBRATION
Dispositivo per la calibrazione multipla di sensori di temperatura

Ma cos’è INRIM? INRIM è l’Istituto Metrologico Nazionale di Ricerca Metrologica e, in quanto tale, trova al vertice della catena di metrologica italiana. Ciò che ad INRIM spetta il di sviluppare e per l’Italia i di riferimento delle grandezze fisiche più importanti come la lunghezza, il peso, la forza, la portata, il tempo. Tutte queste grandezze vengono misurate da INRIM al massimo livello possibile di accuratezza; ciò permette di fornire campioni d misura di grande precisione al sistema industriale nazionale. Questa elevata precisione è necessaria da un lato per applicazioni ad alta tecnologia, dall’altro perché le accuratezze inevitabilmente si degradano lungo la catena piramidale di disseminazione metrologica. Quindi per portare una precisione adeguata agli utenti finali è necessario che il primo gradino abbia precisioni molto elevate. Accuratezze così spinte richiedono di innovare continuamente gli strumenti di misura facendo ricorso alle migliori tecnologie disponibili e ad analisi basate sulle più avanzate conoscenze scientifiche per le quali INRIM costituisce un importante centro di conoscenza e competenza. INRIM è inoltre membro della Convenzione del Metro, per cui le misure certificate da INRIM sono automaticamente riconosciute dagli Istituti Metrologici di tutto il mondo