Dimensionamento e idraulica della rete

Una volta disegnata la topologia della rete e collegati gli edifici, due strumenti in sequenza la trasformano in un progetto dimensionato e con pressioni risolte: Dimensiona tubi seleziona un diametro nominale per ogni tratto in base alla portata di picco, e il solutore idraulico (eseguito nell'ambito di Simula il funzionamento della rete) calcola velocità, perdite di pressione e prevalenze delle pompe.

Questa pagina spiega gli algoritmi alla base di entrambi i passi. Per i campi dati scritti su ogni tubazione e nodo, vedere Modello dati di reti e fonti di calore. Per ciò che la simulazione completa calcola oltre all'idraulica, vedere Simulazione della rete.

Dimensionamento delle tubazioni

Dimensiona tubi seleziona il più piccolo diametro nominale (DN) che mantiene velocità del flusso e perdita di pressione entro i limiti definiti per quel DN nella tabella delle specifiche delle tubazioni della rete. Vedere Specifiche delle tubazioni.

La portata di picco in ciascun tratto deriva dalla potenza termica di picco che esso trasporta:

$Q = \frac{P}{\rho \, c_p \, \Delta T}$

dove $P$ è la potenza di picco, $\rho$ e $c_p$ sono la densità e il calore specifico del fluido vettore e $\Delta T = T_\text{supply} - T_\text{return}$ è il salto di temperatura.

Per ogni DN candidato, lo strumento calcola la velocità del flusso:

$v = \frac{Q}{A}, \qquad A = \pi \left(\frac{d_\text{inner}}{2}\right)^2$

Calcola inoltre la perdita di pressione per metro di tubazione a tale velocità, utilizzando l'equazione di Darcy-Weisbach (vedere sotto). Lo strumento quindi:

• Scarta ogni DN la cui velocità o perdita di pressione supera il massimo della tabella.
• Sceglie il DN più piccolo tra quelli rimasti che raggiunge la velocità minima della tabella.
• Ripiega sul DN più piccolo tra quelli rimasti se nessuno raggiunge il minimo, oppure sul DN più grande se non ne rimane alcuno.

I limiti sono definiti per ciascun DN nella tabella, quindi differiscono tra materiali e diametri. I raccordi degli edifici e delle centrali energetiche sono dimensionati in base alla propria portata.

Indicatori di validazione

Dopo il dimensionamento, ogni tubazione viene verificata rispetto alla propria riga della tabella e viene segnalata quando funziona al di fuori del proprio intervallo di velocità (velocity_in_range) o al di sopra del proprio limite di gradiente di pressione (pressure_gradient_ok). L'ispettore delle tubazioni mostra questi indicatori. Non bloccano l'esecuzione.

Ripetere il dimensionamento

Per impostazione predefinita una nuova esecuzione sostituisce i diametri esistenti. Impostare overwrite_diameters su false per mantenere qualsiasi DN inserito manualmente e dimensionare solo i tratti rimanenti.

Idraulica di Darcy-Weisbach

Il calcolo idraulico delle pressioni viene eseguito nell'ambito di Simula il funzionamento della rete e utilizza l'equazione di Darcy-Weisbach insieme alla correlazione di Colebrook per il fattore di attrito.

Numero di Reynolds e fattore di attrito

Il numero di Reynolds per ciascun tratto di tubazione è:

$\text{Re} = \frac{\rho \cdot v \cdot d}{\mu}$

dove μ è la viscosità dinamica del fluido vettore. Il fattore di attrito f viene quindi calcolato:

• Flusso laminare (Re < 2000): la soluzione esatta, f = 64 / Re.
• Flusso turbolento (Re ≥ 2000): TESSA risolve iterativamente l'equazione di Colebrook implicita:

$\frac{1}{\sqrt{f}} = -2 \log_{10}\!\left(\frac{\varepsilon}{3.7\,d} + \frac{2.51}{\text{Re}\,\sqrt{f}}\right)$

dove ε è la rugosità della tubazione (m). La rugosità proviene dalla tabella delle specifiche delle tubazioni della rete — per riga DN, dove impostata, altrimenti dal valore di ripiego di rugosità valido per l'intera rete (il valore predefinito per l'acciaio è 0,045 mm). L'applicazione di un diverso preset di materiale o la modifica della tabella delle specifiche cambia la rugosità utilizzata qui. Vedere Specifiche delle tubazioni.

Perdita di pressione per tratto

Una volta determinato f, la perdita di pressione di Darcy-Weisbach è:

$\Delta p = f \cdot \frac{L}{d} \cdot \frac{\rho v^2}{2}$

Alla perdita di Darcy-Weisbach calcolata si aggiunge una maggiorazione della perdita di pressione (predefinita 20%) per tenere conto delle perdite localizzate in curve, raccordi e valvole. Il fattore di maggiorazione viene applicato uniformemente a tutti i tratti e può essere modificato nelle impostazioni della rete.

La perdita di pressione in metri di colonna di fluido viene memorizzata accanto al valore in Pa:

$h_{f,\text{DW}} = \frac{\Delta p}{\rho \cdot g}$

Risultati scritti per ogni tubazione dopo la risoluzione idraulica:

Perdite di pressione nelle sottostazioni

Le perdite di pressione nelle sottostazioni sono modellate come cadute fisse attraverso lo scambiatore di calore o le apparecchiature interne:

• Sottostazione dell'edificio (scambiatore di calore): caduta di pressione predefinita di 0,7 bar
• Centrale energetica (apparecchiature interne e valvole): caduta di pressione predefinita di 1,0 bar

Queste vengono convertite in perdita di pressione tramite h = ΔP / (ρ · g) e aggiunte al percorso idraulico quando si sommano le perdite da una centrale energetica a una sottostazione.

Pressione statica

Si sceglie un nodo di riferimento, tipicamente l'aspirazione della pompa di una centrale energetica, e una pressione statica minima. TESSA propaga le perdite di pressione dal nodo di riferimento a tutti gli altri nodi e aumenta la pressione minima della rete se un nodo scendesse al di sotto del limite. Ogni nodo memorizza la propria pressione di mandata e di ritorno (pressure_dynamic_supply_pa, pressure_dynamic_return_pa).

Altezza statica

Prima del calcolo delle pressioni, TESSA ricava da un modello digitale del terreno la quota di ciascun nodo. La differenza di quota $\Delta z$ tra i nodi aggiunge un'altezza statica, in metri di colonna di fluido, alle perdite dinamiche nel dimensionamento della pompa. TESSA salta questo passo se i dati del terreno non sono disponibili. Nelle reti pianeggianti l'effetto è modesto.

Dimensionamento delle pompe

Una volta note tutte le perdite di pressione, TESSA dimensiona la pompa di circolazione di ciascuna centrale energetica.

La prevalenza richiesta della pompa in una centrale energetica è la perdita di pressione totale lungo il percorso critico — il percorso idraulico da quella centrale energetica alla sottostazione più distante (a resistenza più elevata):

$H_\text{pump} = \sum_\text{critical path} h_{f,\text{segment}} + h_{f,\text{substations}}$

La potenza della pompa è quindi:

$P_\text{pump} = \frac{\dot{V} \cdot \rho \cdot g \cdot H_\text{pump}}{\eta_\text{pump}}$

dove η_pump è il rendimento della pompa (predefinito 0,75). Il consumo elettrico della pompa viene registrato ora per ora nella simulazione e aggiunto ai costi di esercizio e alle cifre di CO₂ della rete.

Mettere insieme dimensionamento e idraulica

Il flusso di lavoro completo per un progetto di prima approssimazione è:

flowchart TD
    A["🏠 Quartiere con curve di carico<br/>e sottostazioni collegate"]
    A --> B["▶ Dimension pipes<br/>(portata di picco → scelta del DN)"]
    B --> C["▶ Simulate network operation<br/>passo 1: distribuzione del calore<br/>passo 2: rilievo della quota"]
    C --> D["▶ Risoluzione idraulica<br/>(Darcy-Weisbach + Colebrook)"]
    D --> E["▶ Pressurizzazione<br/>(verifica della pressione statica)"]
    E --> F["▶ Dimensionamento pompe<br/>(percorso critico → H, P)"]
    F --> G["✅ Risultati tubazioni: DN, v, Δp, h_f<br/>Risultati nodi: p_supply, p_return<br/>Risultati CE: prevalenza e potenza della pompa"]

    classDef step fill:#fff3e0,stroke:#ED6000,stroke-width:1.5px,color:#bf360c
    classDef done fill:#ffab91,stroke:#bf360c,stroke-width:2px,color:#bf360c
    classDef input fill:#a5d6a7,stroke:#1b5e20,stroke-width:1.5px,color:#1b5e20

    class A input
    class B,C,D,E,F step
    class G done

Dimension pipes deve essere eseguito prima della simulazione. Se si esegue la simulazione senza aver dimensionato la rete, le perdite di pressione e i valori delle pompe saranno pari a zero o assenti.

Per continuare

• Modello dati di reti e fonti di calore — l'insieme completo dei campi di tubazioni, nodi e centrali energetiche.
• Simulazione della rete — che cosa calcola la simulazione a passi temporali oltre alla risoluzione idraulica.
• Specifiche delle tubazioni — la tabella DN, i diametri interni, i valori di rugosità e le opzioni di materiale.