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La scienza dietro le finestre a ghigliottina e come ventilano le nostre case

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Tre diversi regimi di flusso attraverso una finestra a ghigliottina, come identificato dai ricercatori, da sinistra: flusso bidirezionale all’apertura inferiore; flusso unidirezionale; flusso bidirezionale all’apertura superiore. Credito: Università di Cambridge

I ricercatori hanno valutato la portata di ventilazione naturale attraverso una finestra a ghigliottina, una caratteristica comune negli edifici domestici, per informare la progettazione di edifici intelligenti ea basso consumo energetico.

Una ventilazione efficace non solo migliora la qualità dell’aria interna, ma può anche limitare il rischio di trasmissione di infezioni nell’aria facendo circolare aria fresca nella stanza. Per implementare qualsiasi strategia di ventilazione, è richiesta una buona comprensione della fisica del flusso, insieme a modelli semplici e accurati che possono essere facilmente implementati per aiutare a ottimizzare le prestazioni di edifici nuovi ed esistenti.

Una finestra a ghigliottina tradizionale ha due vetri scorrevoli verticali che consentono di aprire la finestra in alto e/o in basso. Utilizzando modelli semplici per stimare la ventilazione attraverso la finestra, i ricercatori, guidati dall’Università di Cambridge, esaminano la ventilazione basata sul galleggiamento di una stanza chiusa con una finestra a ghigliottina aperta, dove la temperatura interna è più calda di quella esterna.

In inverno, la ventilazione basata sul galleggiamento, che si basa sulla differenza di temperatura dell’aria calda più leggera all’interno dell’edificio e dell’aria più fredda più pesante all’esterno dell’edificio, utilizza il calore all’interno (generato dal nostro corpo e dai nostri apparecchi) per guidare un flusso e ventilare un edificio. Ad esempio, quando una finestra a ghigliottina è aperta, l’aria più leggera fuoriuscirà dalla parte superiore e l’aria più fredda entrerà nell’edificio dalla parte inferiore.

I ricercatori hanno identificato tre diversi regimi di flusso che possono verificarsi: flusso bidirezionale attraverso la finestra inferiore, flusso unidirezionale attraverso ciascuna apertura e flusso bidirezionale attraverso la finestra superiore, portando così a diverse portate. I loro risultati sono riportati nella rivista Flow. Il modello che hanno sviluppato è applicabile a qualsiasi finestra a ghigliottina e stima il regime di flusso che si sta verificando, nonché la portata di ventilazione dalla configurazione della finestra a ghigliottina e la differenza di temperatura.

Il calcolo delle portate di ventilazione (il volume d’aria che viene fornito a una stanza in un periodo di tempo) è importante per modellare la qualità dell’aria interna, cosa che viene spesso eseguita nella valutazione pre-costruzione o retrofit del progetto dell’edificio. Questi calcoli possono essere utilizzati per determinare l’impatto energetico della ventilazione e per stimare il trasferimento di inquinanti atmosferici, ad esempio, risultando in modelli che possono essere integrati nei programmi di controllo della ventilazione degli edifici intelligenti.

I diversi regimi di flusso, identificati dai ricercatori, sono stati testati con esperimenti su piccola scala utilizzando un serbatoio riempito con compartimenti di acqua dolce e salata, separati da una barriera con un’apertura al suo interno per rappresentare una finestra a ghigliottina a grandezza naturale. L’esperimento è stato retroilluminato con un proiettore utilizzando uno specchio a 45 gradi, con la luce che passa attraverso l’esperimento proiettata su un foglio di carta da lucido, una tecnica nota come shadowgraph, e utilizzata per la visualizzazione del flusso.

La scienza dietro le finestre a ghigliottina e come ventilano le nostre case

Shadowgraph di un esperimento di un serbatoio d’acqua, in cui è possibile osservare un flusso bidirezionale lungo l’apertura inferiore della finestra a ghigliottina. Credito: Università di Cambridge

I ricercatori mostrano che per una data altezza chiusa della finestra a ghigliottina, la velocità di ventilazione massima si ottiene per una configurazione simmetrica della finestra a ghigliottina, quando le altezze delle aperture inferiore e superiore sono le stesse. Essi mostrano che all’aumentare della dimensione del pannello chiuso rispetto all’area totale della finestra, la velocità di ventilazione diventa più sensibile alla geometria delle aperture. Quando l’altezza della parte chiusa della finestra a battente rappresenta il 50% dell’altezza totale, la portata massima di ventilazione è quasi doppia rispetto alla portata minima. Nel frattempo, quando il 90% della finestra a ghigliottina è chiuso, la portata massima di ventilazione è più di quattro volte maggiore della portata minima.

Gaël Kemp, dottoranda e coautrice dell’articolo, ha dichiarato: “Lo scopo principale della ventilazione è la rimozione di inquinanti e calore. Se utilizzate correttamente, le finestre a ghigliottina possono essere fonti di ventilazione molto efficaci. approccio analitico e di modellazione analitica, testato con esperimenti di laboratorio su piccola scala, valutiamo la disposizione ottimale delle finestre a ghigliottina per diverse strategie di ventilazione naturale. I nostri risultati possono essere utilizzati negli edifici intelligenti per aprire automaticamente le finestre a ghigliottina per ottenere il regime di flusso e la velocità di ventilazione desiderati. ”


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