Dimensionamento e ottimizzazione della rete acquedottistica di Modena. Commento dei risultati ottenuti con EPANET. Esercizi di Sistemi idraulici urbani elaborati dal publisher sulla base di appunti personali e frequenza delle lezioni della professoressa Bragalli. Scarica il file con le esercitazioni in formato PDF!
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Dimensionamento e Ottimizzazione della Rete di aquedotto di Modena
La seconda proposta invece, si discosta abbastanza da quella elaborata dall'algoritmo in quanto in aggiunta si è cercato di dare una struttura più solida alla rete, collegando la risorsa con i due serbatoi.
Come si può notare dalle seguenti tabelle, la seconda configurazione è caratterizzata nel complesso da tubazioni di maggiore diametro, infatti circa il 54% dei diametri è compreso in un range tra 200 e 300 mm.
FASE1 - I
FASE1 - II
100
92
125
48
150
71
200
75
250
28
300
0
350
2
400
0
Per questo motivo il costo complessivo della seconda variante risulta maggiorato del 37% rispetto al costo della configurazione BONMIN, mentre la prima soluzione solo del 15%: in particolare rispettivamente si ha 4.12·10 € e 3.04·10 €.
Nelle seguenti figure si sono riportate le mappe delle configurazioni a confronto, evidenziando alcuni dei.tratti in cui si sono apportate delle modifiche rispetto alla configurazione di BONMIN.
Figura 3: A sinistra, configurazione variante I (eliminazione restringimenti in serie); A destra, configurazione BONMIN
Benché la prima variante possa sembrare più vantaggiosa in termini di costi, si è scelto di proseguire l'analisi della fase due facendo riferimento alla seconda variante. Infatti, la sua struttura gerarchizzata caratterizzata da percorsi principali e secondari più diretti e meglio definiti ha permesso una analisi in moto vario più stabile.
Figura 4: Configurazione diametri (collegamento risorsa-invaso) - Fase1 Ottimizzazione degli impianti di pompaggio
In questa seconda fase, ci si è posto l'obiettivo di verificare il funzionamento della configurazione proposta nel precedente paragrafo quando sottoposta a una domanda variabile sulla giornata e in presenza degli impianti di rilancio in rete. Questi, in particolare, sono stati opportunamente
settati considerando possibili interventi sulla loro attivazione, sul numero di giri, o sulla loro sostituzione. I parametri di simulazione sono impostati su un periodo di 72 ore con un time step di 1 ora. A differenza di quanto fatto nella fase precedente, la domanda non farà riferimento a una condizione costante e di massimo consumo, ma seguirà un andamento variabile sulla giornata: esso è caratterizzato da due picchi, quello più significativo nelle prime ore del mattino e da un consumo ridotto e perlopiù costante durante le ore notturne.
Nella figura seguente si riporta lo schema adottato dal modello e che verrà ripetuto identico per la simulazione del secondo e terzo giorno.
Figura 5: andamento del coefficiente riduttivo della domanda nelle 24 ore
Per rendere compatibile la configurazione proposta nel paragrafo precedente con il sistema di pompaggio è stato necessario effettuare alcune modifiche al settaggio degli impianti. In particolare, inentrambi i nodi a valle del Lake 1 e del Lake 2 si è aumentato il valore limite di attivazione delle pompe da 37 a 40 m. Tuttavia, avviando la simulazione in queste condizioni, il sistema restituiva il seguente messaggio di warning "pump 331 exceed maximum flow at 7 AM", ovvero nel momento di massimo consumo, il sistema di pompaggio del Lake 2 risultava sottodimensionata.
Per risolvere tale problema si sono analizzate due soluzioni: la prima (dimostratasi la scelta migliore) è stata quella di cambiare la curva caratteristica relativa alla pompa (Intervento di sostituzione della pompa); la seconda proposta è quella di intervenire nuovamente sull'infrastruttura aumentando i diametri delle condotte.
Per quanto riguarda la prima proposta risolutiva, si è cambiata la curva caratteristica da una di questo tipo:
Ad una di questo tipo:
A questo punto,
si è dovuto verificare il rispetto dei vincoli imposto sulla velocità massima nelle condotte e sul carico minimo nei nodi. In questo caso risultano alcune incongruenze sui valori di massima velocità ammissibile nelle condotte evidenziate in Figura 8. A partire dalle 7 del mattino fino alle 23, nei tratti evidenziati in figura le velocità raggiungono anche i 2.5 m/s. Figura 8: Incongruenze vincolo velocità
Per risolvere questa incongruenza sulle velocità, si è deciso di aumentare il diametro di questi tratti passando ad una configurazione dal costo di 4.15·10 € (aumento del 0.73%).
La seconda proposta, cerca di ottimizzare la rete escludendo l'ipotesi di una sostituzione delle pompe e quindi operando solo da un punto di vista dell'infrastruttura, aumentando i diametri.
La configurazione proposta è rappresentata nella figura seguente e prevede l'aumento del diametro per l'anello esterno che collega i due Tank,
raggiungendo un costo di 4.37·10 €.6Figura 9: Ipotesi di configurazione dei diametri per ottimizzare la rete - Fase 2
Dal punto di vista energetico le due soluzioni proposte implicano un consumo rispettivamente pari a 1.10 e 1.14 Gwh/anno.
In conclusione, sia per il costo relativo al dimensionamento sia per il costo energetico, la soluzione migliore è quella che prevede la sostituzione del sistema di pompaggio presso il Lake 2.
Sicuramente un parametro importante per valutare il buon funzionamento della rete è controllare la variazione di livello dei due tank. Un funzionamento ottimale del serbatoio si ha quando le variazioni di livello sono significative: questo infatti è indice del fatto che i due serbatoi svolgano una funzione di compenso e non solo quella di piezometri.
Come si evince dalla figura seguente, i livelli subiscono una variazione che va da un minimo di 2 m per il Tank 270 ad un massimo di 4 m per il Tank 269.
Figura 10: Andamento dei livelli dei tanksaracinesca) e di bilanciare il flusso idrico tra i diversi settori. In questo modo, in caso di guasto o manutenzione in uno dei settori, gli altri settori possono continuare a ricevere l'approvvigionamento idrico.
La distrettualizzazione della rete di distribuzione idrica permette di ottimizzare la gestione del sistema, riducendo le perdite di pressione e garantendo una distribuzione equilibrata dell'acqua. Inoltre, facilita anche la localizzazione e l'intervento in caso di perdite o rotture nella rete.
Questa suddivisione in settori permette di monitorare e controllare in modo più efficiente il flusso idrico, consentendo di individuare eventuali anomalie o problemi nella rete. Inoltre, facilita anche la manutenzione e la riparazione, in quanto è possibile intervenire su un settore senza dover interrompere l'approvvigionamento idrico agli altri settori.
La distrettualizzazione della rete di distribuzione idrica è quindi un elemento fondamentale per garantire un servizio efficiente e affidabile agli utenti, ottimizzando l'utilizzo delle risorse idriche e riducendo gli sprechi.Figura 11: Distrettualizzazione della rete
Tuttavia durante la verifica del limite massimo di velocità, si è riscontrato che nel momento della giornata in cui le domande crescono (tra le 7 del mattino e le 11) nei tratti evidenziati in figura si sono riscontrate delle velocità elevate.
Per ovviare al problema si sono aumentati a 300 i diametri dei pipe del tratto critico.
Figura 12: Incongruenza vincolo velocità - Fase 3
Sulla base di questa configurazione corretta, si sono voluti confrontare i consumi energetici rispetto alla rete aperta: si nota, allora, che la chiusura delle condotte ha provocato una richiesta energetica inferiore, da 1.14 si è infatti passati a 0.95 GWh/anno.
Ovviamente a causa dell'intervento sui diametri il costo è di poco aumentato: 4.16 anziché 4.15·10 €.
Dal punto di vista del funzionamento dei serbatoi possiamo notare delle differenze rispetto alla configurazione di tipo aperta.
Entrambi i
Serbatoi di compenso vengono coinvolti maggiormente nel processo di distribuzione, per esempio nel caso del Tank 270 la variazione di livello è aumentata: da circa 2 m per la rete aperta a 3 m nella rete distrettualizzata. Questo sicuramente dipende dalla re-distribuzione dei flussi a seguito della chiusura delle condotte e spiega anche il minor consumo energetico impiantistico.
Invece, per quanto riguarda il serbatoio 269, il suo funzionamento non risulta soddisfacente: il serbatoio infatti si svuota completamente nelle prime ore a causa di basse pressioni nei pressi del sistema di pompaggio del Lake 2.
Figura 13: Andamento del livello nei tank - Fase 3
Per compensare tale squilibrio e ristabilire una condizione ottimale di funzionamento del serbatoio, si è aumentato il valore limite di attivazione del sistema da 40 a 43 m, modificando i Controls dell'impianto di pompaggio del Lake 2.
Tale richiesta comporta un maggiore dispendio di energia, e infatti, da un totale di
1.14GWh/anno si passa a 1.30 GWh/anno. Una volta ottimizzato il funzionamento del serbatoio 269, l'andamento dei livelli risulta.
Figura 14: Andamento del livello nei tank ottimizzato - Fase 3
Analisi della qualità dell'acqua. Nella quarta ed ultima fase di progetto si richiede un'analisi dei tempi di permanenza dell'acqua in rete (Age) e della concentrazione del cloro (Chemical). In particolare si vogliono confrontare i valori ai nodi per la configurazione con la rete aperta ottenuta dalla seconda fase e per la configurazione con la rete distrettualizzata ottenuta dalla fase 3.
I parametri della simulazione sono stati definiti considerando un time step per l'analisi qualità di 5 minuti, e come parametri di reazione i seguenti valori: global bulk coefficient - 1.1 giorno e global wall coefficient - 1 m/giorno.
Come riferimento temporale si sono raccolti i risultati relativi alla seconda giornata di simulazione nelle ore 2:00, 8:00, 16:00 e 20:00.confrontare meglio i risultati si è deciso di mediare i valori ottenuti su ogni singolo nodo. Il risultato è proposto nei seguenti grafici:
Figura 15: Confronto dell'analisi qualità (Age a sinistra e Cloro a destra) per rete aperta o distrettualizzata
Come si può notare il tempo di permanenza ha un picco intorno alle 7 del mattino, del tutto ragionevole visto l'andamento della domanda. Tuttavia notiamo che mediamente, la rete distrettualizzata presenta dei tempi di permanenza in rete e delle concentrazioni di cloro maggiori.
Vediamo ora di confrontare l'andamento dei due parametri (age e chemical) nei nodi rappresentati in figura: 371913
Figura 16: Nodi selezionati per andamento qualità
Come si può notare dalle seguenti figure, il tempo di permanenza in rete del nodo 3 (centrale al distretto) è costante nel tempo e relativamente basso. Notiamo invece, che per il nodo
SSDIngegneria civile e ArchitetturaICAR/01 Idraulica
I contenuti di questa pagina costituiscono rielaborazioni personali del Publisher enginee di informazioni apprese con la frequenza delle lezioni di Sistemi Idraulici Urbani e studio autonomo di eventuali libri di riferimento in preparazione dell'esame finale o della tesi. Non devono intendersi come materiale ufficiale dell'università Università degli Studi di Bologna o del prof Bragalli Cristiana.
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