Laboratorio Sistemi idraulici urbani - report

Con la configurazione di diametri scelta, i cui valori sono visibili nei file excel relativo ai

risultati ottenuti, si nota che per ogni nodo della rete è verificato il vicolo imposto sul carico

idraulico a eccezione del nodo n34: ciò è dovuto dalla pompa assegnata per il sollevamento

della risorsa idrica dalla falda in quanto la sua prevalenza fornisce un carico idraulico nel

suddetto nodo superiore al carico idraulico massimo consentito. Per ovviare al problema è

stata diminuita la prevalenza della pompa. La nuova curva caratteristica della pompa viene

riportata di seguito: Figura 4 – Curva caratteristica della pompa.

Per quanto riguarda i vincoli sulla velocità di scorrimento in rete si assumono i seguenti valori

limite:

o = 2 ⁄,

rappresenta la velocità massima di scorrimento dell’acqua in rete.

Bisogna sottostare a tale prescrizione in quanto stiamo progettando e simulando la

rete di distribuzione idrica in condizioni di moto permanente;

o ≅ 0,1 ⁄,

rappresenta la velocità minima di scorrimento dell’acqua in rete.

Tuttavia, tale vincolo non è così stringente come la velocità massima, in quanto vi sono

delle situazioni in cui non è possibile ottenere valori superiori. Ovviamente, il

mantenimento delle velocità entro un certo range ci consente di ridurre il tempo di

permanenza dell’acqua nel sistema, che influenza poi le sue caratteristiche qualitative.

Analizzando la configurazione di diametri scelta si nota che la prescrizione relativa alla

velocità massima è verificata per ogni tubazione che compone la rete di distribuzione idrica. La

velocità minima invece risulta non verificata per alcuni rami della rete, ma, poiché per la

configurazione della rete sono stati selezionati i diametri più piccoli compatibili con i vincoli

imposti dei carichi idraulici, non è possibile aumentare ulteriormente la velocità. In molti di

≅ 0,1 ⁄,

questi rami tuttavia la velocità è vicina a e quindi possono essere

considerate accettabili. Completata la configurazione definitiva di progetto, possiamo

calcolare il costo associato alle sole tubazioni adottate che risulta pari a 321586,46 euro.

Simulazione su periodo esteso

La Extended Period Simulation (EPS) ci consente di valutare il funzionamento della rete di

distribuzione idrica nell’arco delle 24 ore, andando a visualizzare come variano le portate e i

carichi idraulici. Essa va a risolvere il sistema di equazioni di continuità e di moto, espresse in

forma matriciale, ad istanti successivi, la cui distanza temporale è costante sull’intero periodo

= 1: 00 ;

di simulazione ed è presa pari risolvendo una successione

di moti permanenti possiamo avere una conoscenza discreta delle variabili. Ad ogni istante il

software va ad aggiornare la actual demand ai nodi sfruttando la curva di consumo giornaliero

(Pattern Demand), mentre i livelli dei due serbatoi rimangono invariati in quanto sono dei

reservoir. Possiamo quindi visualizzare l’andamento della portata nei rami durante il periodo

di simulazione pari a 24 ore; se per esempio consideriamo i rami p10 e p11:

Figura 5 - Andamento portata nelle 24 ore dei rami p10 e p11.

Si può notare che la portata assume anche valori negativi; ciò significa che il ramo considerato è

percorso, durante la simulazione, nella direzione opposta a quella da noi assegnata. Per

quanto riguarda i nodi, possiamo visualizzare la variazione di pressione e di domanda

nell’arco delle 24 ore; se ad esempio consideriamo i nodi n8 e n9:

Figura 6 - Andamento pressione nelle 24 ore nei nodi n8 e n9.

Figura 7 - Andamento domanda nelle 24 ore nei nodi n8 e n9.

Si può notare l’andamento speculare della pressione e della domanda, infatti si ha una

⁄

diminuzione del termine in corrispondenza dei picchi di domanda e viceversa. Inoltre, la

variazione della actual demand ovviamente segue l’andamento della curva dei consumi

giornalieri considerata. A questo punto possiamo calcolare l’energia necessaria alla pompa da

pozzo per il corretto funzionamento della rete di distribuzione idrica. In EPANET è presente un

comando che ci permette di ricavare immediatamente il quantitativo di energia assorbita

dalla pompa in una giornata di simulazione.

Analiticamente, questa energia viene calcolata ad ogni intervallo temporale tramite la

seguente formula: ∙ ∙

= ∙ = ∙

1000 ∙ η

Dove:

o rappresenta la input power della pompa;

o è la portata sollevata della macchina;

o è la prevalenza della pompa;

o è il peso specifico dell’acqua;

w

o 0,75;

rappresenta il rendimento della pompa, supposto costante e pari a

o 1 ,

rappresenta il periodo di funzionamento della pompa; esso è pari a in quanto

è coincidente con il time step utilizzato per la simulazione.

Quindi per ottenere l’energia assorbita nell’arco della giornata basta sommare il contributo

relativo alle 24 ore, in quanto si considera un funzionamento costante. Moltiplicando per 365

giorni si ottiene la potenza necessaria per il corretto funzionamento del sistema nell’anno:

= 857,12 ∙ 365 = 312848,8 ∙ ℎ⁄

,

Inoltre, possiamo determinare l’indice di resilienza , che ci consente di valutare la capacità

del sistema di adattarsi a cambiamenti a lungo termine. In particolare, tale parametro globale ci

fornisce la potenza residua della rete ancora dissipabile, che è calcolate nel seguente modo:

∗

∗

−

= = 0,6

∗

Dove: ∗

o rappresenta la massima potenza dissipata internamente alla rete di distribuzione

idrica, associata quindi al valore minimo di carico idraulico ai nodi :

,

∗ = − ∙ ∑ ∙

, ,

1

1

∑

= ∙ ∙ è la potenza totale disponibile all’ingresso del sistema, che

viene calcolata considerando la portata e il carico idraulico dei due serbatoi presenti,

mentre è la water demand ai nodi della rete;

,

∗

o è la potenza dissipata internamente al sistema in un dato istante, che in tal caso

facciamo riferimento al momento di massima richiesta idrica:

∗ = − ∑ ∙

,

è il carico idraulico ai nodi nell’istante di massimo consumo.

Il valore dell’indice di resilienza ottenuto per la rete in esame è piuttosto elevato, ciò implica

che la rete presenta una buona capacità di adattarsi a differenti situazioni.

Analisi della qualità dell’acqua distribuita:

La qualità dell’acqua è legata al tempo di permanenza in rete, alla concentrazione delle

sostanze reagenti presenti al suo interno e alla miscelazione di differenti risorse idropotabili

all’interno del sistema. Questi aspetti possono essere valutati accoppiando alla EPS il modello

della qualità dell’acqua, considerando una durata di simulazione superiore alle 24 ore ed un

time step di qualche minuto; in tal caso la total duration è pari a 48:00 ore ed il quality time

step è di 00:05. L’analisi del tempo di permanenza dell’acqua in rete (age), è legato

unicamente ad aspetti idraulici quali portata e velocità di scorrimento, che sono ottenuti dalla

simulazione su periodo esteso. Quindi la Age analysis ci consente di valutare l’evoluzione del

tempo di permanenza dell’acqua in rete su tutto il periodo di simulazione; ad esempio

consideriamo il nodo n8: Figura 8 - Age analysis nodo n8.

Il nodo n8 presenta un tempo di percorrenza ridotto in quanto è un nodo principale. Il picco è

= 0,85 ,

pari a quindi prima dell’ora di massimo consumo. In corrispondenza dell’ora

8,6ℎ 0,05

di massimo consumo il tempo di permanenza scende drasticamente a valori di circa.

Ovviamente all’aumentare dell’età dell’acqua si ha un peggioramento delle caratteristiche

qualitative della risorsa inizialmente immessa nel sistema. Valutando nel complesso la rete:

Figura 9 - Age analysis della rete di distribuzione idrica alle ore 8.

Si nota che i nodi più lontani dai reservoir presentano in media un tempo di permanenza

dell’acqua in rete superiore. La chemical analysis ci permette di valutare il decadimento di una

sostanza reagente all’interno della rete di distribuzione idrica durante l’intera simulazione; nel

nostro caso andiamo ad analizzare il decadimento del cloro. Per prima cosa si va a definire la souce

quality dei reservoir, che rappresenta la quantità di cloro presente nella risorsa immessa nel

0,6 ⁄.

sistema, che è pari a Dopo di che si inserisce il global bulk coefficient, che rappresenta il

coefficiente globale legato alla reazione della sostanza con la massa fluida in movimento, ed il

global walk coefficient, che è un parametro sempre globale che definisce la reazione tra la

sostanza e la parete interna della condotta. Tale analisi ci permette quindi di valutare il

decadimento del cloro nella complessità del sistema, tuttavia bisogna sempre ricordare che i

parametri sono globali mentre nella rete solitamente sono presenti tubazioni di vari materiali,

posate in diversi momenti e percorse nel tempo da acque con qualità differente, per cui la

calibrazione dei parametri è piuttosto complessa. Consideriamo ad esempio l’andamento della

concentrazione di cloro nel tempo in corrispondenza del nodo n8, il quale presenta un tempo di

permanenza molto piccolo: Figura 10 - Chemical analysis nodo n8.

In cui si nota, come ci si poteva aspettare, che il decadimento della concentrazione del cloro

è abbastanza ridotto in quanto è strettamente correlato all’età dell’acqua in rete. Valutando nel

complesso la rete di distribuzione idrica:

Figura 11 - Chemical analysis della rete di distribuzione idrica alle ore 8.

Si nota che il decadimento del cloro è superiore sempre nei punti più lontani dagli accumuli,

che presentano elevati tempi di permanenza dell’acqua in rete.