I ricercatori dell’Oak Ridge National Laboratory del Dipartimento dell’Energia hanno creato un nuovo sistema di rilevamento che consente ai revisori energetici domestici di vedere le perdite d’aria da un edificio in tempo reale con l’aiuto di una telecamera. Si tratta di un progresso che potrebbe fornire letture più accurate molto più rapidamente di quanto consentano gli attuali strumenti diagnostici.
Il ricercatore di tecnologie edilizie Philip Boudreaux utilizza una fotocamera e una tecnica nota come fotografia schlieren orientata allo sfondo per identificare le fonti di perdite d’aria in un modello di muro di blocchi di cemento. Modifica immagine: ORNL, Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti
Gli edifici che perdono segnalano il declino efficienza energetica e bollette più alte per i proprietari di case. L’aria che fuoriesce da una casa attraverso finestre, porte e pareti crea un drenaggio delle finanze e ha un impatto sull’ambiente.
Risolvere il problema significa individuare esattamente il punto in cui fuoriesce l’aria in modo che le crepe possano essere sigillate: un processo che può essere costoso, lungo e complicato.
Il Blower Door Test è il metodo tradizionale per rilevare una perdita d’aria. Il fumo viene talvolta utilizzato insieme a una porta soffiante durante la quale una macchina del fumo riempie l’edificio e, successivamente, la macchina soffiante pressurizza l’edificio in modo che dall’esterno si possa vedere il fumo uscire attraverso le perdite d’aria.
Le matite fumogene possono essere utilizzate anche all’interno, dove gli auditor camminano nelle stanze per vedere le aree in cui viaggia il fumo per definire i punti di perdita d’aria. Altre tecniche di rilevamento perseguite negli ultimi anni includono l’uso di laser pulsati, acustica, tecnologia a ultrasuoni e persino vitamine.
ORNL sistema di rilevamento perdite d’ariache è stata una delle sette nuove tecnologie evidenziate durante la recente conferenza del laboratorio Vetrina dell’innovazione tecnologica per i prodotti prossimi alla commercializzazione, si basa sulla fotografia schlieren orientata allo sfondo, un processo utilizzato per catturare il flusso dei fluidi.
Risalente al 1860, la fotografia schlieren è stata utilizzata più recentemente e più ampiamente per fotografare il flusso d’aria attorno agli oggetti aeronautici.
Secondo il ricercatore capo dell’ORNL, Philip Boudreaux, la tecnica utilizza piccoli spostamenti sullo sfondo di una sequenza di immagini per visualizzare l’aria che perde e che ha una temperatura diversa rispetto all’aria circostante. Questa differenza di temperatura crea quello che Boudreaux definisce un miraggio se osservato davanti alla facciata di un edificio.
“Anche se questo miraggio è troppo piccolo per essere visto ad occhio nudo, può essere ripreso da una telecamera”, ha detto. “Il miraggio assomiglia proprio a motivi ondulati che potresti vedere sollevarsi dal marciapiede in una giornata calda o nello scarico caldo di un tubo di scappamento di un’auto.”
Il ricercatore dell’ORNL Philip Boudreaux ha guidato lo sviluppo di un sistema di rilevamento delle perdite che individua la fonte delle correnti d’aria in un edificio. Credito immagine: ORNL, Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti
Rilevamento e misurazione delle perdite d’aria
Boudreaux sta lavorando con un gruppo di ricerca per garantire che le perdite non siano solo visualizzate ma anche che ne venga misurata la quantità. Ciò consentirà ai proprietari degli edifici di dare priorità alle aree che necessitano maggiormente di impermeabilizzazione.
“Essere in grado di individuare le perdite più grandi fa risparmiare tempo e consente di affrontare rapidamente la riduzione energetica e il carico di carbonio degli edifici”, ha affermato.
Con quasi 130 milioni di edifici negli Stati Uniti che consumano circa il 40% della fornitura energetica totale della nazione e il 75% dell’elettricità, ridurre il consumo di energia è essenziale mentre il Paese si muove verso un futuro di energia pulita. Le perdite dagli edifici rappresentano circa il 4% del consumo energetico annuo degli Stati Uniti. Per i proprietari di case residenziali, ciò equivale a centinaia di dollari all’anno in denaro sprecato.
“Ci sono anche impatti sulla salute, perché le perdite contribuiscono alla formazione di muffe che possono causare problemi respiratori”, ha detto Boudreaux. “Le perdite riducono il comfort degli occupanti e la durata dell’abitazione.”
L’aria ha molteplici vie di fuga in una tipica casa unifamiliare a due piani con seminterrato. Pareti, finestre e porte sono fonti ovvie, ma anche le prese d’aria degli essiccatori, i rubinetti esterni, i ventilatori, i controsoffitti, le colonne di ventilazione idrauliche, i vespai, i portelli delle soffitte, i registri dei condotti e le aree in cui pareti e pavimenti si uniscono sono fonti di fuoriuscita d’aria o infiltrazioni nella struttura dall’esterno.
La correzione della fotocamera
Utilizzando una modesta videocamera digitale e applicando quella che Boudreaux definisce fotografia schlieren orientata allo sfondo naturale, le perdite d’aria possono essere facilmente viste dall’interno o dall’esterno dell’edificio.
“Si utilizza la rifrazione, dove un fluido con un indice di rifrazione diverso rispetto all’area circostante viene visualizzato in base alla distorsione di uno sfondo”, ha affermato. “Abbiamo anche sviluppato un software personalizzato per la visualizzazione in tempo reale della perdita con algoritmi che misurano la velocità e la portata. “
Boudreaux e il suo team hanno applicato questo approccio per visualizzare le perdite attraverso tre diversi tipi di rivestimento: mattoni, rivestimenti in vinile e blocchi di muratura in cemento. Gli esperimenti di visualizzazione sono stati eseguiti in due diverse condizioni di illuminazione: soleggiato e nuvoloso.
“Avevamo una piccola area di prova del rivestimento con una crepa al centro e un riscaldatore in ceramica che soffiava aria calda attraverso la fessura per fungere da surrogato del punto di perdita”, ha detto. “Faremmo esperimenti con il riscaldatore spento e con intervalli di temperatura variabili tra l’aria all’uscita della fessura e l’aria circostante.”
Gli esperimenti di visualizzazione delle perdite d’aria, che Boudreaux chiama “cercare le oscillazioni” nell’aria, hanno dimostrato che le perdite potevano essere rilevate quando la differenza di temperatura era di soli 12-15 gradi Celsius sul blocco di cemento e sui rivestimenti in mattoni.
“Siamo riusciti a ottenere una differenza di temperatura sufficiente tra l’aria intorno all’area della perdita e l’aria ambiente. Attraverso la ricerca in corso, intendiamo ridurre il limite di temperatura per il rilevamento delle perdite a 5 gradi Celsius”, ha affermato.
Ci sono voluti diversi anni perché il gruppo di ricerca sviluppasse, eseguisse e quantificasse gli esperimenti condotti fino ad oggi. Boudreaux ha affermato che l’idea iniziale di un sistema di rilevamento delle perdite d’aria basato su telecamera è nata nel 2019.
“Quattro anni dopo, sappiamo che un approccio schlieren orientato allo sfondo per visualizzare le perdite d’aria è affidabile a determinate temperature, e ora si sta dimostrando promettente anche per la quantificazione”, ha affermato. “Continueremo a misurare il flusso d’aria, ma i risultati finora sono complessivamente favorevoli.”
Il team di ricerca sul rilevamento delle perdite di ORNL comprende Bill Partridge, Gurneesh Jatana, Singanallur Venkatakrishnan, Rui Zhang, Emishaw Iffa, Diana Hun, Flavio Chuahy e Filipe Brandao.
L’UT-Battelle gestisce l’ORNL per l’Office of Science del DOE, il più grande sostenitore della ricerca di base nelle scienze fisiche negli Stati Uniti. L’Office of Science sta lavorando per affrontare alcune delle sfide più urgenti del nostro tempo. Per maggiori informazioni per favore visita Energy.gov/science.
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