L'affidabilità degli impianti HVAC : analisi e calcolo dell'indice R(t) tramite RBD (Reliability Block Diagrams)

The idea of reliability, in several engineering fields such as aeronautics, aerospace, nuclear, chemical, petroleum and electrical, is essential for the design and construction of new plants. However, these concepts are generally not applied in HVAC (Heating, Ventilation and Air Conditioning) systems supplying the buildings. Generally, the reliability of the HVAC system is not studied because it is only associated with thermohygrometic comfort of people but, nowadays, this is not entirely true. For example, the HVAC systems assume fundamental importance during surgery, or for maintaining the correct range of temperature in a bank Data Center and for ensuring the best working conditions for employees of a big company. Reliably studies, based on statistics and mathematic formulas, are investigated and applied in electrical engineering since the 1950s. This scientific approach is based on the failure ratio of several components of electric plants, which are not available for all the component of HVAC systems. The thesis aims to highlight the importance of reliability in HVAC systems and to describe the statistical methods that are currently used in electrical engineering extending them for design reliable HVAC systems. To do that, the thesis analyzes and investigates the failure ratio of the single component of the systems and focuses on how the system is designed (functional diagram). In the conclusions of the thesis, the application of reliability analysis is exemplified following the IEEE Standard 3006.5 “Recommended Practice for the Use of Probability Methods for Conducting a Reliability Analysis of Industrial and Commercial Power Systems” for the electrical plant and HVAC systems of an airport. The reliability analysis was performed by using the Reliability Block Diagrams (RBD) for both functional diagrams, electrical and HVAC. The positive and negative aspects of this method are showed by the applications in the study case in order to estimate the usefulness of quantifying the reliability of a system by RBD for design reliable systems.

In diversi settori dell’ingegneria, quali aeronautica, aerospaziale, cosi come nel settore nucleare, chimico, petrolifero ed elettrico, il concetto dell’affidabilità risulta essere parte fondamentale ed oramai imprescindibile in fase di progettazione e di realizzazione di un impianto e dei singoli elementi che lo compongono. Gli stessi princìpi non sono però allo stesso modo percepiti e applicati nel mondo degli impianti meccanici di climatizzazione, estiva ed invernale, degli edifici. Questi, infatti, sono spesso esclusivamente considerati centrali per l’ottenimento di un comfort termoigrometrico delle persone che vivono in un ambiente costruito e, quindi, non oggetto di particolari studi legati alla loro affidabilità. Gli impianti di raffrescamento, però, hanno assunto, in tempi più o meno recenti, una funzione essenziale per garantire aspetti di sicurezza delle persone e di protezione di valori economici importanti. Basti pensare al raffrescamento di una sala operatoria o al raffrescamento di una sala di apparati informatici di un aeroporto, di una banca, o anche semplicemente di un’azienda con centinaia di dipendenti, il cui lavoro è dipendente dal loro funzionamento. Mentre nel settore dell’ingegneria elettrica sono stati, fin dagli anni ’50, sviluppati studi affidabilistici basati su statistiche dei tassi di guasto di componenti, algoritmi di calcolo definiti da norma tecniche, ciò non avviene ancora per il settore degli impianti tecnologici. Il seguente lavoro di tesi ha, quindi, lo scopo di mettere in evidenza l’importanza dell’affidabilità (reliability) degli impianti e di trattarne lo stato dell’arte nel settore elettrico, proponendone l’estensione agli impianti tecnologici di climatizzazione. Verranno, quindi, mostrate, studiate e analizzate le implicazioni sotto il profilo dell’analisi del guasto sia di componenti sia dei collegamenti tra di essi (schemi funzionali). La tesi conclude con un esempio di un’analisi affidabilistica di un sistema elettrico di una sala apparati di un aeroporto, conforme allo Standard IEEE 3006.5 (2014) IEEE Recommended Practice for the Use of Probability Methods for Conducting a Reliability Analysis of Industrial and Commercial Power Systems, che viene esteso in modo del tutto analogo agli impianti tecnologici a servizio della medesima sala apparati. In particolar modo, tutte le analisi affidabilistiche sia in relazione all’impianto elettrico che a quello meccanico, verranno svolte tramite i Reliabiality Block Diagrams (RBD). Verranno cosi evidenziati gli aspetti positivi e negativi legati all’applicazione di questa metodologia di calcolo dell’affidabilità e, tramite l’applicazione del caso studio, sarà possibile verificare il suo possibile utilizzo nella pratica progettuale.