Fault impact analysis of ventilation systems: a simulation-based case study of a residential building in Italy

Nowadays, there is a growing emphasis on energy conservation in the building sector. Home automation of HVAC systems and the concept of smart buildings are fundamental to achieving this goal. However, it is important to understand how HVAC operations are affected by failures. Failures can occur due to stochastic events during system operation, inadequate maintenance, or errors in installation and calibration procedures of the instruments. This thesis aims to assess the impact of common failures in a Constant Air Volume Air Handling Unit (CAV AHU) operating in a medium-sized residential building in the northeast of Italy, designed to work in conjunction with a radiant system. The AHU can operate exclusively for dehumidification or provide additional cooling to the radiant system. The thesis begins by simulating various configurations and operational modes of the overall system (composed by the AHU, a radiant cooling system, and the building), resulting in different scenarios. Subsequently, a series of faults are introduced into one of the simulated scenarios, resulting in a total of 48 faulty scenarios, each corresponding to a specific fault with varying intensity. These faulty scenarios are analysed to identify variations in electrical energy consumption, thermal comfort, humidity levels, and Indoor Air Quality (IAQ) compared to the free-fault scenario. The results suggest that the AHU's electrical energy consumption is most significantly affected by the offset of the thermostat temperature sensor, the decrease in efficiency of the fans' electrical motors, and inadequate insulation of the duct circuits. Thermal comfort levels generally remain relatively stable compared to the free-fault scenario, largely due to the presence of the radiant system, which independently provides cooling load despite the failures. Among the most impactful failures on thermal comfort are the thermostat offset, the stuck position of the bypass damper, and inadequate insulation of the duct circuit. Humidity levels are primarily influenced by the calibration of the thermostat sensor and the position of the stuck bypass damper. Additionally, IAQ levels are predominantly influenced by duct leakage, which alters the quantity of air injected into the environment. While these findings are specific to the studied case, they contribute to the body of knowledge in this field and support established methodologies. Future research could involve extending the simulation period to a full year, to evaluate system performance under failures over a longer duration, and the introduction of failures not implemented in this research.

Nella società contemporanea sta crescendo l’importanza del tema del risparmio energetico nel settore degli edifici. Il concetto di “smart building” e l’automazione degli impianti di climatizzazione e ventilazione degli edifici sono alla base del raggiungimento degli obiettivi di risparmio energetico. Tuttavia, è importante comprendere come questi sistemi automatizzati siano influenzati dall’insorgere di guasti. Questi guasti possono manifestarsi a causa di rotture accidentali durante il funzionamento dei sistemi, a causa di una manutenzione inadeguata o a causa di errori nell’installazione e nella calibrazione degli strumenti. Questo lavoro di tesi si basa sull’indagine dei guasti più comuni che possono interessare un UTA (unità di trattamento aria) che opera a portata d’aria costante. L’UTA in considerazione opera in un appartamento residenziale di medie dimensioni situato nel Nord Est Italia ed è affiancata da un sistema radiante che fornisce parte del carico di raffreddamento. L’unità può provvedere alla sola deumidificazione dell’aria oppure è in grado di fornire un carico termico integrativo a quello fornito dal sistema radiante. Nella prima parte della tesi, dopo una accurata descrizione della componentistica, sono simulate diverse configurazioni del sistema (composto da UTA, sistema radiante e edificio) corrispondenti a diverse modalità di funzionamento della macchina. Successivamente, su uno degli scenari ottenuti dalle prime simulazioni sono state introdotte le diverse condizioni di guasto. Implementando uno alla volta i guasti, sono stati ottenuti 48 scenari, ognuno caratterizzato da un guasto specifico con una propria intensità. Questi 48 scenari sono stati analizzati dal punto di vista energetico, del comfort termico, del livello di umidità e della qualità dell’aria per registrare le variazioni rispetto al lo scenario iniziale senza guasti. I risultati ottenuti suggeriscono come i guasti di maggiore impatto nel consumo energetico dell’UTA sono: l’offset del sensore di temperatura del termostato dell’edificio, il calo dell’efficienza dei motori elettrici dei ventilatori e le perdite termiche dovuto a una insufficiente isolamento del condotto dei canali dell’aria. I livelli di comfort termico non risentono in maniera consistente dei guasti implementati. Questo risultato è in parte dovuto alla presenza del sistema radiante che, indipendentemente dai guasti, fornisce carico di raffreddamento all’edificio. Ad ogni modo, tra i guasti più impattanti nei livelli di comfort termico rientrano: l’offset del sensore di temperature del termostato, il blocco della serranda di by pass dello scambiatore e l’insufficiente isolamento termico dei condotti. I livelli di umidità sono principalmente influenzati dalla calibrazione del termostato e dalla posizione di blocco della serranda di by pass. Per quanto riguarda invece la Indoor Air Quality (IAQ), le perdite nei condotti d’aria sono l’unica tipologia di guasto ad influenzare la qualità dell’aria interna, alterando il flusso d’aria immesso nelle zone termiche. Questi risultati, sebbene specifici per il caso studiato, contribuiscono al corpo di conoscenze in questo campo e supportano le metodologie consolidate. Ricerche future potrebbero prevedere l'estensione del periodo di simulazione a un intero anno per valutare le prestazioni del sistema in presenza di guasti su una durata più lunga introducendo quindi anche il periodo invernale all’analisi. Inoltre, uno studio più approfondito può essere esteso ad altre categorie di guasto meno comuni e non citate in questa tesi.