1) INTRODUZIONE
Le reti di distribuzione d’acquedotto dei tipi classici più diffusi rappresentani lo scoopo del presente lavoro nel qiuale vengono documentate le incongruenze di funzionamento mentre nel contempo venmgono esaminate la possibilità di ovviarvi con soluzioni razionali ed economiche.
Si assume come esempio una rete semplice (vedi fig.1) ma atta ad evidenziare i fenomeni che si vuole descrivere. In ossequio alle migliori tradizioni acquedottistiche e ai dettami della letteratura tecnica, essa presenta le seguenti caratteristiche:
· insieme di condotte a maglie chiuse e aperte estese a tutto il territorio da servire costituito da un nucleo centrale a maggior consumo, una periferia con consumi distribuiti e con alcuni utenti particolari (nodi 105,116,117 );
· alimentazione tramite un unico impianto di produzione e sollevamento a prevalenza fissa destinato ad immettere in rete la portata media giornaliera e munito di vasca di carico (S1) avente la funzione di stabilizzare la pressione di partenza della rete;
– compensazione delle portate effettuata a mezzo dei tre serbatoi pensili di rete (S2,S3,S4) (quindi acqua in quota) che accumulano durante i periodi di bassi consumi (presumibilmente la notte) i volumi d’acqua in eccedenza rispetto alle richieste dell’utenza per reimmetterli in condotta onde far fronte alle punte di consumo.
Una rete come quella descritta, secondo le opinioni maggiormente diffuse, costituisce l’optimum in quanto è in grado di garantire costanza e sicurezza di funzionamento assieme a stabilità della pressione di esercizio dovute alla presenza della vasca di carico in testa alla rete ed altresì economia nella spesa energetica di sollevamento dato che centrale e condotte principali recapitano con continuità la sola portata media evitando il funzionamento di punta che comporterebbe invece onerose dissipazioni energetiche.
Lunghe esperienze di attento esercizio hanno dimostrato che le cose si svolgono, nella realtà spesso incognita anche allo stesso gestore, in maniera totalmente diversa:
· nel mentre l’utenza proprio nei periodi di maggior consumo viene alimentata con le pressioni più basse a causa delle perdite di carico in tali evenienze particolarmente elevate, si verificano invece pressioni di consegna esuberanti durante i periodi notturni o comunque di basse portate cui consegue un duplice danno: quello dovuto all’ovvio dispendio energetico e quello dovuto alle perdite di rete che, a causa della maggior pressione, aumentano notevolmente.
I serbatoi di rete, essendo dimensionati per la punta di consumo, funzionano correttamente solo per periodi brevissimi mentre per la stragrande maggioranza delle giornate rimangono inattivi quando addirittura non sfiorano mandando a scarico importanti quantitativi d’acqua preziosa;
Come è ben noto, la portata che un serbatoio di rete come quelli in argomento può derivare o immettere in condotta è, in ogni istante, funzione di numerosi e variabili fattori tra cui la pressione di esercizio, quella di consegna all’utenza da cui dipende, in parte, il consumo, il livello dell’acqua nel serbatoio stesso che è funzione, a sua volta, dei volumi invasati o svasati in precedenza, ecc. ecc. Tale portata, pertanto, difficilmente viene a coincidere con quella necessaria per la compensazione delle portate, compensazione che viene quindi ed in buona parte a mancare.
Nella pratica gestione degli acquedotti, si rimedia maggiorando le condotte di rete in modo che gli impianti di produzione vi possano immettere, nelle ore di punta, una portata superiore a quella media prevista in origine e modulare la loro portata mediante dissipazione del carico idraulico ottenuta strozzando la valvola posta a valle della vasca di carico o facendo funzionare a canaletta le condotte in uscita dalla vasca stessa.
La diminuzione di pressione che tale operazione comporta nella rete, provoca il provvidenziale intervento dell’invaso ancora contenuto nei serbatoi.
Il risultato finale che così si ottiene è caratterizzato da:
· compensazione giornaliera delle portate effettuata solo in parte dai serbatoi di rete ed in parte dagli impianti di produzione;
· utilizzazione dei serbatoi a prezzo di una diminuzione della pressione di rete che a volte si rivela inadatta ad una corretta alimentazione dell’utenza;
· onerosa dissipazione di energia necessaria per abbassare la pressione di pompaggio subito a valle della vasca di carico.
· mancata utilizzazione della rete per il riempimento dei serbatoi nei periodi di bassi consumi. L’invaso viene invece effettuato durante i periodi di consumo medio quando le perdite di carico delle condotte sono ancora rilevanti.
In definitiva viene a mancare, per i serbatoi di compensazione in rete, l’assunto di base. Essi rimangono quasi sempre pieni mentre, nella migliore delle ipotesi, viene utilizzata solo una parte del loro volume utile, a prezzo di un funzionamento anomalo delle condotte di rete e degli impianti di produzione. Un altro fenomeno che ha luogo nei giorni di alto consumo dell’utenza è lo svuotamento anticipato dei serbatoi i quali, molto spesso, al momento della punta di consumo sono già vuoti e quindi non collaborano affatto a a soddisfarla.
2) VERIFICA DELLA RETE CLASSICA
Volendo verificare anche dal punto di vista teorico i concetti esposti, viene esaminata in dettaglio la rete di esempio: le conclusioni cui si perviene, confortanti quelle sperimentali, potranno, in un secondo tempo, essere estese anche a reti complesse.
Definito il diagramma giornaliero dei consumi dell’utenza del tipo che comunemente si può riscontrare in cittadine medie, si è passati alla verifica del funzionamento idraulico in moto permanente dell’insieme centrale di alimentazione/condotte/serbatoi.
Per i calcoli si è utilizzato un programma per personal computer che, oltre a consentire il calcolo della rete a maglie chiuse in un determinato istante tenuto conto della situazione degli impianti e dei consumi ai nodi nell’istante medesimo, permette anche di definire l’evoluzione nel tempo dei serbatoi ed in genere di tutta la rete, in funzione della variazione dei consumi dell’utenza secondo il citato diagramma di consumo giornaliero.
Si sono fissate le seguenti ipotesi di base:
1 – compensazione giornaliera delle portate effettuata dai serbatoi inseriti in rete (anche se in alcuni casi ciò non ha luogo che parzialmente)
2 – serbatoi a sezione costante
3 – serbatoi ad altezza infinita (le quote di minimo e massimo livello vengono determinate in un secondo tempo)
4 – esame della rete nell’intero arco della giornata tipo mediante serie di calcoli di verifica del suo funzionamento idraulico (moto permanente) per intervalli temporali brevi (15 minuti) in modo da rendere ininfluente, ai fini del calcolo del livello dei serbatoi, la differenziazione di portata entrante od uscente dai serbatoi stessi durante l’intervallo considerato.
5 – ripetizione delle serie di calcoli per almeno cinque giornate consecutive con identico diagramma di consumo dell’utenza in modo da raggiungere la stabilità del ciclo giornaliero sia per quanto riguarda i livelli dei serbatoi che la portata immessa in rete dalla centrale.
Nella prima serie di calcoli si sono ripetute le verifiche considerando diversi tipi di serbatoi in modo da esaminarne il comportamento in funzione della loro superficie utile. I risultati sono riportati nella seguente tabella I e nei grafici delle figure n. 2 e 3.
Esaminiamo il comportamento nel giorno di massimo consumo della rete alimentata dalla centrale o dal serbatoio a pressione o livello costanti (calcoli n. 1/I, 2/I 3/I, 4/I e figg. 2, 3).
Innanzitutto viene confermato che, essendo presenti serbatoi collegati alla rete senza interposizione di apparecchiature di sorta, non è possibile che la centrale immetta in rete una portata costante e di valore pari alla media giornaliera e che i serbatoi di rete, pur se di altezza infinita, abbiano da attuare la totale compensazione delle portate.
La inevitabile variazione di portata della centrale, pari a 290.2 l/s per serbatoi da 200 mq di sezione diventa sempre più’ piccola man mano che aumenta la sezione utile (è pari a 114.3 l/s per serbatoi da 1000 mq) e di conseguenza la curva rappresentativa della portata della centrale nelle 24 ore si appiattisce sempre di più’ avvicinandosi (senza mai eguagliarla) alla retta della portata media giornaliera.
Si constata come i serbatoi effettuino, trattandosi della giornata di massimo consumo, una buona compensazione del consumo di punta che alle ore 8-9 ammonta a 1350 l/s risultando sufficiente, per tale periodo, una portata della centrale prossima a quella media giornaliera (900 l/s). La portata della centrale raggiunge il valore massimo al pomeriggio quando i serbatoi sono vicini allo svuotamento totale e non, come a prima vista sembrerebbe logico, al mattino quando i consumi dell’utenza sono più elevati.
Il riempimento dei serbatoi ha luogo, in tutti i quattro casi esaminati, dalle ore 21 alle ore 6 circa quando essi raggiungono il loro livello massimo. Ha inizio allora la loro fase attiva con immissione in rete dell’acqua accumulata. Viene qui in luce una delle incongruenze del sistema in quanto il volume prezioso d’acqua in quota non viene, nel periodo di tempo che va dalla sei alle sette circa, utilizzato per coprire le punte di consumo, ma va invece ad alimentare una utenza avente consumi addirittura inferiori alla portata media e che, in quanto tali, potrebbero benissimo essere soddisfatti direttamente dalla centrale.
Per quanto concerne la funzionalità dei serbatoi risulta che, aumentando la loro superficie utile (da 200 a 1000 mq cadauno nell’esempio), si ottiene una miglior utilizzazione del volume disponibile il cui quantitativo passa dai 9100 mc con serbatoi da 200 mq a 10370 con serbatoio da 1000 mq, senza però raggiungere la cubatura necessaria per la totale compensazione che ammonterebbe a 11200 mc circa. Con la superficie maggiore (1000 mq) si ottiene, ovviamente, una minore escursione di livello di tutti i serbatoi e quindi anche della rete ed una minore escursione di portata tra mattina e sera nella centrale di sollevamento.
Esaminando il grafico (v. fig. 4) che rappresenta il volume utilizzato in funzione della superficie dei serbatoi si constata però come l’aumento di volume ottenibile dalla maggior sezione dei serbatoi non sia direttamente proporzionale alla superficie stessa ma segua una curva quadratica per cui i benefici ottenibili si attenuano all’aumentare della superficie. La soluzione ottimale dipende pertanto dalle caratteristiche proprie di ciascuna rete e dai costi di costruzione e di esercizio che le varie soluzioni comportano.
Le altezze utili che dovrebbero assumere i serbatoi nell’esempio sono esagerate sia per le difficoltà costruttive che ne deriverebbero sia per le eccessive escursioni di pressione che esse indurrebbero nella rete. Sono state scelte perché, trattandosi di una mera esercitazione teorica, rendono più evidenti i fenomeni che si vogliono qui illustrare.
Definite come sopra le caratteristiche geometriche dei serbatoi e supposto che siano dotati di valvola di efflusso a galleggiante che si chiude quando il serbatoio è pieno onde evitarne gli sfiori, si è passati all’esame del loro comportamento durante il resto dell’anno sempre considerando che la centrale di pompaggio funzioni a pressione costante (100 msm).
E’ in questa fase che vengono alla luce le più gravi carenze del sistema acquedottistico in esame. I serbatoi, dimensionati per un corretto funzionamento nel giorno di punta, diventano scarsamente utilizzabili in tutti gli altri giorni a causa delle minori perdite di carico che si verificano in rete.
Se si considera la curva di frequenza dei consumi medi giornalieri di un acquedotto tipo (vedi fig. 13.1 più avanti) dalla quale risulta che essi assumono valori elevati (normalmente utilizzati per il dimensionamento degli impianti) per pochissime giornate, e che pertanto i benefici ottenibili dai serbatoi nella misura sopra descritta si limitano a pochissimi casi mentre durante tutto il resto dell’anno la loro funzionalità è notevolmente ridotta, si può concludere che il sistema di alimentazione delle reti con centrali a pressione fissa deve essere abbandonato.
Ad esempio se si esaminano i risultati del calcolo n. 5/I riportati in tabella e nel grafico di fig. 5 e che sono relativi a serbatoi da 200 mq di sezione con quote di sfioro e fondo definite come sopra e ad un giorno nel quale gli utenti hanno un consumo corrispondente alla media annua (cioè con portata media giornaliera pari a 600 l/s) si constata come la pressione di rete sia per molte ore più elevata del livello massimo dei serbatoi i quali, durante tale periodo, rimangono chiusi e quindi inoperosi. Il contributo che essi prestano alla rete è limitato al periodo che và dalle ore 7 alle ore 11 durante il quale, immettendo in rete un volume totale di 1080 mc, riescono ad contenere la portata massima della centrale entro 763 l/s circa a fronte di un consumo istantaneo massimo dell’utenza di 900 l/s. L’accumulo di detto volume ha luogo nelle ore immediatamente successive e cioè dalle ore 11 alle 16 circa. Viene così a mancare totalmente la loro funzione precipua che dovrebbe essere quella di accumulare di notte i volumi d’acqua da restituire alla rete il giorno successivo. I serbatoi, la cui capacità totale è pari a 9280 mc, vengono utilizzati nella giornata di consumo corrispondente alla media annua, come già detto, per totali mc. 1080 corrispondenti ad una percentuale del solo 12%. Per quanto riguarda la pressione di consegna dell’acqua all’utenza si rileva come essa sia corretta solo durante i periodi di consumo elevato mentre per buona parte della giornata e per tutta la notte si verifichi un inutile carico residuo. Da tener presente che nei periodi notturni quando il consumo dell’utenza diventa quasi nullo ed i serbatoi sono pieni e quindi con la valvola di efflusso chiusa, la piezometrica di rete diventa quasi coincidente con la statica (100 msm) il che significa raddoppiare la pressione di consegna con tutti i danni che ne derivano. Se si tiene conto che i consumi per lunghi periodi si mantengono su valori ancora inferiori di quello medio annuo appena considerato, si giunge all’ovvia conclusione che, nella realtà, i serbatoi sopraelevati della rete alimentata a pressione fissa sono praticamente sempre pieni ed inutilizzati e che la pressione di consegna è quasi costantemente troppo elevata.
Prescindendo momentaneamente dalla reale consistenza della rete precedentemente descritta, si è passati a verificare quali sarebbero le sue condizioni di funzionamento qualora, soppressa idealmente la vasca di carico posta in testa, la centrale di sollevamento fosse del tipo ad immissione diretta in rete ed a portata costante per tutte le 24 ore della giornata. Tali modalità, che possiamo definire di tipo scolastico in quanto non attuabili nella pratica di esercizio, sono state esaminate al solo scopo di costituire la soluzione teorica ideale cui paragonare tutte le altre.
I risultati, relativi al giorno di max consumo e riportati in colonna n. 6/I
ed illustrati nel grafico di fig. n. 6, confermano che la centrale, per mantenere costante durante il corso della giornata la sua portata, dovrebbe variare notevolmente la pressione di pompaggio mentre i serbatoi, per poter effettuare tutta la compensazione, dovrebbero avere altezze utili di invaso maggiori di quelle determinate come sopra. Nel caso in esame si passa da un pompaggio massimo di 113,98 msm al mattino ad un minimo di 94,04 la sera mantenendo all’incirca un dislivello costante durante l’arco di tutta la giornata, rispetto ai livelli dei serbatoi.
Nella colonna 7/I nel grafico della fig. 7 sono riportati i risultati del calcolo di verifica nel giorno con consumi corrispondenti alla media annua (600 l/s) con centrale a portata fissa pari a 600 l/s e serbatoi da 200 mq che effettuano la compensazione delle portate. Il risultato più saliente è dato dal notevole abbassamento della prevalenza di pompaggio con una compensazione totale delle portate mediante utilizzazione di una capacità di 7464 mc.
Le conclusioni finali ricavate dalle serie di calcoli di verifica sopra riportati sono le seguenti:
· la rete classica, essendo dotata di vasca di carico che stabilizza la pressione di partenza ed essendo la quota di tale vasca definita in funzione delle portate di punta, lavora per lunghi periodi con valori di pressione di consegna dell’acqua inutilmente elevati il che comporta, oltre che un anomalo ed inutilmente dispendioso rifornimento idropotabile anche un aumento delle perdite notturne di rete con maggiori costi di produzione d’acqua;
· i serbatoi di compenso in rete sono per la maggior parte dell’anno scarsamente utilizzati costringendo la centrale ad immettere in rete portate quasi nulle durante la notte ed in genere i periodi di bassi consumi e maggiori della media giornaliera nelle ore di punta. Ne deriva necessità di maggiori diametri delle condotte di rete ed una loro anomala utilizzazione con maggiori perdite di carico ed ovvie maggiori spese di sollevamento.
3) LA RETE IDEALE
Nella ricerca di una soluzione atta ad ovviare ai difetti descritti si adotta una filosofia completamente diversa da quella che caratterizza la rete classica: attribuire priorità assoluta alla pressione di consegna dell’acqua all’utenza considerato che essa è l’elemento determinante dell’esercizio. Tutto il funzionamento dell’insieme acquedottistico sarà condizionato al raggiungimento di tale risultato.
In pratica vengono prefissati valori di pressione all’utenza:
· elevati per il soddisfacimento del fabbisogno di punta;
· medi per i periodi di consumo medio bassi;
· minimi per le ore notturne caratterizzare da bassi consumi.
L’assetto degli impianti viene rivoluzionato: non più vasca di carico che fissa inderogabilmente la pressione di partenza ma centrale ad immissione diretta in rete e a pressione variabile con asservimento a quella finale dei nodi più rappresentativi della rete rilevata e trasmessa con continuità ed automaticamente alla centrale.
Anche i serbatoi di compenso in rete devono essere diversi da quelli descritti: non più serbatoi pensili che richiederebbero per il loro funzionamento una piezometrica di rete rigidamente definita dalle loro quote di fondo e di sfioro ma un grande serbatoio a terra munito di proprio impianto di risollevamento anch’esso a prevalenza variabile, il tutto adatto alle pressioni di esercizio le più disparate.
Tutti i sollevamenti devono ovviamente essere dotati delle apparecchiature (casse d’aria, casse d’acqua, alimentazione a mezzo by-pass ecc. ecc.) di attenuazione dei dannosi effetti dei colpi d’ariete che vengono inevitabilmente trasmessi alle condotte.
3.1) VERIFICA DELLA RETE IDEALE
La seguente serie di calcoli di verifica riguarda la rete di cui ai capitoli 1) e 2) alla quale sono però state apportate le modifiche necessarie per trasformarla in rete ideale.
Le sue caratteristiche sono:
· rete magliata unificata destinata sia all’alimentazione dell’utenza che a quella notturna del serbatoio di compenso;
· centrale di sollevamento con pompaggio diretto in rete a pressione e portata variabili (quindi con pompe a giri variabili) dotata di proprio serbatoio del tipo a terra e destinato a compensare la quasi totalità delle portate giornaliere. La pompa varia in continuazione la velocità di rotazione in modo che la pressione ai nodi rappresentativi della rete (nel caso specifico il nodo n. 118) coincida con quella del grafico preimpostato per tutta la giornata tipo e con un prefissato valore massimo di portata chiamato soglia di intervento. In altri termini la centrale, all’aumentare o diminuire della richiesta di rete, regola pressione e portata per seguirne il fabbisogno ma con una pregiudiziale data dal limite massimo di portata (soglia prefissata e tarabile) che non deve essere in nessun caso superato.
· serbatoio per la residua compensazione in rete ed a terra, ubicato in posizione baricentrica rispetto ai consumi, alimentato dalla stessa rete e munito di proprio impianto di risollevamento a portata e pressione variabili (quindi anch’esso con pompe a giri variabili). La regolazione del serbatoio ha luogo in fase di riempimento mediante modulazione della valvola di immissione con asservimento dell’invaso ad un grafico giornaliero preimpostato dei livelli in vasca da assumere ora per ora ed in fase di svuotamento con asservimento del numero di giri della pompa al grafico preimpostato della pressione ai nodi indicato al paragrafo precedente. Il risollevamento entra in funzione solo allorquando la pressione ai nodi, non più sorretta dalla centrale principale la cui portata ha raggiunto il valore di soglia, tende a scendere al di sotto dei valori preimpostati.
· impianto di telecontrollo e telecomando atto ad effettuare in automatico le regolazioni dei sollevamenti in funzione delle pressioni ai nodi rilevate e trasmesse in continuo, la regolazione dell’immissione d’acqua in serbatoio di compenso in funzione di una predefinita curva giornaliera dei livelli da assumere ora per ora ed in genere il controllo di funzionamento dell’insieme acquedottistico.
·
Poiché la rete che qui si vuol verificare riassume tutte le caratteristiche positive che con il presente lavoro si vogliono propugnare, ci si è dilungati nell’esaminare il suo funzionamento idraulico nelle varie e disparate condizioni paragonandone i risultati con quelli di una rete analoga ma di tipo tradizionale con serbatoi pensili di compensazione ed impianto di produzione funzionante a portata fissa pari a quella media giornaliera. Il confronto è quindi effettuato con un sistema acquedottistico di tipo classico avente il minore dispendio energetico possibile anche se, come spiegato, non attuabile nella realtà dell’esercizio. Per consentire anche un raffronto realistico dei consumi energetici si sono indicati nelle colonne 9/II e 10/II i dati di funzionamento relativi ad un acquedotto di tipo tradizionale identico a quello classico suddetto ma dotato, come di norma, di una centrale di pompaggio a pressione fissa e pari a quella massima necessaria per l’ora di punta e con regolazione della pressione di mandata ottenuta strozzando la valvola di uscita e quindi dissipando il carico in eccesso.
La serie di calcoli è riepilogata nella tabella II, mentre la loro rappresentazione grafica forma l’oggetto delle fig. da n. 9 a n. 12. Nella tabella sono replicati nelle colonne n. 1/II e n. 6/II i dati delle col. 6/I e 7/I già esaminate per facilitare il confronto dei risultati.
Per una visione completa del funzionamento della rete vengono esaminate molte possibilità di utilizzazione della capacità di compenso giornaliero del suo serbatoio: da quella minima (nessun volume di compenso da parte del serbatoio di rete) a quella massima con immissione in rete dell’intero volume utile e quindi con totale compensazione della portata da parte del serbatoio.
Tra i due estremi esistono infinite possibilità intermedie definite dalla soglia di pompaggio massimo che si può preimpostare.
Le prime verifiche riguardano l’ipotesi in cui tutta l’utenza è alimentata dalla centrale costretta, in tal caso, a seguire le portate richieste dalla stessa
Nella pratica tale funzionamento sarebbe ottenuto fissando un valore di soglia più elevato della portata massima degli utenti cioè superiore a 1350 l/s.
I risultati sono riportati nella allegata tabella II.
Nel giorno di massimo consumo (n. 2/II fig. 9) la centrale varia la pressione di pompaggio fino a raggiungere, nell’ora di punta, i 137 msm circa. Il bilancio energetico denuncia un dispendio superiore a quello con serbatoi pensili del 5% (v. n. 1/II fig. 6) e rilevanti perdite di carico che la rete deve sopportare per il trasporto delle portate di punta. Nei giorni di consumo medio (600 l/s v. col. 8/II fig. 12) la pressione massima di pompaggio si abbassa fino a 100 msm con un dispendio energetico pari a quello che si avrebbe con la corrispondente soluzione con serbatoi pensili (v. n. 6/II fig. 7).
Da quanto precede risulta che per portate rilevanti è conveniente utilizzare al massimo i serbatoi di rete e diminuire quindi la portata innalzata dalla centrale durante le ore di punta mentre per i consumi medio-bassi la soluzione migliore è quella con l’intera portata sollevata direttamente dalla centrale evitando totalmente il risollevamento da parte del serbatoio in rete.
E’ fuori di dubbio che la soluzione più razionale non può essere che quella mista che soddisfa ambedue le condizioni e quindi con serbatoi in rete che intervengono solo quando la portata totale (cioè il consumo dell’utenza) supera una certa soglia critica. Quando ciò non avviene tutta la portata è sollevata dal solo impianto di produzione (regolazione “a soglia prefissata”).
Visto il funzionamento della rete senza intervento dei serbatoi si passa ora ad esaminare l’efficacia di quest’ultimi iniziando con modesti volumi di utilizzazione per passare via via a più marcati valori fino a giungere alla utilizzazione del volume massimo di compensazione. Nella pratica tale regolazione avviene fissando via via valori sempre inferiori di soglia fino a giungere al suo valore minimo cioè pari alla portata media del giorno di massimo consumo, nell’esempio 900 l/s.
Soluzione con soglia prefissata a 1120 l/s (v. n. 3/II fig. 10).
La centrale segue le richieste dell’utenza per portate inferiori o pari a 1120 l/s mentre il serbatoio rimane pieno. Quando tale valore viene superato, la centrale mantiene la sua portata sempre al valore di soglia (1120 l/s ottenuto variando in continuazione la pressione di pompaggio) mentre ha inizio lo svuotamento del serbatoio di compenso che, tramite risollevamento, immette in rete tutte le portate di inte
grazione necessarie per coprire il fabbisogno di punta dell’utenza.
Nel giorno di massimo consumo l’intervento complessivo del serbatoio è minimo e cioè pari a soli mc 1600 ma consente di abbassare la pressione massima di pompaggio portandola a 119 msm contro i 137 msm che si avrebbero senza di esso (v. fig. n. 9 precedente). Si vede come la sua utilizzazione, anche se modesta, permette di ottenere un notevole beneficio nella pressione di esercizio riportandola entro valori appropriati. Per quanto riguarda invece i consumi energetici non si ottiene alcun beneficio rispetto alla soluzione precedente (stesso dispendio energetico dovuto alla necessità di dissipare il carico durante il riempimento del serbatoio e di risollevare durante le ore di punta l’acqua precedentemente accumulata nel serbatoio).
In tutti gli altri giorni il consumo energetico migliora. Ad esempio nel giorno di consumi medi (v. n. 8/II fig. 12) esso è pari alla soluzione con serbatoi pensili (v. n. 6/II fig. 7) e quindi estremamente contenuto.
Si esamina ora il funzionamento della rete con una soglia massima di funzionamento della centrale fissata a 1000 l/s. L’intervento del serbatoio, nel giorno di massimo consumo, comincia a diventare importante (mc. 5930) mentre la centrale limita la sua portata ai 1000 l/s di soglia (v.n. 4/II). Rispetto alla soluzione con serbatoi pensili si ottiene una maggior impiego di energia pari soltanto all’uno per cento.
Il più marcato intervento del serbatoio provoca un appiattimento della pressione di pompaggio che, nel giorno di consumo max (v. n. 4/II), varia da un massimo di 111 msm ad un minimo di 76 msm. Nel giorno di consumo medio ( funzionamento identico a quello sopra esaminato v. n. 8/II fig. 12 ) la pressione di pompaggio, pur non verificandosi alcun intervento del serbatoio di compenso, si abbassa ulteriormente rientrando tra un massimo di 100 msm raggiunti per un breve periodo alle ore 9 circa ed un minimo di 62 msm durante le ore notturne.
Passiamo all’esame del funzionamento con una soglia prefissata pari alla media del giorno di massimo consumo. E’ questa la regolazione ottimale degli impianti in quanto consente, a parità di alimentazione dell’utenza, la maggior economia di energia di sollevamento. Il dispendio energetico è addirittura inferiore a quello della soluzione (non attuabile nella realtà) con serbatoi pensili e centrale di sollevamento portata costante per tutta la giornata.
Infatti durante tutte le 24 ore del giorno di massimo consumo la centrale solleva la portata media (nell’esempio 900 l/s) e pertanto la rete può effettuare il trasporto dei necessari volumi d’acqua con le perdite di carico minime (v. n. 5/II fig 11). Tutta la capacità utile del serbatoio viene utilizzata per effettuare la totale compensazione giornaliera delle portate. La pressione di pompaggio della centrale principale è quasi livellata essendo di giorno pari a 102-105 msm e di notte a 87 msm circa. Il serbatoio di compenso, tramite il suo impianto di pompaggio, risolleva un volume di 11200 mc ad una pressione massima di 103 msm per un breve periodo alle ore 9 e poi a circa 78 msm dalle ore 10 alle 20 circa. La rete viene utilizzata anche durante la notte per addurre, oltre alla portata richiesta dall’utenza, anche il volume d’acqua da accumulare nel serbatoio.
Nel giorno di consumo medio (600 l/s) si ha lo stesso funzionamento dei casi precedenti con la centrale principale che immette da sola tutta la portata non essendo mai superata la soglia preimpostata di 900 l/s e ciò ha luogo con una pressione variabile da 100 a 62 msm (v. n. 8/II fig. 12).
Risultato finale della regolazione in esame (soglia pari alla media giornaliera) è un consumo energetico nelle 24 ore estremamente contenuto essendo pari a quello che si avrebbe con rete dotata di serbatoi pensili.
Per dimostrare come tale risultato nella reale gestione sia veramente interessante, si sono tracciati i grafici di funzionamento giornaliero dell’ acquedotto di cui alle verifiche precedenti nelle varie giornate dell’anno tipo. Sono state scelte quattro giornate con portate gradualmente decrescenti di 100 l/s da quella di consumo massimo (900 l/s), a quella di consumo corrispondente alla media annua (600 l/s). Si è supposto, come consigliato sopra, di mantenere fissa e pari alla media del giorno di consumo massimo (900 l/s) in ogni condizione di esercizio e di consumo giornaliero la soglia di pompaggio dell’impianto principale determinando il volume di utilizzazione del serbatoio di rete nei vari casi.
I dati di funzionamento possono essere così riassunti:
| portata media l/s | coeff vol.utilizz. | serbat. mc | % | frequenza giorni |
| 900 | 1,50 | 11200 | 100 | 1 |
| 800 | 1,33 | 4800 | 41 | 20 |
| 700 | 1,17 | 1000 | 9 | 37 |
| 600 | 1,00 | 0 | 0 | 182 |
Riportando i dati in grafico (v. fig. 13 parte sinistra) si constata come la percentuale di utilizzazione del serbatoio di rete, massima per il giorno di consumo elevato (corrispondente a 1.5 volte quello medio annuo) nel quale viene utilizzato per la compensazione tutto il volume di invaso (punto a), decresce rapidamente fino ad un valore pari a solo il 10% circa di tale volume per consumi pari a 1.2 volte quello medio (punto c) e per azzerarsi quando i consumi corrispondono al consumo medio annuo (punto d). Per consumi ancora inferiori non si ha alcuna utilizzazione del serbatoio. I dati, integrati da quelli di frequenza statistica media annua dei consumi conducono a risultati veramente strabilianti. La curva rappresentativa delle percentuali di utilizzazione del serbatoio (v. fig.13 parte destra) ha un andamento quasi parallelo e molto vicino agli assi con accentuato punto di flesso ubicato in corrispondenza dei 35 giorni dell’anno a consumo più elevato. Se ne deduce che per una metà dell’anno l’utilizzazione del serbatoio è nulla, per altri 148 giorni circa essa rimane bassissima mentre le alte percentuali sono tutte concentrate nei rimanenti 35 giorni durante i quali, essendo superato il punto di flesso, passa dal 10% al 100%. L’intervento sostanziale del serbatoio di compenso in rete è, quindi, limitato mediamente a sole 35 giornate all’anno mentre per circa le 330 giornate rimanenti i consumi avranno un valore pari o inferiori a 1.17 volte la media giornaliera annua ed il serbatoio sarà utilizzato per soli 1000 mc. pari al 9% del volume totale, oppure per volumi ancora inferiori.
Se nel diagramma citato si considera l’area indicata con tratteggio e compresa tra gli assi fondamentali e la curva delle percentuali di utilizzazione del serbatoio, e che rappresenta l’utilizzazione totale annua del serbatoio, si vede come essa corrisponda appena al 6% della utilizzazione massima del serbatoio stesso (100% per 365 giorni).
Per far risaltare il risparmio energetico offerto dalla soluzione a soglia ottimale (900 l/s) si è anche verificato quale sarebbero i risultati ottenibili modificando la soglia fino a farla coincidere di giorno in giorno con la portata media del giorno medesimo. A prima vista sembrerebbe questa la soluzione ideale in quanto, in tale ipotesi, la rete dovrebbe effettuare, in ogni giornata tipo, il trasporto delle sole portate medie lasciando al serbatoio il compito di integrare la portata immessa in rete per coprire le punte di consumo. Si riscontra invece un peggioramento della situazione con consumi energetici che, ad esempio nella giornata di consumo medio (v. n. 7/II ) e cioè 600 l/s superano del 3% quelli ottenibili con la soglia elevata (v. n. 8/II fig. 12). Risultati ancora peggiori si riscontrerebbero, ovviamente, nelle giornate di consumo inferiore che, come più volte citato, si verificano con grande frequenza durante l’anno.
Come indicato i raffronti energetici sono effettuati con un acquedotto di tipo tradizionale munito di serbatoi pensili di compenso e con un funzionamento puramente ipotetico della centrale principale considerata come atta a sollevare ed immettere in rete, in tutti i casi in esame, la portata media giornaliera variando con continuità la propria pressione di pompaggio (colonna n. 1/II fig. 6). La realtà è ben lontana da tale ipotesi semplificativa essendo gli acquedotti classici dotati, nella maggior parte dei casi, di vasca di carico in testa alla rete e, come tali, da considerarsi a pressione di pompaggio fissa. Nelle colonne 9/II e 10/II si sono riportati anche i dati di funzionamento di un acquedotto di questo tipo mettendo in rilievo gli inconvenienti che esso presenta.
In pratica si è supposto di modificare lo schema acquedottistico della colonna n. 1/II sostituendo la centrale a pressione variabile con una a pressione fissa per qualunque condizione di esercizio. La quota di pompaggio e quindi l’ubicazione altimetrica della vasca di carico, definite dal funzionamento critico della rete e cioè dell’ora di punta, risultano pari a 114 msm e di conseguenza la pressione di esercizio, adeguata nel brevissimo periodo di richiesta massima dell’utenza (ora di punta) e solo in quello, diventa sovrabbondante per tutto il tempo rimanente durante il quale l’inutile carico residuo deve, per consentire il funzionamento dei serbatoi di rete, venir dissipato o mediante regolazione della valvola posta al piede della vasca o mediante funzionamento a canaletta della prima parte della tubazione di uscita dalla stessa con tutti gli inconvenienti che derivano dall’immissione di aria in condotta. Questo fatto si traduce in un notevole dispendio energetico che, nell’esempio di tabella, raggiunge il 10% nel giorno di consumo massimo e ben il 42% in quello di consumo medio per essere ancora percentualmente più elevato nei giorni di consumo ancora inferiore.
L’immagine del tutto positiva che si aveva dell’acquedotto tradizionale con la sua vasca di carico che garantisce e stabilizza la pressione di partenza di tutta la rete, con i serbatoi pensili di rete che con i loro grandi volumi d’acqua in quota garantiscono la corretta alimentazione dell’utenza in ogni condizione di esercizio, esce malconcia dalla serie di risultati che precedono. Si tratta, nella realtà spesso incognita, di una rete inutilmente sovradimesionata che, in quanto tale, deve dissipare continuamente l’esuberanza di carico. In alcuni acquedotti, per evitare tale dissipazione, si mantiene, anche durante i periodi di bassi consumi, tutta la pressione data dalla vasca di carico con la logica conseguenza che i serbatoi, fatta eccezione per le giornate di consumo massimo, rimangono sempre pieni o quasi pieni e quindi ha luogo, durante tali periodi, una spesa energetica ancora maggiore cui si aggiunge l’ulteriore inconveniente di una eccessiva e dannosa pressione in rete (la pressione si avvicina all’idrostatica). La realtà è molto spesso ancora peggiore: la pressione non raggiunge tali massimi per il semplice motivo che di notte l’aumento della pressione di rete fa crescere vertiginosamente le fughe d’acqua dovute alle piccole rotture fino a farle raggiungere volumi così elevati (l’acqua dissipata annualmente nel terreno può superare il 50% del totale prodotto!) che anche durante tale periodo la portata d’acqua immessa in rete si mantiene elevata.
Risultano evidenti i vantaggi che presenta la rete ideale propugnata nel presente lavoro. Si ribadisce quì che essa garantisce una adeguata pressione di consegna dell’acqua all’utenza in ogni condizione di esercizio. Ciò significa che nei periodi critici, come ad esempio l’ora di punta del giorno di massimo consumo, anche gli utenti più lontani sono alimentati con pressione adeguata mentre nei periodi di bassi consumi come possono essere quelli notturni delle basse stagioni viene abbassata la pressione di consegna evitando in tal modo inutili e costose sovrappressioni fonte, oltre che di dispendio energetico, di maggiori perdite i rete. Si può affermare che la differenza sostanziale fra le reti classica e quella ideale consiste nel fatto che la prima è composta da un sistema rigido la cui gestione è strettamente vincolata alle sue caratteristiche costruttive e soltanto a quelle. Come tale, deve sempre funzionare alla sua massima potenzialità con tutti gli inconvenienti che ne conseguono: dispendio energetico, frequente ed inutile esuberanza di carico idraulico, impossibilità di adeguarsi a maggiori ed imprevedibili richieste dell’utenza se non tramite esecuzione di nuove opere. La gestione della rete ideale, al contrario, è estremamente elastica essendo funzione diretta dell’utenza e dei suoi fabbisogni di cui può seguire puntualmente tutte le variazioni con la massima economia energetica di sollevamento garantendo, al tempo stesso, una pressione di consegna sempre ottimale. E’ possibile far fronte alle eventuali maggiori ed imprevedibili richieste senza esecuzione di nuove opere ma semplicemente con una maggiore spesa energetica di sollevamento.
Esaurito l’esame del comportamento generale della rete ideale si è evidenziato il suo funzionamento nei momenti salienti delle giornate di massimo consumo ed in quella di consumo medio annuo riportando sugli schemi planimetrici (che per brevità si omettono) i risultati dei calcoli di verifica e ricavando da essi il profilo idraulico nelle varie condizioni di funzionamento (v. fig. n. 14) da cui si possono trarre, a conferma dei concetti esposti sopra, importanti conclusioni.
Si nota innanzitutto come le forti escursioni della pressione di partenza che si verificano passando da una condizione all’altra, non provocano alcun inconveniente all’utenza in quanto non interessano la rete di distribuzione vera e propria ma solo il suo primo tratto (nodi 1 – 101) nel quale non ci sono prelievi. Si tratta, nell’esempio e molto spesso anche nella realtà, di una condotta singola di collegamento della rete magliata con l’impianto di produzione posto fuori del centro da servire e che, come tale, per portate di una certa entità necessita di notevoli carichi idraulici. D’altro canto non conviene abbondare eccessivamente nel dimensionamento di tale tubazione considerato che i periodi di portata elevata sono statisticamente poco frequenti e che pertanto, come risulta anche dai conteggi sopra riportati, il consumo energetico annuo risulta comunque contenuto.
La rete magliata, al contrario, conferma le sue ottime caratteristiche effettuando il trasporto di grandi portate d’acqua con modeste perdite di carico e quindi senza grandi variazioni della pressione di consegna. La centrale funziona alla massima pressione manometrica (100-105 msm) soltanto nei momenti di effettivo bisogno quali sono ad esempio, nel giorno di consumo massimo il periodo che va dal consumo medio giornaliero (900 l/s) a quello di punta (1350 l/s) e nel giorno di consumo medio annuo, la sola ora di punta (900 l/s). Durante tutti gli altri periodi, ivi compreso anche quello di riempimento del serbatoio nel giorno di consumo massimo, la centrale è in grado di far fronte ai fabbisogni con una pressione media e medio-bassa.
In particolare per consumi pari circa alla media annua (600 l/s) ed anche per il riempimento notturno del serbatoio nei giorni di massimo consumo, è sufficiente una pressione di pompaggio di 80-85 msm mentre per tutti i periodi di bassi consumi notturni la pressione si abbassa fino a circa 65 msm. Tutto ciò si traduce in evidenti economie nell’energia consumata annualmente per il sollevamento.
Nel territorio abitato le pressioni sono livellate essendo concentrate, in tutti i casi esaminati, compresi quelli estremi, in due fasce (v. zone tratteggiate nella fig. 14): quella del funzionamento diurno nella quale di ha una pressione assoluta massima di msm 84 ed una minima di 70 msm., quella del funzionamento notturno con pressione da m. 52 a m. 65. La pressione di consegna nel nodo 118, assunto come rappresentativo della rete, è di m 70 di giorno e m. 60 di notte come da diagramma prefissato.
Per quanto riguarda il funzionamento delle condotte di rete, dall’esame dei risultati dei calcoli, si è rilevato come tutti i tronchi concorrano solidalmente al trasporto dei richiesti volumi d’acqua che pertanto ha luogo, in ogni condizione di funzionamento, con perdite di carico estremamente contenute. Ciò si evidenzia particolarmente durante la notte del giorno di max consumo quando, con consumi quasi nulli dell’utenza e con il serbatoio di rete in fase di riempimento, anche le condotte più lontane dalla centrale, invertendo la direzione di moto dell’acqua, riescono ad addurre, nonostante la loro ubicazione idraulicamente sfavorevole, notevoli volumi d’acqua al serbatoio stesso.
In definitiva si può affermare che, nella rete dell’esempio, il carico idraulico disponibile viene sempre utilizzato in modo ottimale, con perdite di carico contenute e non senza garantire una corretta consegna dell’acqua all’utenza.
3.2) LA SCELTA DELLE POMPE
Nei grafici relativi al funzionamento della rete ideale nelle varie giornate tipo e secondo tutte le modalità di funzionamento possibili, alcune delle quali formano oggetto delle fig. da n. 9 a n. 12 mentre altre non sono riportate nel presente testo, si sono evidenziati con un circoletto numerato i punti salienti di sollevamento dell’impianto principale che, riportati sul grafico cartesiano di fig. n. 15, hanno consentito di definire, con un congruo margine di sicurezza, la fascia caratteristica del pompaggio.
Pur non escludendo la possibilità di realizzare la stazione di pompaggio con una serie di pompe a velocità fissa al fine di raggiungere buoni risultati con costi più contenuti, dal grafico risulta che la soluzione ottimale sarebbe quella con pompe a velocità variabile più adatte a cop
rire interamente l’area di lavoro. Si noterà come la fascia sia caratterizzata da una minor pendenza e larghezza nella parte bassa del grafico il che ha consigliato di dividere il campo in due parti ben definite ed indicate in disegno con diverso tratteggio. Sono state quindi scelte due pompe a velocità variabile dimostratesi atte a coprire, con buone caratteristiche funzionali, tutto il campo di lavoro.
Quella più piccola con portata variabile da 150 a 600 l/s circa e prevalenza da circa 35 m a 55 m. resta in funzione per un tempo pari a circa il 40% del totale annuo tale essendo la percentuale statistica di frequenza delle portate orarie pari o inferiori alla media annua.
L’altra pompa avente portata, a basso numero di giri, pari a 600 l/s e, alla velocità massima, 1300 l/s circa con una prevalenza da 55 a 115 m circa farà fronte, oltre che al riempimento notturno dei serbatoi di compenso, anche ai rimanenti fabbisogni dell’utenza.
Si fa notare come le apparecchiature di sollevamento descritte consentano di soddisfare i fabbisogni della rete in tutte le più disparate condizioni anche in quelle improbabili ma pur sempre possibili. Per la definizione della fascia di lavoro delle pompe, sono stati infatti utilizzati grafici di funzionamento relativi ai giorni di consumo massimo, medio e minimo considerando per ognuno di essi vari modi di sfruttamento della capacità di compenso dei serbatoi che vanno dall’utilizzazione dell’intero volume di invaso fino ad una utilizzazione nulla. Le pompe scelte e la rete esaminata saranno quindi in grado di far fronte, a prezzo soltanto di una maggior spesa energetica, anche a situazioni eccezionali quali sono, ad esempio, il fuori servizio del serbatoio di compenso nel giorno e nell’ora di punta.
4) CONCLUSIONI
Il lavoro svolto riguarda la razionalizzazione di una rete elementare di costituzione molto semplice in quanto ritenuta sufficiente a comprovarne la validità. Le metodologie proposte allo scopo sono però applicabili, con buoni risultati, anche a reti complesse quali sono, ad esempio, quelle dotate di più impianti di produzione, quelle alimentanti territori variegati sia dal punto di vista altimetrico che da quello dei consumi specifici nelle quali si avrà cura di asservire ogni centrale di sollevamento o di risollevamento ai nodi della sottorete di appartenenza. Si potrà, anche allora, constatare come il funzionamento a pressione di esercizio variabile e la grande elasticità di funzionamento propri della “rete ideale” si prestino ottimamente a risolvere problemi anche ardui in una costante ottica di contenimento dei costi energetici.
Alcuni esempi: nel caso di reti alimentate con fonti diversificate sia per ubicazione che per qualità (acqua potabilizzata e acqua naturalmente potabile), si potrà abbassare il costo medio di produzione facendo funzionare alla sua massima producibilità 24 ore su 24 l’impianto che ha costi di produzione inferiori; nel caso di reti sottodimensionate si potrà rimediare aumentando la pressione diurna di esercizio; nei periodi o nelle aree caratterizzate da deficienza delle fonti si potrà economizzare mediante alimentazione ad una pressione il più bassa possibile ecc. ecc..
I concetti di base da cui trova origine tutta l’impostazione progettuale e di esercizio qui propugnata possono essere così riepilogati:
· il pompaggio a pressione variabile che comporta la messa al bando dei serbatoi pensili ma consente la massima elasticità ed economicità di esercizio;
· le modalità di compensazione giornaliera delle portate da effettuarsi per la maggior parte con serbatoi a terra annessi alla produzione e, per la parte restante, con serbatoi a terra ubicati in posizione baricentrica dell’utenza;
· le modalità di pompaggio a soglia preimpostata;
· la preimpostazione delle pressioni che durante la giornata devono essere assicurate nei vari punti della rete;
· l’utilizzazione della rete sia per l’adduzione dei volumi d’acqua ai serbatoi di compenso in rete sia per la distribuzione agli utenti;
· il telecomando e telecontrollo della rete a mezzo impianto automatico.
Le soluzioni proposte consentono:
1) Rilevanti economie sia costruttive che di gestione dell’insieme acquedottistico;
2) La possibilità di far fronte ad imprevedibili necessità grazie alle grandi doti di elasticità possedute dalla rete;
3) La razionale utilizzazione dei volumi d’acqua accumulati nei serbatoi sia nei giorni di punta, sia in quelli di portata minima e sia per far fronte ad impreviste necessità:
4) di graduare le pressioni di rete in funzione delle effettive necessità dell’utenza garantendo in ogni condizione di esercizio la consegna dell’acqua alla pressione adeguata.
In definitiva l’ esercizio delle reti e dei relativi impianti condotto secondo le modalità descritte nel presente lavoro costituisce un modo corretto, razionale ed economico di gestione.
Chi scrive ha potuto verificare tali risultati nell’esercizio di più acquedotti che, pur essendo dotati di apparecchiature di regolazione meno sofisticate di quelle necessarie per la rete ideale citata, funzionano automaticamente a pressione variabile asservita alle richieste di rete da oltre vent’anni.
Caratteristica saliente un sollevamento che, pur garantendo una pressione di consegna all’utenza sempre ottimale, si è svolto per la quasi totalità delle ore di funzionamento di tutto il ventennio a bassa pressione essendo quello ad alta limitato a periodi brevissimi: è evidente l’economia realizzata nella spesa di sollevamento.
Un’altra esperienza che si è potuta fare è quella relativa ai vantaggi offerti dalla riduzione della pressione notturna di pompaggio. A tale scopo si è, durante la notte, forzatamente alimentata la rete a pressioni maggiori di quelle normali constatando come le portate minime immesse in rete (costituite in tal caso quasi esclusivamente da perdite di rete) subissero, per effetto dell’aumento di pressione (da 20 a 45 m.), un incremento corrispondente circa al raddoppio di valore.
Come già detto tutte le soluzioni proposte nel presente lavoro riguardano acquedotti di medie dimensioni. Certamente i grandi sistemi acquedottistici richiedono tecnologie migliori. Si tratterà ad esempio di più sofisticate procedure di calcolo per l’ottimizzazione in continuo della produzione, accumulo, pompaggio e trasporto dell’acqua, di nuove metodologie di determinazione della pressione ottimale di consegna all’utenza, di verifica e localizzazione in automatico delle perdite di rete e di verifica automatica del funzionamento idraulico dell’insieme acquedottistico. Su alcuni punti però troveranno conferma, senza tema di smentita, le tecniche qui proposte: nel funzionamento a pressione variabile degli impianti, nella parziale compensazione giornaliera delle portate da effettuarsi in rete mediante serbatoi a terra, nell’utilizzazione della rete sia per l’adduzione che per la distribuzione dell’acqua ed infine sull’importanza che riveste l’impianto di telecontrollo e telecomando della rete.
Ciò è dovuto ad alcune delle prerogative insite nella natura stessa delle reti, nelle leggi che ne regolano il funzionamento idraulico ed infine nelle usuali modalità di consumo dell’utenza, prerogative di cui, con il progredire della tecnica, non si potrà trascurare lo sfruttamento.
Merito del presente lavoro si ritiene sia quello di averne messo in luce, enfatizzato e documentato con esempio di verifica teorica le caratteristiche.
Merito ulteriore, anche se di minor rilievo, quello di contribuire affinché nella città futura non siano presenti gli ingombranti ed antiestetici serbatoi pensili messi al bando dalla diversa tecnologia quì proposta.